天然氣管道材料性能的分析與應(yīng)用

蔡道廣

摘 要：隨著能源的需求逐漸增加，推動了天然氣管道工業(yè)的發(fā)展。西氣東輸?shù)纫恍┨烊粴夤艿理?xiàng)目建設(shè)加快了管道技術(shù)發(fā)展，尤其是天然氣管道材料在強(qiáng)度、性能等各方面符合標(biāo)準(zhǔn)等提出了高要求。對此，筆者根據(jù)實(shí)踐就天然氣管道材料性能與應(yīng)用進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：天然氣；管道；材料性能；分析與應(yīng)用

根據(jù)目前焊接材料發(fā)展情況分析，我國焊接材料發(fā)展落后于發(fā)達(dá)國家，多數(shù)管道的特殊焊接材料仍然需要靠進(jìn)口?；谶@一狀況下，想要得到更高發(fā)展首先需要擺脫這一問題，提升建造天然氣管道水平進(jìn)而提升管道應(yīng)用。

1 天然氣管道分析

1.1 天然氣管道

天然氣管道主要作用是把天然氣從處理廠運(yùn)輸至城市配氣中心，也叫做輸氣管道。通過天然氣管道進(jìn)行天然氣運(yùn)輸，也是現(xiàn)階段陸地運(yùn)輸形式之一。在全球管道使用總量中，天然氣管道約占總量的一半。

1.2 天然氣管道結(jié)構(gòu)

輸氣管道為相同的管對接而成?，F(xiàn)階段，集氣管道和輸氣管道其材質(zhì)為鋼，主要連接方式為焊接。鋼管也具有較多類型，例如：螺旋縫管、直縫管等。其中，無縫管的應(yīng)用條件為管徑在529mm以下管道中。而直縫管的使用條件為較大口管道內(nèi)。集輸管橫斷面組成可以劃分成多層。即：內(nèi)涂層——鋼管——外絕緣層——保溫層，結(jié)構(gòu)較為繁瑣。相對于而言，鋼管與外絕緣層則較為簡單，內(nèi)壁土層與保溫層全部需要在輸氣技術(shù)上得以確認(rèn)。

1.3 材料分析

管道的構(gòu)成為鋼管。天然氣鋼管需要經(jīng)過精細(xì)化生產(chǎn)、加工后，才能成為一個完整的冶金商品。鋼管其加工技術(shù)分為多種，不同廠家有不同的工藝技術(shù)，生產(chǎn)的管道鋼也不同。20世紀(jì)60年代，主要為X52鋼級，到了70年代使用的X60、X65鋼級，80～90年代主要以X70鋼為主。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國外在輸氣管道上開始應(yīng)用X80鋼。目前我國開始致力于推廣管道鋼的研究。例如：X100、X120；但處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。此外，我國在一些地區(qū)也首次實(shí)現(xiàn)了X80級管道鋼使用在7.71km實(shí)驗(yàn)中。在4843km二線干線管道內(nèi)采用了直徑為1219mm的X80管道鋼。這一成果標(biāo)志著我國將輸氣壓力增加到了12MPa。一般狀態(tài)下，X80鋼的成分組織是鐵素體與貝氏體雙相組織。其X100管道鋼為貝氏體組織，X120管道鋼為超低碳貝氏體與馬氏體。使得我國天然氣管道無論是在材料、還是在柔軟度上均符合我國質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2 管道材料應(yīng)用

2.1 強(qiáng)度分析

管道材料強(qiáng)度與性能，主要對屈服極限、抗拉強(qiáng)度極限、擴(kuò)展率數(shù)值的研究。其3項(xiàng)參數(shù)因?yàn)椴牧暇哂幸欢ú町愋远嬖谝欢ú煌?，鋼管抗拉?qiáng)度極限在335～365MPa；屈服極限在205～480MPa，鋼的延伸性與屈服極限相反，延伸大則屈服極限減小，塑性越高易焊接。

2.2 天然氣管道斷裂柔韌度

管道斷裂通常可以劃分為：柔韌性斷裂與脆性斷裂。原因是超出承受的拉力范圍，或是裂縫問題致柔韌折斷。而當(dāng)溫度角度、拉力較多、裂縫問題等共同作用下易出現(xiàn)脆性斷裂。為確保管道完整，在制管與施工階段需要控制管道裂紋與降低外應(yīng)力等影響因素。

