輸油氣管道管材等級選擇摘 要 在長距離輸送油氣管道工程中，鋼管費用占工程設備材料的50以上，因此合理地選用鋼管的材質等級十分重要。分析設計輸送壓力、韌性要求、剛度和穩定性、腐蝕及經濟性等因素對選用鋼管材質等級的影響，擬建了管材等級選擇模式，給出了不同輸送壓力下的管材等級選用表，舉例分析了滿足設計強度要求的壁厚選擇，簡要介紹了國內外的管型應用情況。主題詞 管道 管類 選擇 輸送壓力在80年代初期以前，我國長距離輸送管道大多數使用非管道鋼的鋼管材料（簡稱管材），如Q225（原A3）、16Mn及20號鋼等。隨著我國輸油管道技術水平的提高，大部分管道使用了符合美國API標準或ISO標準材質要求的鋼管，這些鋼管既有國外引進的，也有國產的，但使用等級均在65以下。而國外輸送管道工程則由80年代前使用70級鋼管發展到90年代使用80 級鋼管，并有向使用更高級管材（如100）方展的趨勢。一、 選用管材等級的影響因素1、 設計輸送壓力埋地鋼管在服役時由于受設計輸送壓力（內力）P的作用，在管壁上產生環向應力（h）及軸向應力（a），一般要求這些應力小于或等于管材允許使用應力。允許使用應力是依據管材等級，即鋼管屈服極限（s）來乘以設計系數（F）、焊縫系數（）、溫度系數（t）而定。管道壁厚是依據強度要求而確定的 PD/2Fst或PD/2Fs （1）式中 P設計輸送壓力；鋼管選用壁厚； D鋼管外徑；焊縫系數，選用目前國家標準石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件（GB/T 9711.1 9711.3）的鋼管，取1.0； F設計技術，依GB 50251-94輸氣管道工程設計規范及GB 50253-94輸油管道工程設計規范 的規定選取； t溫度系數，當輸送溫度小于120時，取1.0。由于（1）可以看出，在同一壓力與直徑下選用管材等級（用鋼管屈服強度表示s）越高，管子壁厚越小，管道工程總的管材用量將減少。2、 韌性要求隨著輸送應力的提高及環境因素的影響，國內外多次發生管道斷裂事故，因而從60年代以來對管材的韌性要求越來越高。根據文獻【1】提出的要求，特別是對輸送油氣的管道，不允許有脆性斷裂。按照文獻【2】總結的國外對管材塑性斷裂止裂的要求，沖擊功CVN值是隨著應力h增加而增加，也隨管徑D增大而增大。而CVN值同管材的化學組分、軋制方法與過程、微晶結構與細度等因素有關，過去提高管材強度是靠提高碳（C）的含量實現的，這反而降低了CVN值，現在的微合金鋼將碳（C）級硫（S）降到很低含量，而增加錳（Mn）含量，如API標準中80級管材允許碳（C）最大含量為0.18，而錳（Mn）的最大含量增至1.8。因此，現在的高強度等級管材也可以滿足高韌性要求，如加拿大要求80級管材在-5時，母材CVN值為180J、焊縫的CVN值為36J，這有利于發展高壓、大管徑輸送油氣的需要。同等級管材應適當增加選用壁厚，降低h值，則CVN值也可以適當降低。3、 剛度與穩定的要求鋼管在運輸、儲藏、服役過程中，應有一定的剛度及變形穩定性的要求，這在GB 50251與GB 50253中均反映管材壁厚要求。雖然在一定的壓力P與管徑D條件下，選用高強度等級管材可以減薄壁厚，減少管材總用量，但太薄的壁厚有可能滿足不了此要求。在GB 50253-94第5.6.1條中要求D140，在 GB 50251-94第5.1.3條中，依照D的大小要求60D140。兩標準均規定管子在無內壓狀態時受外力作用管子水平徑向變形量不得大于3D。在建立管材等級選用模式時，取式（2）可滿足兩個國家標準要求：60D140 （2）4、 腐蝕埋地鋼管在周圍土壤環境和輸送介質作用下，惠產生電化學腐蝕或H2S腐蝕，因此對材質選用有要求。但是這種要求與材質等級關系不大，只與材質成分、防腐措施有關，文獻【3】已有論述。需要指出的是，管壁厚度對SCC是有影響的，低h厚壁有利抗SCC（應力腐蝕裂紋）。5、 施工組焊管道工程施工組焊要求管材有良好的可焊性與較小的冷裂紋敏感系數，可焊性與材質碳當量有關，由于冶煉技術的提高，現在無論是低碳鋼還是高強度微合金鋼，均能控制碳當量（Ceq），達到良好的可焊性要求。