天然气输送管道选材分析_刘银春
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,输气管道建设也得以迅速发展。天然气管道输送作为一种经济、安全、高效的输送方式而被广泛应用。目前,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。通过对天然气输送管的发展趋势、管道服役条件、主要失效形式和失效原因等方面的综合评价,对天然气输送用钢管材质强度、韧性、可
[1]
焊性和耐蚀性4个方面提出了具体的技术要求。
节约大量钢材,降低建设成本。目前,输气管道是通过采用大口径和高输气压力的技术措施来提高经济效益,因此,要求管材有较高的强度。据计算,一条输送压力为7.5MPa,直径为1400mm 的输气管道可代替3条压力为5.5MPa,直径为1000mm 的管道,可节省投资约35%,节省钢材约19%。对同一管径,如果输气的工作压力从7.5MPa 提高到10~12MPa,输气能力将提高33%~60%,而且高等级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。一般来说每提高一个钢级,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行了限制规定,一般在0.85~0.93范围内。
1 强度要求
钢管强度主要指屈服强度和抗拉强度。屈服强度表示材料抵抗塑性变形的能力,一般情况下,屈服强度越高,材料强度越高,韧性则降低。输气管道的屈服强度一般为245~555MPa,计算时一般采用产品的公称最低屈服强度(SMYS)。抗拉强度是指金属在拉断前所承受的最大应力,输气管道的抗拉强度一般为415~625MPa。
1.1 提高钢管强度的原因
天然气输气管道向着高压、大流量、长距离发展的趋势越来越明显。随着管道输送压力、直径的明显增高,提高钢管强度即采用高钢级钢管,可以
* 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
ISO3183-3规范中规定,低于X52钢管屈强比不允许超过0.90,超过X52钢管的屈强比不允许超过0.92,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。为了保证高等级钢管道的安全性,一般油气管道的技术条件都对屈强比做出
[2][3][4][5]
。 规定
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。
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。 2.3 管材止裂应注意的问题
[10]
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
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,其中以碳为主要影响因素,折合成碳当量(Ceq )来判断可焊性的优劣。 Ceq =C +
Mn Cr +Mo +V Ni +Cu
+ (1) +6515
一般认为碳含量≤0.25%,而且Ceq 在0.35~
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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 +5B (2)
60
30
20
15
10
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)。
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
[11]
致开裂(HIC)。 4.1 应力腐蚀破坏
[14][15][16]
4.3 硫化氢脆
硫化氢溶液中产生氢原子,当氢原子渗透到管材里,将使钢材晶粒间的原子结合力降低,造成钢材的延伸率、断面收缩率降低,随着应变速度和温度的变化,钢材强度也发生很大的变化,引起脆性断裂。目前,解决办法是控制管道钢板和焊接接头的硬度。但这并不是绝对有效,特别是有焊接应力存在时。
[14][16][20]
4.4 氢致开裂
氢致开裂是输气管道失效的主要模式之一,其产生的原因是硫化氢溶液中产生的氢原子通过金属表面深入基体内部;氢原子在金属内部沿轧制方向在非金属夹杂物和晶体缺陷等处聚集,并结合成氢分子,产生巨大的内压力。显微缺陷处的氢压可以超过材料的断裂强度,即使不存在残余应力也可能形成HIC。HIC的影响因素包括环境因素和材料因素。环境因素主要包括H 2S 浓度、pH 值、CO 2浓度、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。
提高管道钢抗HIC 能力的主要措施包括:一是提高钢的纯度。采用精抖、高效铁水预处理及复合炉外精炼;二是提高成分和组织的均匀性。在降低硫含量的同时进行钙处理,钢水和连铸过程的电磁搅拌,连铸过程轻压下技术的采用,多阶段控制轧制及强制加速冷却工艺,限制带状组织等;三是晶粒细化。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。
[14]
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,甚至碱性环境下都可能发生,所以缓蚀剂不起作用。应力腐蚀破坏涉及3个方面的因素:敏感材料(合金成分、微观组织);应力;敏感环境(介质成分、浓度、温度等)。初步研究表明,溶解和渗氢是这类应力腐蚀裂纹扩展的主要原因。防止这类应力腐蚀破坏的主要措施是提高外包装质量,隔绝土壤对管体的腐蚀,降低焊管的残余应力。
[17][18][19]
4.2 硫化氢应力腐蚀破裂
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,引起氢脆,降低钢的塑性,并导致白点的形成,加速裂纹的萌发和发展。硫化氢应力腐蚀破裂主要受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;金属所承受的应力状态。
随着人们对天然气需求的不断增加,输气管道建设也得以迅速发展,管材的选择直接影响工程质量而日益受到重视。采用高压输气可以降低管道建设的成本和运行费用,因此,在输气管道建设中,应选用高钢级管道钢。在选用高钢级钢时,应关注其屈强比和韧性,以保证管道安全性。针对今后拟建的大型输气管道特点,加大止裂研究的力度。同时,对高钢级钢的焊接性能、材料及方法进行研究与选择,减少焊缝缺陷。根据输送气质的不同,特别是输送高含硫天然气的钢管,需要对钢管的合金成分设计进行针对性研究,以提高耐蚀性。
参 考 文 献
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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
48 Vol.18 No.4 Petroleum Planning & Engineering July. 2007
ABSTRACTS
OF ARTICLES
Developing the Clean Development Mechanism in the Upstream Business of CNPC
Ma Jianguo,et al.
