石油規(guī)劃設計2007年7月天然崳輸送道材祈劉銀春*劉祎王登海常志波徐海翔西安長慶科技工程有限責任公司四川天馳建設工程有限責任公司劉銀春等.天然氣輸送管道選材分析.石油規(guī)劃設計,2007,18(4):44~47摘要隨著人們對天然氣需求量的不斷增加,天然氣輸送管道建設也迅速發(fā)展,并且需要高壓力、大流量的鋼管。在夭然氣輸送鋼管選材中應考慮其強度、韌性、可焊性和耐蝕性,論述了判斷管材強度和韌性須考慮的技術指標以及判斷管材可焊性的兩個指標。闡述了輸送介質的4種腐蝕破壞形式及腐蝕機理,提岀了在天然氣輸送管道選材中應注意的問題。關鍵詞天然氣輸送管道強度韌性焊接腐蝕選材分析隨著人們對夭然氣需求的不斷增加,輸氣管道節(jié)約大量鋼材,降低建設成本。目前,輸氣管道是建設也得以迅速發(fā)展。天然氣管道輸送作為一種經通過采用大口徑和高輸氣壓力的技術措施來提高經濟、安全、高效的輸送方式而被廣泛應用。目前,濟效益,因此,要求管材有較高的強度。據計算,高壓輸送和嚴酷的環(huán)境對輸送管道提岀了嚴格的技一條輸送壓力為7.5Ma,直徑為1400m的輸氣管術性能要求。通過對天然氣輸送管的發(fā)展趨勢、管道可代替3條壓力為5.5MPa,直徑為1000m的管道服役條件、主要失效形式和失效原因等方面的綜道,可節(jié)省投資約35%,節(jié)省鋼材約19%。對同合評價,對天然氣輸送用鋼管材質強度、韌性、可管徑,如果輸氣的工作壓力從7.5MPa提高到10~焊性和耐蝕性4個方面提出了具體的技術要求。12Ma,輸氣能力將提高33%~60%,而且高等級強度要求鋼可以降低鋼管的壁厚,減少現場施工焊接的時間,從而降低鋼材重量和建設成本。一般來說每提高鋼管強度主要指屈服強度和抗拉強度。屈服強個鋼級,可節(jié)約建設成本約7%度表示材料抵抗塑性變形的能力,一般情況下,屈1.2提高鋼管強度的技術指標服強度越高,材料強度越高,韌性則降低。輸氣管1.2.1屈強比道的屈服強度一般為245~555Ma,計算時一般采屈強比即屈服強度與抗拉強度之比值,表示材用產品的公稱最低屈服強度(SWS)?？估瓘姸仁侵噶纤苄宰冃蔚哪芰?屈強比與材料塑性變形能力和金屬在拉斷前所承受的最大應力,輸氣管道的抗拉加工硬化能力有關。從管道安全性考慮,高鋼級鋼強度一般為415~625MPa管的屈強比不應過大,因為屈強比越大,環(huán)向應變1.1提高鋼管強度的原因允許值越小,試驗和運行壓力越接近鋼管的抗拉強天然氣輸氣管道向著高壓、大流量、長距離發(fā)度,母材和焊接接頭對缺陷的容忍能力就越小。在展的趨勢越來越明顯。隨著管道輸送壓力、直徑的很多管道用鋼管的技術規(guī)范中對材料的屈強比進明顯增高,提高鋼管強度即采用高鋼級鋼管,可以劉銀春,男,1981年生,助理工程師。2005年畢業(yè)于西南石油大學油氣儲運工程專業(yè),現在iEV山中國煤化工通信地址陜西省西安市未央區(qū)長慶興隆園小區(qū)長慶大廈908室,710021CNMHG第18卷第4期劉銀春等:天然氣輸送管道選材分析行了限制規(guī)定,一般在0.85~0.93范圍內。裂紋將長程擴展,造成嚴重后果;相反,如果韌性IS③B183-3規(guī)范中規(guī)定,低于Ⅺ52鋼管屈強比不允較大,則有可能止裂。因此,對管材韌性技術要求許超過0.90,超過X52鋼管的屈強比不允許超過包括兩個方面:一是確保不發(fā)生脆性斷裂;二是斷0.92,但 API Spec5L僅對冷擴徑鋼管作做出了屈裂后在一定管長內止裂。目前,隨著冶金技術、輸強比不超過0.93的規(guī)定。為了保證高等級鋼管道氣壓力提高,脆性斷裂事故基本得到控制,而經常的安全性,一般油氣管道的技術條件都對屈強比做發(fā)生的是延性斷裂事故。出規(guī)定21345。2.2延性斷裂m[4t91.2.2包申格效應( Baus chi nger Ef feet)延性斷裂的止裂是輸氣管道的突出問題。國外包申格效應是材料的塑性力學現象。