天然气输送管道选材分析

４４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石　油　规　划　设　计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２００７ 年 ７ 月　

　

刘银春＊　　刘　　　　　王登海　　常志波　

西安长庆科技工程有限责任公司　

　

徐海翔　

四川天驰建设工程有限责任公司　

刘 银 春 等 ．　 天 然 气 输 送 管 道 选 材 分 析 ．　 石 油 规 划 设 计

　

２００７

１８

４

４４

４７　

摘要　　随着人们对天然气需求量的不断增加 天然气输送管道建设也迅速发展 并且需要高 压力 大流量的钢管 在天然气输送钢管选材中应考虑其强度 韧性 可焊性和耐蚀性 论述了 判断管材强度和韧性须考虑的技术指标以及判断管材可焊性的两个指标 阐述了输送介质的 ４ 种 腐蚀破坏形式及腐蚀机理 提出了在天然气输送管道选材中应注意的问题 　 关键词　　天然气　　输送　　管道　　强度　　韧性　　焊接　　腐蚀　　选材　　分析　 　 随着人们对天然气需求的不断增加 建设也得以迅速发展 济 安全 高效的输送方式而被广泛应用 输气管道 目前 管 可

１

节约大量钢材 济效益 因此

降低建设成本

目前

输气管道是 据计算

天然气管道输送作为一种经

通过采用大口径和高输气压力的技术措施来提高经 要求管材有较高的强度 一条输送压力为 ７．５ＭＰａ 道 可节省投资约 ３５ 管径 　 １２ＭＰａ 直径为 １４００ｍｍ 的输气管 直径为 １０００ｍｍ 的管 对同一 节省钢材约 １９ ６０

高压输送和严酷的环境对输送管道提出了严格的技 术性能要求 道服役条件 合评价 通过对天然气输送管的发展趋势 韧性 主要失效形式和失效原因等方面的综

道可代替 ３ 条压力为 ５．５ＭＰａ

对天然气输送用钢管材质强度

如果输气的工作压力从 ７．５ＭＰａ 提高到 １０ 输气能力将提高 ３３ 而且高等级

焊性和耐蚀性 ４ 个方面提出了具体的技术要求

１　　强度要求　

钢管强度主要指屈服强度和抗拉强度 度表示材料抵抗塑性变形的能力 服强度越高 材料强度越高 道的屈服强度一般为 ２４５ ５５５ＭＰａ 韧性则降低 屈服强 屈 输气管 一般情况下

钢可以降低钢管的壁厚 减少现场施工焊接的时间 从而降低钢材重量和建设成本 个钢级 可节约建设成本约 ７ １．２　　提高钢管强度的技术指标　 １．２．１　　屈强比　 屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值 表示材 料塑性变形的能力 屈强比与材料塑性变形能力和 加工硬化能力有关 从管道安全性考虑 高钢级钢 管的屈强比不应过大 因为屈强比越大 环向应变 允许值越小 试验和运行压力越接近钢管的抗拉强 大流量 长距离发 直径的 可以 度 母材和焊接接头对缺陷的容忍能力就越小 在 很多管道用钢管的技术规范中对材料的屈强比进 一般来说每提高一 　

计算时一般采 抗拉强度是指 输气管道的抗拉

用产品的公称最低屈服强度 ＳＭＹＳ 金属在拉断前所承受的最大应力 强度一般为 ４１５ ６２５ＭＰａ 　 １．１　　提高钢管强度的原因　 天然气输气管道向着高压 展的趋势越来越明显 明显增高

随着管道输送压力

提高钢管强度即采用高钢级钢管

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　＊　　刘银春 男 １９８１ 年生 助理工程师 ２００５ 年毕业于西南石油大学油气储运工程专业 现在西安长庆科技工程有限责任公司工作 通信地址 陕西 省西安市未央区长庆兴隆园小区长庆大厦 ９０８ 室 ７１００２１　

　　第 １８ 卷　　第 ４ 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘银春等 天然气输送管道选材分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　４５　

行了限制规定 许超过 ０．９０ ０．９２

一 般 在 ０．８５

０．９３ 范 围 内

ＩＳＯ３１８３－３ 规范中规定

低于 Ｘ５２ 钢管屈强比不允

超过 Ｘ５２ 钢管的屈强比不允许超过 为了保证高等级钢管道

但 ＡＰＩ　Ｓｐｅｃ　５Ｌ 仅对冷扩径钢管作做出了屈

强比不超过 ０．９３ 的规定 出规定

２ ３ ４ ５

的安全性 一般油气管道的技术条件都对屈强比做 １．２．２　　包申格效应 Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ 　 Ｅｆｆｅｅｔ 　 包申格效应是材料的塑性力学现象 包申格效应 的特点 一是只有多晶体材料才有包申格效应 单 晶体材料则没有 二是包申格效应的大小与材料 主 要指管材 的化学成分 晶粒度大小以及轧制工艺 有关 三是包申格效应的大小还与塑性变形量有关 系 塑性变形量在某一数值时包申格效应最高 塑 性变形量再大时 包申格效应减小 甚至消失 描 述包申格效应大小的称为包申格效应值 简称 ＶＢＥ 指同一管材制成管后 前后屈服值的差 ＶＢＥ 一般为 ４０ ５０ＭＰａ 个别的能达到 ７０ＭＰａ 因此 为 保证焊管成品的屈服强度达到技术标准的要求，钢 板的屈服强度应留有足够的余量 以弥补包申格效 应对钢管屈服强度的影响 一般规定 钢板应比钢 管高一个等级 或者在该级别钢的 ＳＭＹＳ 的基础上提 高 ４０ ５０ＭＰａ 　

