輸氣管道線路管材選擇研究

【摘要】本文以天然氣長輸管道為例，概述了長距離輸氣管道的幾大主要特點，并針對相應(yīng)的特點，從大管徑輸氣管道、高壓輸氣管道、環(huán)境對輸氣管道內(nèi)外壁的腐蝕情況、防止裂輸氣管道以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)因素等幾方面提出對現(xiàn)代化管材選擇的建議。

【關(guān)鍵詞】輸氣管道 高壓 輸氣管材 管徑防腐

1 輸氣管道現(xiàn)狀及其特點

國外長距離輸氣管道發(fā)展較早，前蘇聯(lián)早在20世紀(jì)50年代就開始了長距離輸氣管道的建設(shè)。到了80年代已建成6條超大型輸氣管道系統(tǒng)，全長近20000公里，管道直徑1220毫米～1420毫米，在當(dāng)時已是世界上最宏大的管道工程。今日，隨著經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，長輸氣管道技術(shù)更加成熟，我國的西氣東輸一二線均已貫通，西三線也將于2014全線貫穿通氣。天然氣輸氣管道發(fā)展到今天，共有以下幾大特點：

1.1 大管徑

國外主要干線天然氣輸氣管道直徑一般都在1000mm以上，并且這些大口徑管道的施工技術(shù)都已經(jīng)非常成熟。

1.2 高壓輸送

高壓輸送一方面降低了輸送能耗和鋼材的消耗，另一方面同時也降低了壓縮天然氣的能耗。目前，北美和歐洲地區(qū)的天然氣管道壓力普遍都在10Mpa以上，例如：北美聯(lián)盟管道最大運行壓力為12Mpa，挪威Statepipe管線輸氣壓力為13.5Mpa，阿意輸氣管道最高出站穿越點壓力高達(dá)21 Mpa。

1.3 內(nèi)涂層減阻技術(shù)

目前，國外較成熟的輸氣管道均采用內(nèi)涂層技術(shù)。輸氣管道經(jīng)過內(nèi)涂層后，一般可提高輸氣量5%～12%，同時有效降低設(shè)備磨損和清管次數(shù)，延長管道使用壽命。

1.4 外涂防腐技術(shù)

無論是埋地管道還是架空管道，均會受到不同程度的腐蝕，目前較為成熟的技術(shù)為通過對管道外壁涂覆防腐涂層，來增強(qiáng)管道的耐腐蝕性能。

1.5 高韌性管材

目前發(fā)達(dá)國家的輸氣管道普遍采用 X70級管材，最近幾年 X80級管材也開始用于管道建設(shè)。據(jù)相關(guān)資料介紹，X80級管材可比X 70級管材節(jié)省建設(shè)費用7%左右。目前，美國、加拿大、法國等國家的輸氣管道已采用X80級管材。歐洲和日本的一些鋼管制造商已經(jīng)開始研制 X100級管材。

1.6 完善的調(diào)峰技術(shù)

為了保證安全可靠、高效連續(xù)的向用戶供氣，發(fā)達(dá)的歐美國家均已采用儲氣罐和地下儲氣庫進(jìn)行調(diào)峰供氣。這些國家針對季節(jié)性調(diào)峰主要采用的有鹽穴型和孔隙型兩類地下儲氣庫。對于較短期的日調(diào)峰和周調(diào)峰，則靠管道末端儲氣及地下管束儲氣來實現(xiàn)。儲氣罐以高壓球罐為主，目前國外球罐最大幾何容積已經(jīng)達(dá)到5.55萬立方米。

1.7 較高的壓縮機(jī)組功率

目前國際上通過提高壓縮機(jī)組的功率，普遍使用回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，并靠其提供動力或發(fā)電。國外干線輸氣管道壓縮機(jī)組均采用大功率機(jī)組。例如歐美國家的壓縮機(jī)站單套壓縮機(jī)平均功率都在10千瓦以上，俄羅斯的天然氣公司也是如此。同時，國外還大量采用壓縮機(jī)磁性軸承、機(jī)械干密封和故障診斷等新技術(shù)，既延長了軸承的使用壽命，取消潤滑油系統(tǒng)，減少了壓縮機(jī)的運行成本，又從根本上提高了壓縮機(jī)組運行的可靠性和完整性。

2 現(xiàn)代輸氣管道管材選擇

（1）目前西方絕大部分國家所建設(shè)的天然氣管道管徑為1220mm，針對這類管徑的鋼管，應(yīng)盡量使用較長的鋼管，以減少管道在現(xiàn)場的焊接和檢驗工作量，提高工作效率，另外在高壓輸氣的工藝下，1220mm以下管徑在一般情況下已經(jīng)可以滿足天然氣輸量的要求，同時也更加節(jié)省鋼材的消耗。