包申格效應已進行了大量的研究,提出了輸氣管道選用鋼管延的特點:一是只有多晶體材料才有包申格效應,單性斷裂與CWN(夏比沖擊值)的關系。近年來,針晶體材料則沒有;二是包申格效應的大小與材料(主對高壓、大口徑天然氣輸送管道的發(fā)展,已有的止要指管材)的化學成分、晶粒度大小以及軋制工藝裂經驗公式預測已經不能有效地保障管道安全,因有關;三是包申格效應的大小還與塑性變形量有關此,國外研究人員提出了新的解決方法。如Leis系,塑性變形量在某一數值時包申格效應最高,塑述包申格效應大小的稱為包申格效應值(簡稱法多、DT(落錘試驗)法、HP法和(COAc性變形量再大時,包申格效應減小,甚至消失。描修正法仼BE),指同一管材制成管后,前后屈服值的差。VBE如果使管材在一定長度內能夠止裂,要求管道般為40~50Ma,個別的能達到70Ma。因此,為管具有足夠高的夏比沖擊韌性。夏比Ⅴ型缺口沖擊保證焊管成品的屈服強度達到技術標準的要求,鋼試驗(測取CN值),在最低操作溫度下,C值在板的屈服強度應留有足夠的余量,以彌補包申格效0.125MS·以上,就可以控制延性斷裂。對于焊應對鋼管屈服強度的影響。一般規(guī)定,鋼板應比鋼管高一個等級,或者在該級別鋼的SMS的基礎上提縫一般按不起裂計算韌性。高40~50Ma2.3管材止裂應注意的問題「鋼板訂貨時要求管材的最小韌性值大于其止裂2韌性要求韌性的預測值,可使發(fā)生延性斷裂時能夠止裂。韌性指金屬材料在斷裂前所吸收出的能量,亦對同一直徑和壁厚的螺旋埋弧焊管和直縫埋弧即外力所作的形變功和斷裂功之和,它是材料抵抗焊管止裂韌性的要求相同。裂紋擴展能力的度量。天然氣輸送管道所規(guī)定管道焊縫韌性不起止裂作用,其數值只要能防止延止裂韌性要求,是指材料止裂所需的韌性,既要最性起裂即可;母材的韌性則應大到足以阻止延性裂大限度地容忍初始缺陷,又要在延性斷裂裂紋一旦紋的擴展。萌生后止裂(將斷裂長度控制在一定范圍),同時又能滿足批量生產管材的經濟性要求。一般管道工作為了保證實驗室測得的CWN和DT數據可靠溫度越低,鋼管強度等級越高,管徑和壁厚越大,性,要求所用設備的最大能力應為所測數據的兩倍。對管材的韌性要求越高「3可焊性要求21112t2.1提高鋼管韌性的原因4[鋼管韌性是影響輸氣管道安全可靠的主要因素可焊性主要取決于鋼的化學成分,是獲得可靠之一。管道斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種形式。焊接的重要保證。管材具有良好的可焊性是保證管脆性斷裂是由低溫、應力、裂紋缺陷3個條件共同道焊接質量、管道使用壽命及可靠性的重要指標。作用造成的,其裂紋常在遠低于管材屈服強度條件管材的可焊性一般用兩種判別指標。下突然發(fā)生。解決脆性斷裂可以采用消除鋼管裂紋3.1碳含量缺陷和提高管材的斷裂韌性兩種方法,前者屬于制將影響可焊性的許多化學元素,其中以碳為主管和施工注意的問題,后者通過提高本身性能指標要影響因素,折合成碳當量(Ceq)來判斷可焊性來防止鋼管斷裂。韌性斷裂是指過大拉應力和裂紋缺陷同時存在的條件下,由細小裂紋逐漸擴展而最9優(yōu)劣終造成的斷裂。如果管材的韌性較低,其裂紋擴展Ceg=C+ Mn Cr+ Mo+v Ni+ Cu(1)的速度相對較快,有可能大于天然氣減壓波速度,中國煤化工般認為CNMHGeq在0.35石油規(guī)劃設計2007年7月0.42之間,管材具有較好的焊接性能。X60以上的硫化氬溶液中產生氫原子,當氬原子滲透到管管材也可用冷裂紋敏感系數(Pcm)來判斷,輸氣材里,將使鋼材晶粒間的原子結合力降低,造成鋼管道的Pcm≤0.20,Pcm的計算公式為:材的延伸率、斷面收縮率降低,隨著應變速度和溫Mn+Cu+ Cr MoPcm=c+1510+5B(2)度的變化,鋼材強度也發(fā)生很大的變化,引起脆性3.2熱影響區(qū)域的硬度斷裂。目前,解決辦法是控制管道鋼板和焊接接頭熱影響區(qū)域的硬度是衡量可焊性的另一個指的硬度。