２　　韧性要求　

韧性指金属材料在断裂前所吸收出的能量 亦 即外力所作的形变功和断裂功之和 它是材料抵抗 裂纹扩展能力的度量 天然气输送管道所规定管道 止裂韧性要求 是指材料止裂所需的韧性 既要最 大限度地容忍初始缺陷 又要在延性断裂裂纹一旦 萌生后止裂 将断裂长度控制在一定范围 同时又 能满足批量生产管材的经济性要求 一般管道工作 温度越低 钢管强度等级越高 管径和壁厚越大 ２ 　 对管材的韧性要求越高 ４ ８ ２．１　　提高钢管韧性的原因 　 钢管韧性是影响输气管道安全可靠的主要因素 之一 管道断裂分为脆性断裂和韧性断裂两种形式 脆性断裂是由低温 应力 裂纹缺陷 ３ 个条件共同 作用造成的 其裂纹常在远低于管材屈服强度条件 下突然发生 解决脆性断裂可以采用消除钢管裂纹 缺陷和提高管材的断裂韧性两种方法 前者属于制 管和施工注意的问题 后者通过提高本身性能指标 来防止钢管断裂 韧性断裂是指过大拉应力和裂纹 缺陷同时存在的条件下 由细小裂纹逐渐扩展而最 终造成的断裂 如果管材的韧性较低 其裂纹扩展 的速度相对较快 有可能大于天然气减压波速度

裂纹将长程扩展 造成严重后果 相反 如果韧性 较大 则有可能止裂 因此 对管材韧性技术要求 包括两个方面 一是确保不发生脆性断裂 二是断 裂后在一定管长内止裂 目前 随着冶金技术 输 气压力提高 脆性断裂事故基本得到控制 而经常 发生的是延性断裂事故 　 １ ４ ９ 　 ２．２　　延性断裂 延性断裂的止裂是输气管道的突出问题 国外 已进行了大量的研究 提出了输气管道选用钢管延 性断裂与 ＣＶＮ 夏比冲击值 的关系 近年来 针 对高压 大口径天然气输送管道的发展 已有的止 裂经验公式预测已经不能有效地保障管道安全 因 此 国外研究人员提出了新的解决方法 如 Ｌｅｉｓ 修正法 ＤＷＴＴ 落锤试验 法 ＨＬＰ 法和 ＣＴＯＡ Ｃ 法等 　 如果使管材在一定长度内能够止裂 要求管道 管具有足够高的夏比冲击韧性 夏比 Ｖ 型缺口冲击 试验 测取 ＣＶＮ 值 在最低操作温度下 ＣＶＮ 值在 ０．１２５ＭＹＳ Ｊ 以上 就可以控制延性断裂 对于焊 缝一般按不起裂计算韧性 　 １０ ２．３　　管材止裂应注意的问题 　 钢板订货时要求管材的最小韧性值大于其止裂 韧性的预测值 可使发生延性断裂时能够止裂 　 对同一直径和壁厚的螺旋埋弧焊管和直缝埋弧 焊管止裂韧性的要求相同 　 焊缝韧性不起止裂作用 其数值只要能防止延 性起裂即可 母材的韧性则应大到足以阻止延性裂 纹的扩展 　 为了保证实验室测得的 ＣＶＮ 和 ＤＷＴＴ 数据可靠 性 要求所用设备的最大能力应为所测数据的两倍 　

３　　可焊性要求

２

１１

１２

１３

　

可焊性主要取决于钢的化学成分 是获得可靠 焊接的重要保证 管材具有良好的可焊性是保证管 道焊接质量 管道使用寿命及可靠性的重要指标 管材的可焊性一般用两种判别指标 　 ３．１　　碳含量　 将影响可焊性的许多化学元素 要影响因素 折合成碳当量 Ceq 的优劣 　

Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + 　　　　　 6 5 15

其中以碳为主 来判断可焊性

　　　　 Ceq = C+

１ 　

一般认为碳含量

０．２５

而且 Ceq 在 ０．３５

４６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石　油　规　划　设　计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２００７ 年 ７ 月　

０．４２ 之间 管材具有较好的焊接性能 Ｘ６０ 以上的 管材也可用冷裂纹敏感系数 Pcm 来判断 输气 管道的 Pcm ０．２０ Pcm 的计算公式为 　 　　 Pcm = C+ Ni + Si + Mn + Cu + Cr + Mo + V + 5 B 　　 ２ 　