目前高強度等級鋼管相對于低強度等級鋼管需要增加施工措施，管材等級高于60級時，低溫地區組焊均要求預熱和保溫，防止冷裂紋。總的來說，施工組焊對管材等級選用影響不大。6、 經濟影響因素管材選用的就經濟性E，涉及管道長度L、管徑D、管材等級s、鋼管壁厚、鋼管型式M及施工組焊費用Cw，可用式（3）表達：Ef（L，D，s，M，Cw） （3）式（3）中除了L、D相對于某條管道是固定值外，M與Cw是可變因素，但不是決定因素，而決定因素是互為相關的壁厚與鋼管允許屈服強度s。鋼管允許屈服強度高，壁厚小，其經濟性好，但要受其它影響因素控制，不能無限提高s。二、 建立管材等級選擇模式從上述6種影響因素分析看，選用管材等級決定性的因素是設計輸送壓力和剛度及穩定性要求，為此將式（1）代入式（2）中，可得到式（4）：s（3070）PF （4）式（4）為選用管材等級建立了合理的模式，管材等級s的選用決定與輸送壓力P。如果輸送壓力低，選用了高強度等級管材，又要滿足剛度及穩定要求，勢必增加壁厚，造成不經濟的效果。根據兩個國家標準對輸送油氣管道規定的設計系數F，在依據不同的輸送壓力計算出管材等級選用表（見表1）。需要指出的是，式（4）是按最小壁厚要求建立的模式。當設計系數F值偏小時，如三、四類地區的輸氣管道，輸送壓力超過6MPa以上的大管徑管材，要求鋼管大等級s將很高，甚至目前還無此高強度管材。因此，在實際設計中，選用壁厚較厚，D一般是6090，故s（30-45）PF必要時甚至更厚，以滿足要求。從表1可以看出，如果按滿足剛度及穩定性要求選用最小壁厚的管材，在設計系數較低時，徑厚比較小，則幾乎無此等級管材用于高壓大口徑管道。因此在設計時只能適當增加管子壁厚，以降低使用應力h，便于選擇合適的管材。現舉例說明。一條管道外徑D為711mm，設計壓力P為6.3MPa，位于四類地區，設計系數F為0.4，如何選用管材等級？根據國家標準GB 50251-94第5.1.3條選用最小壁厚6.5mm，徑厚比D為109，則環向應力h為：h361MPa如選用國內生產的X70級管材，則其許用應力為：Fst1.00.44821.0193MPa顯然h,不滿足強度要求，要滿足h的要求，則s902.5MPa，目前無此等級管材。如若用式（1）計算壁厚選用，則X70級管材仍可用，選用壁厚為11.6mm取標準壁厚11.9mm，其徑厚比不大于60，h滿足強度要求。表1 管材等級選用情況 鋼管屈服強度極限s（MPa）輸送壓力 設計系數FP（MPa） 0.4 0.5 0.6 0.72 5.0 375875 300700 250583 208486 6.3 4731 102.5 378882 315735 263612 9.0 6751 575 5401 260 4501 050 375875 12.0 9002 100 7201 680 6001 400 5001 167輸送壓力 對應GB9711所列管材等級P（MPa） 設計系數F 0.4 0.5 0.6 0.725.0 L390無 L320無 L290無 L210L485 6.3 L485無 L390無 L320無 L290無9.0 無 L555無 L450無 L390無12.0 無 無 無 L555無輸送壓力 對應APISepSL所列管材等級P（MPa） 設計系數F 0.4 0.5 0.6 0.725.0 X56無 X46無 X42X100 BX70 6.3 X70無 X65無 X46無 X42無9.0 X100無 X80無 X65無 X56無 X100無 X80無三、 結束語（1）輸送油氣用鋼管的等級按設計輸送壓力的高低選用，不宜低壓輸送采用高強度等級管材，不宜高壓輸送采用低強度等級管材，由于受剛度與穩定性要求的影響，鋼管壁厚受控，造成不經濟。（2）如條件允許，提高輸送壓力，采用高強度等級鋼管，選用合適的壁厚，這種設計可以增大輸量，節省管材，經濟合理。（3）選用的管型對管道工程造價是有一定影響的，特別是我國目前尚無生產UOE直縫埋弧焊管的條件，依靠進口將更不經濟。加拿大和德國對螺旋縫焊管（SSAW）的看法，在質量上與直縫埋弧焊管是等同的，而加拿大的油氣管道70采用了螺旋縫焊管，管徑大于914mm的鋼管幾乎全用螺旋縫焊管。但是加拿大的螺旋縫焊管在管材成型與焊縫殘余