但這并不是絕對有效,特別是有焊按應力標。碳當量越高,冷卻速度越快,則熱影響區(qū)的硬存在時。度越高。從800℃到300℃的冷卻速度影響熱影響區(qū)4.4氫致開裂4t的顯微組織,冷卻速度加快會使熱影響區(qū)的硬度增氫致開裂是輸氣管道失效的主要模式之一,其大,組織變脆:從300到100冷卻速度影響焊接產生的原因是硫化氫溶液中產生的氫原子通過金屬金屬中氫的擴散,會降低熱影響區(qū)的韌性和增大對裂紋的敏感性。一般焊縫與熱影響區(qū)金屬的宏觀硬表面深入基體內部:氫原子在金屬內部沿軋制方向度不得超過HRC2(洛氏硬度)或者H248(維氏硬在非金屬夾雜物和晶體缺陷等處聚集,并結合成氫度)分子,產生巨大的內壓力。顯微缺陷處的氫壓可以4耐蝕性要求超過材料的斷裂強度,即使不存在殘余應力也可能形成HC。HC的影響因素包括環(huán)境因素和材料因天然氣輸送管道的腐蝕主要包括輸送介質的腐素。環(huán)境因素主要包括HS濃度、pH值、CQ濃度蝕、沖刷腐蝕和外腐蝕。沖刷腐蝕一般通過控制流溫度等:材料因素主要有化學成分、非金屬夾雜物速,采用環(huán)形流動設計、大圓周半徑彎頭和三通進行控制。外腐蝕防護主要通過外防腐涂層和陰極保和顯微組織。護。因此,沖刷腐蝕和外腐蝕對材質的影響不大提高管道鋼抗HC能力的主要措施包括:一是材質的耐蝕性主要考慮輸送介質的腐蝕。輸送介質提高鋼的純度。采用精抖、高效鐵水預處理及復合的腐蝕破壞主要有4種:應力腐蝕破壞(sα;硫爐外精煉:二是提高成分和組織的均勻性。在降低化氫應力腐蝕破裂(SsCO;硫化氫脆(SS;氫致硫含量的同時進行鈣處理,鋼水和連鑄過程的電磁開裂(HC)m14.1應力腐蝕破壞「141516攪拌,連鑄過程輕壓下技術的采用,多階段控制軋應力腐蝕破壞是除了硫化氫破壞以外的各種因制及強制加速冷卻工藝,限制帶狀組織等:三是晶素引起的應力腐蝕破壞總稱。其特征是腐蝕在酸性、粒細化。主要通過微合金化和控壓工藝使晶粒充分細中性,甚至堿性環(huán)境下都可能發(fā)生,所以緩蝕劑不化;四是盡量降低碳含量,控制錳含量,添加銅、鉬起作用。應力腐蝕破壞涉及3個方面的因素:敏感材料(合金成分、微觀組織);應力;敏感環(huán)境(介隨著人們對天然氣需求的不斷增加,輸氣管道質成分、濃度、溫度等)。初步研究表明,溶解和滲建設也得以迅速發(fā)展,管材的選擇直接影響工程質氫是這類應力腐蝕裂紋擴展的主要原因。防止這類量而日益受到重視。采用高壓輸氣可以降低管道建設的成本和運行費用,因此,在輸氣管道建設中,應力腐蝕破壞的主要措施是提高外包裝質量,隔絕應選用高鋼級管道鋼。在選用高鋼級鋼時,應關注土壤對管體的腐蝕,降低焊管的殘余應力4.2硫化氫應力腐蝕破裂nrt1其屈強比和韌性,以保證管道安全性。針對今后擬建的大型輸氣管道特點,加大止裂研究的力度。同在SSC過程中,一方面產生硫化物;另一方面,時,對高鋼級鋼的焊接性能、材料及方法進行研究硫離子促使陰極反應析岀的氫離子在鋼表面富集并進入鋼組織,引起氫脆,降低鋼的塑性,并導致白與選擇,減少焊縫缺陷。根據輸送氣質的不同,特別是輸送高含硫天然氣的鋼管,需要對鋼管的合金點的形成,加速裂紋的萌發(fā)和發(fā)展。硫化氫應力腐蝕破裂主要受3個方面的影響:金屬所處環(huán)境介質;成分設計進行針對性研究,以提高耐蝕性金屬材料本身的性質和狀態(tài);金屬所承受的應力狀參考文獻[1]彭在美,生產技術及發(fā)4.3硫化氫脆「14展方向中國煤化工[2]中國石CNMHG天然氣工業(yè)管第18卷第4期劉銀春等:天然氣輸送管道選材分析理實用手冊.北京:石油工業(yè)出版社,2005[13]李云濤等.高強管線鋼的焊接性及其焊接接頭的3]楚彥方等.高鋼級管在輸氣管道中的應用.石油耐腐蝕性.焊接技術,2004,33(4):26~28規(guī)劃設計,2005,16(4):13~1614]王儀康.高壓輸送天然氣管線用鋼和焊接鋼管.[4]王茂堂等.