60 30 20 15 10

硫化氢溶液中产生氢原子 材里 材的延伸率 度的变化 断裂 的硬度 存在时 目前 　

１４ １６ ２０

当氢原子渗透到管 造成钢 引起脆性 随着应变速度和温

将使钢材晶粒间的原子结合力降低 断面收缩率降低 钢材强度也发生很大的变化 但这并不是绝对有效 　

３．２　　热影响区域的硬度　 热影响区域的硬度是衡量可焊性的另一个指 标 碳当量越高 冷却速度越快 则热影响区的硬 度越高 从 ８００ 到 ３００ 的冷却速度影响热影响区 的显微组织 冷却速度加快会使热影响区的硬度增 大 组织变脆 从 ３００ 到 １００ 冷却速度影响焊接 金属中氢的扩散 会降低热影响区的韧性和增大对 裂纹的敏感性 一般焊缝与热影响区金属的宏观硬 度不得超过 ＨＲＣ２２ 洛氏硬度 或者 ＨＶ２４８ 维氏硬 度 　

解决办法是控制管道钢板和焊接接头 特别是有焊接应力

４．４　　氢致开裂

氢致开裂是输气管道失效的主要模式之一 表面深入基体内部 分子

其

产生的原因是硫化氢溶液中产生的氢原子通过金属 氢原子在金属内部沿轧制方向 并结合成氢 显微缺陷处的氢压可以 在非金属夹杂物和晶体缺陷等处聚集 产生巨大的内压力 超过材料的断裂强度 形成 ＨＩＣ 素

４　　耐蚀性要求　

天然气输送管道的腐蚀主要包括输送介质的腐 蚀 冲刷腐蚀和外腐蚀 冲刷腐蚀一般通过控制流 速 采用环形流动设计 大圆周半径弯头和三通进 行控制 外腐蚀防护主要通过外防腐涂层和阴极保 护 因此 冲刷腐蚀和外腐蚀对材质的影响不大 材质的耐蚀性主要考虑输送介质的腐蚀 输送介质 的腐蚀破坏主要有 ４ 种 应力腐蚀破坏 ＳＣＣ 硫 化氢应力腐蚀破裂 ＳＳＣＣ 硫化氢脆 ＳＳＣ 氢致 １１ 开裂 ＨＩＣ 　 １４ １５ １６ ４．１　　应力腐蚀破坏 　 应力腐蚀破坏是除了硫化氢破坏以外的各种因 素引起的应力腐蚀破坏总称 其特征是腐蚀在酸性 中性 起作用 甚至碱性环境下都可能发生 所以缓蚀剂不 敏感 应力腐蚀破坏涉及 ３ 个方面的因素

即使不存在残余应力也可能

ＨＩＣ 的影响因素包括环境因素和材料因

环境因素主要包括 Ｈ ２ Ｓ 浓度 ｐＨ 值 ＣＯ２ 浓度 　 一是 在降低 采用精抖 高效铁水预处理及复合 钢水和连铸过程的电磁 多阶段控制轧 三是晶 限制带状组织等

温度等 材料因素主要有化学成分 非金属夹杂物 和显微组织 提高钢的纯度 炉外精炼 搅拌 提高管道钢抗 ＨＩＣ 能力的主要措施包括 二是提高成分和组织的均匀性

硫含量的同时进行钙处理 制及强制加速冷却工艺

连铸过程轻压下技术的采用

粒细化 主要通过微合金化和控压工艺使晶粒充分细 化 四是尽量降低碳含量 控制锰含量 添加铜 钼 　

　

材料 合金成分 微观组织 质成分 浓度 温度等

应力 敏感环境 介 防止这类 隔绝 　

随着人们对天然气需求的不断增加 建设也得以迅速发展 量而日益受到重视 设的成本和运行费用 应选用高钢级管道钢 其屈强比和韧性 时 建的大型输气管道特点 与选择 减少焊缝缺陷

输气管道

初步研究表明 溶解和渗

管材的选择直接影响工程质 采用高压输气可以降低管道建 因此 在输气管道建设中 应关注 同 特 针对今后拟 在选用高钢级钢时

氢是这类应力腐蚀裂纹扩展的主要原因 土壤对管体的腐蚀 降低焊管的残余应力

１７ １８ １９

应力腐蚀破坏的主要措施是提高外包装质量 ４．２　　硫化氢应力腐蚀破裂 　

以保证管道安全性

在 ＳＳＣＣ 过程中 一方面产生硫化物 另一方面 硫离子促使阴极反应析出的氢离子在钢表面富集并 进入钢组织 点的形成 引起氢脆 降低钢的塑性 并导致白 加速裂纹的萌发和发展 硫化氢应力腐

加大止裂研究的力度 根据输送气质的不同 以提高耐蚀性 　

对高钢级钢的焊接性能

材料及方法进行研究 需要对钢管的合金

别是输送高含硫天然气的钢管 成分设计进行针对性研究

　