2.3 溫差適應(yīng)度

天然氣主要在西北與東北區(qū)域，西北與東北區(qū)域冬季溫度較低、干燥，溫差大、氣候溫度差異明顯。而天然氣管道施工主要在溫差較大的凍土層內(nèi)。因此，天然氣管道在材料選擇上需要選擇能夠在低溫或是高溫下具有一定柔韌度，無斷裂問題出現(xiàn)的材料。

2.4 材料防腐蝕性

眾所周知，空氣中包含二氧化碳、硫化物、硫化氫、氧與腐蝕性物質(zhì)，其化合物能夠?qū)饘俑g，導(dǎo)致管道出現(xiàn)凹穴，嚴(yán)重時發(fā)生穿孔現(xiàn)象。針對這一問題，一般會在管道中涂刷聚乙烯管道防腐物質(zhì)。其物質(zhì)中具有一定防老化與抗腐蝕性，延長使用時間。因?yàn)槠湮镔|(zhì)成分中包含雙峰聚乙烯；具有支鏈度小、密度大、柔韌性較強(qiáng)，具有一定力學(xué)性能與耐環(huán)境應(yīng)力開裂性。無毒無害，化學(xué)性較為穩(wěn)定，導(dǎo)熱值較弱，保溫性較高。

3 天然氣管道中鋼管類別與應(yīng)用

焊接剛是通過鋼板在成型之后通過焊接成的鋼管。其管無需較多費(fèi)用投入、工藝簡單、效果好、類別多樣等特點(diǎn)。不過，在強(qiáng)度上要低于無縫鋼管。自20世紀(jì)30年代后，一些帶鋼連軋逐漸涌現(xiàn)，焊接技術(shù)與檢測技術(shù)得到了提高，焊縫質(zhì)量有所提升，焊接鋼管規(guī)格較多而慢慢的代替無縫管。一般狀態(tài)下，口徑小的管適合適用平直焊接；反之則適用螺旋焊接。

3.1 螺旋焊鋼管

（1）承壓流體輸送螺旋縫埋弧焊鋼管。該種形式主要是通過熱軋鋼帶作鋼坯。在正常溫度條件下固定成為螺旋狀，隨后利用雙向埋弧形式使得承壓流體在管內(nèi)。鋼管中能夠承受較大壓力、焊接性較強(qiáng)，并給經(jīng)過實(shí)踐證明，穩(wěn)定性較強(qiáng)。鋼管口徑大、輸送率較大，同時能夠節(jié)省經(jīng)濟(jì)投入。

（2）高頻焊接鋼管。該種材料也適合應(yīng)用在天然氣管道中。該種鋼管是利用熱軋鋼帶卷為鋼坯，在常規(guī)溫度下固定成型，通過有效焊接方式。此外，通過承壓流體的螺旋縫高頻焊接鋼管，有較大的抗壓性、塑性高等特點(diǎn)。

3.2 直縫鋼管

該鋼管適合硬功在鋼管縱向平行內(nèi)。通?？梢詣澐譃槎喾N類型。例如：電焊薄壁管、變壓器冷卻油管等。直縫鋼管具有效率高、投入少、發(fā)展迅速的特點(diǎn)。大口徑直縫埋弧焊接鋼管主要利用折彎成型形式應(yīng)用在天然氣管道中。因?yàn)闀r常需要利用控扎板在冷態(tài)下成型加工成具有一定厚度的鋼管，具有高成型精度與壓力特點(diǎn)。

4 結(jié)語

制造天然氣管道，應(yīng)選擇具有較強(qiáng)延伸性、韌性和防腐蝕性能較高的材料。我國目前的天然氣運(yùn)輸管道多為螺旋風(fēng)管與直縫鋼管，應(yīng)用效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]趙新輝.石油天然氣工藝管道安裝技術(shù)的若干研究[J].工程技術(shù)：引文版，2016，（12）：254.

[2]李昌鋒.SCADA系統(tǒng)在石油天然氣管道上的應(yīng)用研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（14）：73-74.

[3]吳天一.淺談天然氣輸氣管道的維護(hù)與管理[J].化工管理，2015，（20）：31.

（作者單位：廣東科進(jìn)尼龍管道制品有限公司）