（2）天然氣高壓輸送是當(dāng)前國際管道輸送技術(shù)的發(fā)展趨勢，目前天然氣高壓輸送的壓力已達(dá)10～20MPa。其優(yōu)勢顯著：通過高壓輸送可以使天然氣的密度增加，流速下降，同時降低了管道內(nèi)壁沿程的摩擦損失，進(jìn)而提高了輸送效率；天然氣密度增加將有效提高其可壓縮性能，減少壓縮能耗，提高壓縮效率；管道能耗下降，有效降低了壓縮站裝機(jī)功率，加大站與站間距，降低成本；高鋼級減少了鋼材消耗，降低材料費用。但高壓輸送對鋼材的要求也更高：要求使用強(qiáng)度更高、韌性更好管線鋼。

（3）根據(jù)美國工業(yè)統(tǒng)計資料，1990年由于腐蝕造成的直接損失將近10億美元。據(jù)此看出，管道防腐是管道工程的重中之重。腐蝕是指金屬由于受到周圍介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用下而產(chǎn)生的一種破壞現(xiàn)象。通常根據(jù)管道被腐蝕部位分為內(nèi)壁腐蝕和外壁腐蝕；根據(jù)腐蝕形態(tài)分為全面和局部腐蝕；根據(jù)腐蝕機(jī)理分為化學(xué)和電化學(xué)腐蝕等。

內(nèi)壁腐蝕指因輸送介質(zhì)的作用而對金屬管道產(chǎn)生的腐蝕。主要有水腐蝕和介質(zhì)腐蝕。水腐蝕顧名思義，指輸送介質(zhì)中的游離水在管壁上生成親水膜，形成原電池而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。介質(zhì)腐蝕指除水以外的其他有害雜質(zhì)（如硫化氫、二氧化碳等）直接與管道金屬作用而產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕。一般情況下，長距離輸氣管道的內(nèi)壁同時存在這兩種腐蝕，特別是在管道彎頭、低洼積水處和氣液交界面等地方。因為這些地方電化學(xué)腐蝕異常強(qiáng)烈，致使管壁或是大面積變薄或是形成腐蝕深坑。輸氣管道的內(nèi)腐蝕穿孔多數(shù)是由這些深坑造成的。

外壁腐蝕主要由管道所處的外部環(huán)境決定。架空管道主要受大氣腐蝕；水環(huán)境或土壤中的管道，則容易受到細(xì)菌腐蝕、土壤腐蝕和雜散電流腐蝕等。

針對環(huán)境對金屬的腐蝕強(qiáng)度以及特殊機(jī)理，對輸氣管道線路管材提出了更高的耐腐蝕性能。同時配合內(nèi)壁涂層、外壁涂層（或包扎層）加陰極保護(hù)等防腐措施，可有效的延長管道的使用年限。其中，管道內(nèi)外壁的涂層防腐指的是用涂料均勻致密地涂敷在經(jīng)過除銹處理的管道表面上，從而達(dá)到與各種腐蝕性介質(zhì)隔絕的作用，是管道防腐中最重要最基本的方法之一。另外內(nèi)壁由于采用特殊涂層，有效的降低了天然氣與管道內(nèi)壁的摩擦，不僅提高了輸氣效率，更減少了設(shè)備的磨損和清管次數(shù)；陰極保護(hù)技術(shù)是指將被保護(hù)金屬極化成陰極來防止金屬腐蝕的方法。

（4）有效止裂是高強(qiáng)度鋼制天然氣管道的設(shè)計的另一關(guān)鍵。這種管道的設(shè)計不僅要按許用應(yīng)力法計算管道的強(qiáng)度外，而且還需要采用斷裂力學(xué)方法來進(jìn)行管道的止裂設(shè)計，并且對于管道施工在預(yù)熱、對口、內(nèi)外焊、補(bǔ)口以及超聲波探傷等方面也提出了較高的要求。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(shù)，可焊性與材質(zhì)碳當(dāng)量有關(guān)，隨著當(dāng)今冶煉技術(shù)的提高，無論是低碳鋼還是高強(qiáng)度微合金鋼，均能有效控制碳當(dāng)量，使其達(dá)到良好的可焊性要求。目前高強(qiáng)度等級鋼管相比較低強(qiáng)度鋼管，需要增加施工措施，當(dāng)管材等級高于×65級時，低溫地區(qū)組焊均要求預(yù)熱和保溫，防止冷裂紋。

（5）基于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，針對管材選用的就經(jīng)濟(jì)性 E，涉及管徑 D、管道長度L、管材等級 σs、鋼管型式M、鋼管壁厚δ及施工組焊費用Cw，可用E=f（L，D，δ，σs，M，Cw）表達(dá)，式中除了管道的固定值L、D外，M與Cw為可變因素，決定因素是互為相關(guān)的壁厚δ與鋼管允許屈服強(qiáng)度σs。鋼管允許屈服強(qiáng)度高，壁厚小，其經(jīng)濟(jì)性好，但考慮到其他的影響因素控制，σs不能無限提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃志潛.國外輸氣管道技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和幾點建議，2000（05）

作者簡介

劉偉（1979-），男，工程師，學(xué)士，現(xiàn)任職于中油遼河工程有限公司，從事油氣加工設(shè)計。