蚀破裂主要受 ３ 个方面的影响 金属所处环境介质 金属材料本身的性质和状态 态 　

１４ 　

金属所承受的应力状

参　　考　　文　　献　 　１　 　２　 彭在美．　石油天然气输送用钢管的生产技术及发 展方向．　焊管 ２００４ ３３ ２ １ ２　 中国石油天然气股份有限公司编．　天然气工业管

４．３　　硫化氢脆

　　第 １８ 卷　　第 ４ 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘银春等 天然气输送管道选材分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　４７　

　３　 　４　

　５　 　６　 　７　 　８　 　９　 １０ １１ １２

理实用手册．　北京 石油工业出版社 ２００５　 楚彦方等．　高钢级管在输气管道中的应用．　石油 规划设计 ２００５ １６ ４ １３ １６　 王茂堂等．　西气东输管线用钢管技术条件编制中 的几个问题及回顾．　焊管 ２００３ ２６ ２ １ １０　 王茂堂．　大型输气管线选材中的几点看法．　焊管 ２０００ ２３ ３ ３２ ４２　 潘家华．　关于管材的包申格效应．　焊管 １９９７ ２０ １ １ ３　 尹国耀．　包申格效应对 Ｘ６５ 钢管强度的影响．　石 油规划设计 ２００２ １３ ５ ９ １０　 冯耀荣等．　有关天然气输送管道及钢管的几个问 题．　压力容器 ２００１ １８ ５３ ５９　 孙志宇等译．　国外输气管线止裂韧性预测研究进 展．　国外油田工程．　２００５ ２１ ８ ３０ ３２　 黄志潜．　西气东输管道延性断裂的止裂控制．　焊 管 ２００１ ２４ ２ １ ９　 彭在美．　论石油天然气输送用钢管的生产技术及 发展方向．　冶金丛刊 ２００５ ５ ４１ ４４　 刘枢楷等．　Ｌ３６０ 焊接钢管在天然气次高压管道的 ５４０ ５４２　 应用．　煤气与热力 ２００３ ２３ ９

１３ １４ １５

１６

１７ １８ １９ ２０ 　

李云涛等．　高强管线钢的焊接性及其焊接接头的 耐腐蚀性．　焊接技术 ２００４ ３３ ４ ２６ ２８　 王仪康．　高 压 输 送 天 然 气 管 线 用 钢 和 焊 接 钢 管．　 焊管 １９９８ ２１ ４ ２１ ２７　 刘　　杏等．　天然气长输管线应力腐蚀破裂的敏感 环境条件．　机械工程材料 ２００２ ２６ １ ５ １１　 李鹤林．　天然气输送钢管研究与应用中的几个热 点问题 Ｊ ．　中国机械工程 ２００１ １２ ３ ３４９ ３５１　 尹成先等．　高强度管线钢应力腐蚀试验研究．　焊 管 ２００３ ２６ ６ １４ １６　 张何林．　天然气输送过程中硫化物应力腐蚀．　河 南化工 ２００５ ２２ ７ １０ １１　 王　　勇等．　管道硫化氢应力腐蚀破裂的原因分析．　 油气储运 ２００４ ２３ １２ ４６ ４７　 陶 勇 寅 等．　管 线 钢 硫 化 氢 应 力 腐 蚀 的 影 响 因 素．　 天津大学学报 ２００４ ３７ ４ ３５９ ３６２　 收稿日期 ２００６－１０－２３　 编辑 郭洁敏　

上接第 １９ 页

　

如果为满足需求 将气田的产量定的过高 在很短 的开采时间内 井口压力下降就非常快 致使气井 生产的天然气无法进入集输系统 因而必须提前进 行增压生产 有些气田投产时间很短 就已出现上 述情况 面临着调整改造 有些气田负荷因子已达 ０．９５ 以上 超出了合理范围 降低了安全保证 　 要依靠技术进步 合理确定开发方案 要科学 确定气田的储采比 对天然气储量要有预留 正确 处理保障供气与气田稳产之间的关系 　 ５．３　　在老气田的调整改造中 应尽量选用国产设 备 以降低投资　 目前 在产能建设中 引进设备还占有一定比 例 引进设备普遍价格高 维护维修需要进口机件 且成本高 有的设备需整机送到国外维修 成本更 高 老气田已运行多年 稳产能力逐渐降低 稳产 年限也逐渐减短 因此老气田的调整改造的目的主 要是保证其能安全运行 在调整改造中应尽量选用 国产设备 以降低投资 　 ５．４　　改变传统的驻站式管理模式 确保生产安全　 川渝等气田的地面集输系统是经过几十年不断 建设 发展起来的 许多地处偏远老气田采用传统 的驻站式管理模式 使较多的非值班人员住房建于 场站工区范围内 在今后的老气田调整改造和新气　 田的建设中 应将生产区和生活区分开 　 　