西氣東輸管線用鋼管技術條件編制中焊管,1998,21(4):21~27的幾個問題及回顧.焊管,2003,26(2):1~[15]劉杏等.天然氣長輸管線應力腐蝕破裂的敏感環(huán)境條件.機械工程材料,2002,26(1):55]王茂堂.大型輸氣管線選材中的幾點看法.焊管,2000,23(3):32~42[16]李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個熱6]潘家華.關于管材旳包申格效應.焊管,1997點問題[].中國機械工程,2001,12(3):20(1):1~3349~3517]尹國耀.包申格效應對×65鋼管強度的影響.石[17]尹成先等.高強度管線鋼應力腐蝕試驗研究.焊油規(guī)劃設計,2002,13(5):9~10管,2003,26(6):14~168]馮耀榮等.有關天然氣輸送管道及鋼管的幾個問18]張何林.天然氣輸送過程中硫化物應力腐蝕.河題.壓力容器,2001(18):53~59南化工,2005,22(7):10~11[9]孫志宇等譯.國外輸氣管線止裂韌性預測研究進19]王勇等.管道硫化氫應力腐蝕破裂的原因分析展.國外油田工程.2005,21(8):30~32油氣儲運,2004,23(12):46~4710]黃志潛.西氣東輸管道延性斷裂的止裂控制.焊「20]陶勇寅等.管線鋼硫化氬應力腐蝕的影響因素管,2001,24(2):1~9天津大學學報,2004,37(4):359~362[11]彭在美.論石油天然氣輸送用鋼管的生產技術及發(fā)展方向.冶金叢刊,2005,(5);41~44收稿日期:2006-10-212]劉樞楷等.L360焊接鋼管在天然氣次高壓管道的應用.煤氣與熱力,2003,23(9):540~542編輯:郭潔敏(上接第19頁)5.5加強Hzq(危險和可操作性分析)研究如果為滿足需求,將氣田的產量定的過高,在很短開發(fā)高壓、高含硫天然氣帶來的安全問題,貫的開采時間內,井口壓力下降就非?？?致使氣井穿氣田開發(fā)工程的全過程。系統(tǒng)地分析研究氣田建生產的天然氣無法進入集輸系統(tǒng),因而必須提前進設的安全風險和防止風險的發(fā)生是氣田開發(fā)的基本行增壓生產。有些氣田投產時間很短,就已出現上述情況,面臨著調整改造,有些氣田負荷因子已達技術方針。0.95以上,超出了合理范圍,降低了安全保證。在HzP研究過程中,通過設計人員、第三方要依靠技術進步,合理確定開發(fā)方案,要科學專家和操作單位等的共同參與,可以系統(tǒng)地分析設確定氣田的儲采比,對天然氣儲量要有預留,正確計中是否有風險,有什么風險,什么樣的操作才能處理保障供氣與氣田穩(wěn)產之間的關系。避免和控制風險,從而將風險減少到最低程度。建5.3在老氣田的調整改造中,應盡量選用國產設議在今后的氣田建設和調整改造中逐步進行HAzP備,以降低投資研究,將風險減少到最低程度。目前,在產能建設中,引進設備還占有一定比5.6開展氣田高效設備優(yōu)化篩選工作例,引進設備普遍價格高,維護維修需要進口機件,定期搜集、評價國內外氣田各系統(tǒng)成功使用過且成本高;有的設備需整機送到國外維修,成本更的高效、節(jié)能設備,對經過實踐檢驗性價比高的成高。老氣田已運行多年,穩(wěn)產能力逐漸降低,穩(wěn)產熟節(jié)能技術,進行大面積推廣;做到技術信息共享,年限也逐漸減短,因此老氣田的調整改造的目的主使先進技術盡快轉變成生產力。要是保證其能安全運行。在調整改造中應盡量選國產設備,以降低投資。收稿日期:2006-11-035.4改變傳統(tǒng)的駐站式管理模式,確保生產安全編輯:馬三佳川渝等氣田的地面集輸系統(tǒng)是經過幾十年不斷建設、發(fā)展起來的,許多地處偏遠老氣田采用傳統(tǒng)的駐站式管理模式,使較多的非值班人員住房建于場站工區(qū)范圍內。在今后的老氣田調整改造和新氣田的建設中,應將生產區(qū)和生活區(qū)分開。中國煤化工CNMHG