Under the vigorous impetus of 《Kyoto Protocol》,the Clean Development Mechanism (CDM )gets a close relationship with the sustainable development and the resources conservation,which has the important effect on the production field of the main energy consumption enterprises. The development principle for rapid growth of CDM was introduced. The importance of CDM to China's energy conservation ,the reduction of energy consumption,the resources utilization and the development of national economy were discussed. By promoting the advancement of CDM,the upstream business of the China National Petroleum Corporation will obtain the additional finance and the support of the environmental friendly technology so as to promote the enhancement of energy utilization efficiency.
Considerations about Peak Shaving Methods of Natural Gas in China
Yu Yang
Natural gas is one of the cleanest and most efficient energy sources. The domestic demand for natural gas has increased rapidly in recent years,which results in gas peak modulation problems in varying degrees. The various methods of gas peak shaving in the world were analyzed. The construction status of gas peak shaving facilities in China was described. According to the actual domestic demand ,the proper methods for gas peak shaving were put forward.
Study on Updating Technology of Surface Production System in Mature Gas Field
Ba Xili,et al.
The current state,adaptability and existing problems in the surface system of mature gas fields were analyzed. In order to update the surface production system of mature gas fields,according to the change of development data obtained from gas fields,it is necessary to simplify the process,to optimize the general layout rationally and make adequate use of the capacity of existing facilities,and suit measures in line with the conditions of the gas fields. The technical measures and future key problems were put forward. Some suggestions for updating the mature gas fields were presented.
Improvement of Management Level of Refining and Marketing Enterprises by Means of ERP Information System
Yuan Weining,et al.
The requirement and the construction layout of the information system for the refining and marketing enterprises were analyzed. The study shows that the refining and marketing enterprises should speed up the construction steps of the information system,representatively the construction of ERP system. The management level and economic benefits of the refining and marketing enterprises can be upgraded by the comprehensive information system. The main contents and functions of the information construction were described. In addition,some problems that the enterprises should pay attention to during implement of ERP system were discussed.
Investigation of CO2 Sequestration for Enhancing Oil
Recovery by CO2 Flooding
Zhang Ruicheng
It is posing an important problem of reducing CO2 emission for
the requirement of environmental protection faced by petroleum companies in the world. CO2 flooding technology can evidently
and enhance oil recovery and reduce CO2 emission to the atmosphere,
also decrease more than 90% of injected natural gas into oilfields. It is technically practical to collect CO2 from the flue gas of coal-burned power plants. In the petroleum industry,CO 2 emission can also be avoided by precipitation with high salt-content produced water to form polymers.
Design of Flow Network and Calculation of Split Ratio of Multi-stage Deoiling Hydrocyclone
Wang Junping
In the traditional design of multi-stage flow network, several hydrocyclones were simply set in series,and the split ratios were adjusted by controlling the oil concentration at the inlet of single hydrocyclone. The separation of oily sewage excessively depended on the individual separation ability of hydrocyclone and ignored the role of the whole set. A new flow network of the multi-stage deoiling hydrocyclone was designed according to the systematic theory. On the basis of the mass balance principle,the split ratio of hydrocyclone in every stage can be calculated and distributed by using this flow network ,and the rational distribution of the split ratio is achieved. The oily sewage disposed by the separation system with flow network can meet the requirement of production. Technical Reformation of Power Distribution Network in Henan Oil Field
Li Hongtao,et al.
The small-current single-phase grounding(including arc grounding and stabilized grounding)and its induced overvoltage hazard and TV resonance hazard are the common troubles in the medium voltage electric distribution network. The essentialities of arc suppression ,ferromagnetic resonance elimination and grounding route detection techniques applied in the medium voltage distribution network were briefly introduced. The characteristics of these techniques ,their merits and demerits as well as their application conditions and effectiveness were analyzed. The responding measures to the application of these three techniques in Henan Oilfield were put forward. Programing of Communication System in Jiyuan Oilfield
Kang Haifan,et al.
According to the actual production conditions of Jiyuan oil field ,the wireless wide band wiring technique was principally adopted in the design of the communication system. The specific program was to construct 2.4G wireless wide band wiring network. The characteristics and application of the design program and its operation in practice were introduced. The technical and economic rationality,and the applicability of the design program were discussed. At the same time,three communication techniques applied in the design decision were described in detail. Study on Material Selection of Natural Gas Pipeline
Liu Yinchun,et al.
Along with the increasing demand of natural gas in China,the construction of gas pipeline is greatly developing. The high-pressure and large-diameter steel pipes are needed more and more. It is important to select material of steel pipes with higher safety and less investment. There are four factors including strength,toughness ,weldability of joints and anticorrosion should be considered while selecting the pipe material. The technical indexes for determining strength and toughness of pipes and two indexes for detecting weldability of joints were presented. Four corrosion types and their corrosion mechanisms of the transporting medium were discussed,some suggestions for selecting the material of gas pipeline were proposed.