５．５　　加强 ＨＡＺＯＰ 危险和可操作性分析 研究　 开发高压 高含硫天然气带来的安全问题 贯 穿气田开发工程的全过程 系统地分析研究气田建 设的安全风险和防止风险的发生是气田开发的基本 技术方针 　 在 ＨＡＺＯＰ 研究过程中 通过设计人员 第三方 专家和操作单位等的共同参与 可以系统地分析设 计中是否有风险 有什么风险 什么样的操作才能 避免和控制风险 从而将风险减少到最低程度 建 议在今后的气田建设和调整改造中逐步进行 ＨＡＺＯＰ 研究 将风险减少到最低程度 　 ５．６　　开展气田高效设备优化筛选工作　 定期搜集 评价国内外气田各系统成功使用过 的高效 节能设备 对经过实践检验性价比高的成 熟节能技术 进行大面积推广 做到技术信息共享 使先进技术尽快转变成生产力 　 　

收稿日期 ２００６－１１－０３　 编辑 马三佳　

４４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石　油　规　划　设　计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２００７ 年 ７ 月　

　

刘银春＊　　刘　　　　　王登海　　常志波　

西安长庆科技工程有限责任公司　

　

徐海翔　

四川天驰建设工程有限责任公司　

刘 银 春 等 ．　 天 然 气 输 送 管 道 选 材 分 析 ．　 石 油 规 划 设 计

　

２００７

１８

４

４４

４７　

摘要　　随着人们对天然气需求量的不断增加 天然气输送管道建设也迅速发展 并且需要高 压力 大流量的钢管 在天然气输送钢管选材中应考虑其强度 韧性 可焊性和耐蚀性 论述了 判断管材强度和韧性须考虑的技术指标以及判断管材可焊性的两个指标 阐述了输送介质的 ４ 种 腐蚀破坏形式及腐蚀机理 提出了在天然气输送管道选材中应注意的问题 　 关键词　　天然气　　输送　　管道　　强度　　韧性　　焊接　　腐蚀　　选材　　分析　 　 随着人们对天然气需求的不断增加 建设也得以迅速发展 济 安全 高效的输送方式而被广泛应用 输气管道 目前 管 可

１

节约大量钢材 济效益 因此

降低建设成本

目前

输气管道是 据计算

天然气管道输送作为一种经

通过采用大口径和高输气压力的技术措施来提高经 要求管材有较高的强度 一条输送压力为 ７．５ＭＰａ 道 可节省投资约 ３５ 管径 　 １２ＭＰａ 直径为 １４００ｍｍ 的输气管 直径为 １０００ｍｍ 的管 对同一 节省钢材约 １９ ６０

高压输送和严酷的环境对输送管道提出了严格的技 术性能要求 道服役条件 合评价 通过对天然气输送管的发展趋势 韧性 主要失效形式和失效原因等方面的综

道可代替 ３ 条压力为 ５．５ＭＰａ

对天然气输送用钢管材质强度

如果输气的工作压力从 ７．５ＭＰａ 提高到 １０ 输气能力将提高 ３３ 而且高等级

焊性和耐蚀性 ４ 个方面提出了具体的技术要求

１　　强度要求　

钢管强度主要指屈服强度和抗拉强度 度表示材料抵抗塑性变形的能力 服强度越高 材料强度越高 道的屈服强度一般为 ２４５ ５５５ＭＰａ 韧性则降低 屈服强 屈 输气管 一般情况下

钢可以降低钢管的壁厚 减少现场施工焊接的时间 从而降低钢材重量和建设成本 个钢级 可节约建设成本约 ７ １．２　　提高钢管强度的技术指标　 １．２．１　　屈强比　 屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值 表示材 料塑性变形的能力 屈强比与材料塑性变形能力和 加工硬化能力有关 从管道安全性考虑 高钢级钢 管的屈强比不应过大 因为屈强比越大 环向应变 允许值越小 试验和运行压力越接近钢管的抗拉强 大流量 长距离发 直径的 可以 度 母材和焊接接头对缺陷的容忍能力就越小 在 很多管道用钢管的技术规范中对材料的屈强比进 一般来说每提高一 　

计算时一般采 抗拉强度是指 输气管道的抗拉

用产品的公称最低屈服强度 ＳＭＹＳ 金属在拉断前所承受的最大应力 强度一般为 ４１５ ６２５ＭＰａ 　 １．１　　提高钢管强度的原因　 天然气输气管道向着高压 展的趋势越来越明显 明显增高

随着管道输送压力

提高钢管强度即采用高钢级钢管

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　＊　　刘银春 男 １９８１ 年生 助理工程师 ２００５ 年毕业于西南石油大学油气储运工程专业 现在西安长庆科技工程有限责任公司工作 通信地址 陕西 省西安市未央区长庆兴隆园小区长庆大厦 ９０８ 室 ７１００２１　

　　第 １８ 卷　　第 ４ 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘银春等 天然气输送管道选材分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　４５　

行了限制规定 许超过 ０．９０ ０．９２

一 般 在 ０．８５

０．９３ 范 围 内

ＩＳＯ３１８３－３ 规范中规定

低于 Ｘ５２ 钢管屈强比不允

超过 Ｘ５２ 钢管的屈强比不允许超过 为了保证高等级钢管道

但 ＡＰＩ　Ｓｐｅｃ　５Ｌ 仅对冷扩径钢管作做出了屈

强比不超过 ０．９３ 的规定 出规定

２ ３ ４ ５

的安全性 一般油气管道的技术条件都对屈强比做 １．２．２　　包申格效应 Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ 　 Ｅｆｆｅｅｔ 　 包申格效应是材料的塑性力学现象 包申格效应 的特点 一是只有多晶体材料才有包申格效应 单 晶体材料则没有 二是包申格效应的大小与材料 主 要指管材 的化学成分 晶粒度大小以及轧制工艺 有关 三是包申格效应的大小还与塑性变形量有关 系 塑性变形量在某一数值时包申格效应最高 塑 性变形量再大时 包申格效应减小 甚至消失 描 述包申格效应大小的称为包申格效应值 简称 ＶＢＥ 指同一管材制成管后 前后屈服值的差 ＶＢＥ 一般为 ４０ ５０ＭＰａ 个别的能达到 ７０ＭＰａ 因此 为 保证焊管成品的屈服强度达到技术标准的要求，钢 板的屈服强度应留有足够的余量 以弥补包申格效 应对钢管屈服强度的影响 一般规定 钢板应比钢 管高一个等级 或者在该级别钢的 ＳＭＹＳ 的基础上提 高 ４０ ５０ＭＰａ 　

２　　韧性要求　

韧性指金属材料在断裂前所吸收出的能量 亦 即外力所作的形变功和断裂功之和 它是材料抵抗 裂纹扩展能力的度量 天然气输送管道所规定管道 止裂韧性要求 是指材料止裂所需的韧性 既要最 大限度地容忍初始缺陷 又要在延性断裂裂纹一旦 萌生后止裂 将断裂长度控制在一定范围 同时又 能满足批量生产管材的经济性要求 一般管道工作 温度越低 钢管强度等级越高 管径和壁厚越大 ２ 　 对管材的韧性要求越高 ４ ８ ２．１　　提高钢管韧性的原因 　 钢管韧性是影响输气管道安全可靠的主要因素 之一 管道断裂分为脆性断裂和韧性断裂两种形式 脆性断裂是由低温 应力 裂纹缺陷 ３ 个条件共同 作用造成的 其裂纹常在远低于管材屈服强度条件 下突然发生 解决脆性断裂可以采用消除钢管裂纹 缺陷和提高管材的断裂韧性两种方法 前者属于制 管和施工注意的问题 后者通过提高本身性能指标 来防止钢管断裂 韧性断裂是指过大拉应力和裂纹 缺陷同时存在的条件下 由细小裂纹逐渐扩展而最 终造成的断裂 如果管材的韧性较低 其裂纹扩展 的速度相对较快 有可能大于天然气减压波速度

裂纹将长程扩展 造成严重后果 相反 如果韧性 较大 则有可能止裂 因此 对管材韧性技术要求 包括两个方面 一是确保不发生脆性断裂 二是断 裂后在一定管长内止裂 目前 随着冶金技术 输 气压力提高 脆性断裂事故基本得到控制 而经常 发生的是延性断裂事故 　 １ ４ ９ 　 ２．２　　延性断裂 延性断裂的止裂是输气管道的突出问题 国外 已进行了大量的研究 提出了输气管道选用钢管延 性断裂与 ＣＶＮ 夏比冲击值 的关系 近年来 针 对高压 大口径天然气输送管道的发展 已有的止 裂经验公式预测已经不能有效地保障管道安全 因 此 国外研究人员提出了新的解决方法 如 Ｌｅｉｓ 修正法 ＤＷＴＴ 落锤试验 法 ＨＬＰ 法和 ＣＴＯＡ Ｃ 法等 　 如果使管材在一定长度内能够止裂 要求管道 管具有足够高的夏比冲击韧性 夏比 Ｖ 型缺口冲击 试验 测取 ＣＶＮ 值 在最低操作温度下 ＣＶＮ 值在 ０．１２５ＭＹＳ Ｊ 以上 就可以控制延性断裂 对于焊 缝一般按不起裂计算韧性 　 １０ ２．３　　管材止裂应注意的问题 　 钢板订货时要求管材的最小韧性值大于其止裂 韧性的预测值 可使发生延性断裂时能够止裂 　 对同一直径和壁厚的螺旋埋弧焊管和直缝埋弧 焊管止裂韧性的要求相同 　 焊缝韧性不起止裂作用 其数值只要能防止延 性起裂即可 母材的韧性则应大到足以阻止延性裂 纹的扩展 　 为了保证实验室测得的 ＣＶＮ 和 ＤＷＴＴ 数据可靠 性 要求所用设备的最大能力应为所测数据的两倍 　

３　　可焊性要求

２

１１

１２

１３

　

可焊性主要取决于钢的化学成分 是获得可靠 焊接的重要保证 管材具有良好的可焊性是保证管 道焊接质量 管道使用寿命及可靠性的重要指标 管材的可焊性一般用两种判别指标 　 ３．１　　碳含量　 将影响可焊性的许多化学元素 要影响因素 折合成碳当量 Ceq 的优劣 　

Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + 　　　　　 6 5 15

其中以碳为主 来判断可焊性

　　　　 Ceq = C+

１ 　

一般认为碳含量

０．２５

而且 Ceq 在 ０．３５

４６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石　油　规　划　设　计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２００７ 年 ７ 月　

０．４２ 之间 管材具有较好的焊接性能 Ｘ６０ 以上的 管材也可用冷裂纹敏感系数 Pcm 来判断 输气 管道的 Pcm ０．２０ Pcm 的计算公式为 　 　　 Pcm = C+ Ni + Si + Mn + Cu + Cr + Mo + V + 5 B 　　 ２ 　

60 30 20 15 10

硫化氢溶液中产生氢原子 材里 材的延伸率 度的变化 断裂 的硬度 存在时 目前 　

１４ １６ ２０

当氢原子渗透到管 造成钢 引起脆性 随着应变速度和温

将使钢材晶粒间的原子结合力降低 断面收缩率降低 钢材强度也发生很大的变化 但这并不是绝对有效 　

３．２　　热影响区域的硬度　 热影响区域的硬度是衡量可焊性的另一个指 标 碳当量越高 冷却速度越快 则热影响区的硬 度越高 从 ８００ 到 ３００ 的冷却速度影响热影响区 的显微组织 冷却速度加快会使热影响区的硬度增 大 组织变脆 从 ３００ 到 １００ 冷却速度影响焊接 金属中氢的扩散 会降低热影响区的韧性和增大对 裂纹的敏感性 一般焊缝与热影响区金属的宏观硬 度不得超过 ＨＲＣ２２ 洛氏硬度 或者 ＨＶ２４８ 维氏硬 度 　

解决办法是控制管道钢板和焊接接头 特别是有焊接应力

４．４　　氢致开裂

氢致开裂是输气管道失效的主要模式之一 表面深入基体内部 分子

其

产生的原因是硫化氢溶液中产生的氢原子通过金属 氢原子在金属内部沿轧制方向 并结合成氢 显微缺陷处的氢压可以 在非金属夹杂物和晶体缺陷等处聚集 产生巨大的内压力 超过材料的断裂强度 形成 ＨＩＣ 素

４　　耐蚀性要求　

天然气输送管道的腐蚀主要包括输送介质的腐 蚀 冲刷腐蚀和外腐蚀 冲刷腐蚀一般通过控制流 速 采用环形流动设计 大圆周半径弯头和三通进 行控制 外腐蚀防护主要通过外防腐涂层和阴极保 护 因此 冲刷腐蚀和外腐蚀对材质的影响不大 材质的耐蚀性主要考虑输送介质的腐蚀 输送介质 的腐蚀破坏主要有 ４ 种 应力腐蚀破坏 ＳＣＣ 硫 化氢应力腐蚀破裂 ＳＳＣＣ 硫化氢脆 ＳＳＣ 氢致 １１ 开裂 ＨＩＣ 　 １４ １５ １６ ４．１　　应力腐蚀破坏 　 应力腐蚀破坏是除了硫化氢破坏以外的各种因 素引起的应力腐蚀破坏总称 其特征是腐蚀在酸性 中性 起作用 甚至碱性环境下都可能发生 所以缓蚀剂不 敏感 应力腐蚀破坏涉及 ３ 个方面的因素

即使不存在残余应力也可能

ＨＩＣ 的影响因素包括环境因素和材料因

环境因素主要包括 Ｈ ２ Ｓ 浓度 ｐＨ 值 ＣＯ２ 浓度 　 一是 在降低 采用精抖 高效铁水预处理及复合 钢水和连铸过程的电磁 多阶段控制轧 三是晶 限制带状组织等

温度等 材料因素主要有化学成分 非金属夹杂物 和显微组织 提高钢的纯度 炉外精炼 搅拌 提高管道钢抗 ＨＩＣ 能力的主要措施包括 二是提高成分和组织的均匀性

硫含量的同时进行钙处理 制及强制加速冷却工艺

连铸过程轻压下技术的采用

粒细化 主要通过微合金化和控压工艺使晶粒充分细 化 四是尽量降低碳含量 控制锰含量 添加铜 钼 　

　

材料 合金成分 微观组织 质成分 浓度 温度等

应力 敏感环境 介 防止这类 隔绝 　

随着人们对天然气需求的不断增加 建设也得以迅速发展 量而日益受到重视 设的成本和运行费用 应选用高钢级管道钢 其屈强比和韧性 时 建的大型输气管道特点 与选择 减少焊缝缺陷

输气管道

初步研究表明 溶解和渗

管材的选择直接影响工程质 采用高压输气可以降低管道建 因此 在输气管道建设中 应关注 同 特 针对今后拟 在选用高钢级钢时

氢是这类应力腐蚀裂纹扩展的主要原因 土壤对管体的腐蚀 降低焊管的残余应力

１７ １８ １９

应力腐蚀破坏的主要措施是提高外包装质量 ４．２　　硫化氢应力腐蚀破裂 　

以保证管道安全性

在 ＳＳＣＣ 过程中 一方面产生硫化物 另一方面 硫离子促使阴极反应析出的氢离子在钢表面富集并 进入钢组织 点的形成 引起氢脆 降低钢的塑性 并导致白 加速裂纹的萌发和发展 硫化氢应力腐

加大止裂研究的力度 根据输送气质的不同 以提高耐蚀性 　

对高钢级钢的焊接性能

材料及方法进行研究 需要对钢管的合金

别是输送高含硫天然气的钢管 成分设计进行针对性研究

　

蚀破裂主要受 ３ 个方面的影响 金属所处环境介质 金属材料本身的性质和状态 态 　

１４ 　

金属所承受的应力状

参　　考　　文　　献　 　１　 　２　 彭在美．　石油天然气输送用钢管的生产技术及发 展方向．　焊管 ２００４ ３３ ２ １ ２　 中国石油天然气股份有限公司编．　天然气工业管

４．３　　硫化氢脆

　　第 １８ 卷　　第 ４ 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘银春等 天然气输送管道选材分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　４７　

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理实用手册．　北京 石油工业出版社 ２００５　 楚彦方等．　高钢级管在输气管道中的应用．　石油 规划设计 ２００５ １６ ４ １３ １６　 王茂堂等．　西气东输管线用钢管技术条件编制中 的几个问题及回顾．　焊管 ２００３ ２６ ２ １ １０　 王茂堂．　大型输气管线选材中的几点看法．　焊管 ２０００ ２３ ３ ３２ ４２　 潘家华．　关于管材的包申格效应．　焊管 １９９７ ２０ １ １ ３　 尹国耀．　包申格效应对 Ｘ６５ 钢管强度的影响．　石 油规划设计 ２００２ １３ ５ ９ １０　 冯耀荣等．　有关天然气输送管道及钢管的几个问 题．　压力容器 ２００１ １８ ５３ ５９　 孙志宇等译．　国外输气管线止裂韧性预测研究进 展．　国外油田工程．　２００５ ２１ ８ ３０ ３２　 黄志潜．　西气东输管道延性断裂的止裂控制．　焊 管 ２００１ ２４ ２ １ ９　 彭在美．　论石油天然气输送用钢管的生产技术及 发展方向．　冶金丛刊 ２００５ ５ ４１ ４４　 刘枢楷等．　Ｌ３６０ 焊接钢管在天然气次高压管道的 ５４０ ５４２　 应用．　煤气与热力 ２００３ ２３ ９

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如果为满足需求 将气田的产量定的过高 在很短 的开采时间内 井口压力下降就非常快 致使气井 生产的天然气无法进入集输系统 因而必须提前进 行增压生产 有些气田投产时间很短 就已出现上 述情况 面临着调整改造 有些气田负荷因子已达 ０．９５ 以上 超出了合理范围 降低了安全保证 　 要依靠技术进步 合理确定开发方案 要科学 确定气田的储采比 对天然气储量要有预留 正确 处理保障供气与气田稳产之间的关系 　 ５．３　　在老气田的调整改造中 应尽量选用国产设 备 以降低投资　 目前 在产能建设中 引进设备还占有一定比 例 引进设备普遍价格高 维护维修需要进口机件 且成本高 有的设备需整机送到国外维修 成本更 高 老气田已运行多年 稳产能力逐渐降低 稳产 年限也逐渐减短 因此老气田的调整改造的目的主 要是保证其能安全运行 在调整改造中应尽量选用 国产设备 以降低投资 　 ５．４　　改变传统的驻站式管理模式 确保生产安全　 川渝等气田的地面集输系统是经过几十年不断 建设 发展起来的 许多地处偏远老气田采用传统 的驻站式管理模式 使较多的非值班人员住房建于 场站工区范围内 在今后的老气田调整改造和新气　 田的建设中 应将生产区和生活区分开 　 　

５．５　　加强 ＨＡＺＯＰ 危险和可操作性分析 研究　 开发高压 高含硫天然气带来的安全问题 贯 穿气田开发工程的全过程 系统地分析研究气田建 设的安全风险和防止风险的发生是气田开发的基本 技术方针 　 在 ＨＡＺＯＰ 研究过程中 通过设计人员 第三方 专家和操作单位等的共同参与 可以系统地分析设 计中是否有风险 有什么风险 什么样的操作才能 避免和控制风险 从而将风险减少到最低程度 建 议在今后的气田建设和调整改造中逐步进行 ＨＡＺＯＰ 研究 将风险减少到最低程度 　 ５．６　　开展气田高效设备优化筛选工作　 定期搜集 评价国内外气田各系统成功使用过 的高效 节能设备 对经过实践检验性价比高的成 熟节能技术 进行大面积推广 做到技术信息共享 使先进技术尽快转变成生产力 　 　

收稿日期 ２００６－１１－０３　 编辑 马三佳