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国外输气管道技术的发展现状和几点建议

国外输气管道技术的发展现状和几点建议国外输气管道技术的发展现状和几点建议D 黄志潜 (中国石油物资装备(集团)总公司 100029) 摘要本文是作者在~天然气管道输送技术及制管技术高级研讨会上的发言 O 通过对国外天然气管道的设计技术 ~ 国外油气输送用钢管的制造技术 ~ 国外天然气管道的施工技术 ~ 国外高钢级管线钢技术发展等几方面情况的介绍与分析指出先进的设计施工技术提高了输气管道的经济效益 O 通过对我国管线钢及钢管生产应用现状的分析提出了~西气东输工程在管道设计的总体思想 ~管道设计基本参数 ~螺旋焊...

国外输气管道技术的发展现状和几点建议D 黄志潜 (中国石油物资装备(集团)总公司 100029) 摘要本文是作者在~天然气管道输送技术及制管技术高级研讨会上的发言 O 通过对国外天然气管道的设计技术 ~ 国外油气输送用钢管的制造技术 ~ 国外天然气管道的施工技术 ~ 国外高钢级管线钢技术发展等几方面情况的介绍与分析指出先进的设计施工技术提高了输气管道的经济效益 O 通过对我国管线钢及钢管生产应用现状的分析提出了~西气东输工程在管道设计的总体思想 ~管道设计基本参数 ~螺旋焊管生产线的技术改造以及其它方面的多条建议 O 主题词长输管道天然气输送管道敷设施工钢管线钢螺旋焊管直缝焊管建议综述 1 引言当前我国天然气管道正面临着一个新的建设高潮西气东输管道工程正在启动 O结合我国国情及时采用国外经过实践考验的先进技术和先进经验可带来重大的经济效益 O 本文介绍国外输气管道技术发展现状并提出若干建议 O 2 国外天然气高压输送管道典型示例 Alliance 天然气管道 ( 1)Alliance 天然气输送管道概况 Alliance 天然气输送管道的走向是自加拿大不列颠哥伦比亚省北部至美国芝加哥地区如图 1 所示 O 其主要参数为 .主要参数年输气量 137 亿 m3 全长 2990km 直径 914mm 占 2650km 1067mm 占 340kmO 最大允许工作压力 12MPa 材料 X70 沿线共 14 个压气站按等间距布置 O .管道标准加拿大境内为加拿大标准协会标准 O 美国境内为美国运输部标准< Pipeline Safety RegulationS> O .钢管标准加拿大境内为 < CSA Z245. 1- 98: Steel Line Pipe ( Oil and gaS InduStry SyS- tem and Material) > 该标准与 API Spec 5L 相当 O 美国境内为 .总投资 45 亿加元 (合 30 亿美元 ) 其中富气回收厂 5. 5 亿加元( 3. 7 亿美元) O .Alliance 管道的管径 ~ 壁厚与长度如表 1 所示 O .Alliance 管道螺旋焊管管材性能要求 O Alliance 管道螺旋焊管钢级为 X70 其 *1*焊管 * 第 23 卷第 3 期 * 2000 年 5 月 D 本文部分内容参考了<加拿大和德国的高钢级油气管道技术考察报告 > O 参加撰写该考察报告的除作者本人外还有冯耀荣 ~林建 ~陈钰珊 ~李根全 ~刘文成 ~申立群特此说明 O 性能指标要求如下: 图 1 Alliance 天然气输送管道的走向图表 1 Alliance 天然气输送管道参数国家管道管径 (mm) 壁厚 (mm) 长度 ( km) 加拿大主管道 @914 @1O67 14. 23 11. 43 122O 34O 支管道 @114~ 61O O. 3~ 142 ( 37 支线) 美国主管道 @914 15. 8 1428 注:加拿大段单根管长 24m.大大降低了施工费用0 屈服强度 OSZ 7OkpSi ( 483Mpa) 屈强比 OS/ Ob 28OJ; Wellan:钢管>215J) DWTT(-5C )Z85%SA .Alliance 管道所用钢管全部由北美地区 5 个工厂供货.详细情况见表 20 表 2 Alliance 天然气输送管道所用钢管供货厂家厂家直径(mm) 钢管总长度( km) 加拿大段 IpSCO @914 1152(螺旋焊管) Wellan: @1O67 187(螺旋焊管) Campipe @1O67 161 (螺旋焊管) Berg (美国) @914 74(直缝焊管) . 美国段 Napa @914 9OO(直缝焊管) Berg @914 528(直缝焊管) @1O67 21 (直缝焊管) 可以看出.加拿大段主要采用螺旋焊管. 直缝焊管总重不到 5% 0 美国段则全部采用直缝焊管0 ( 2) Alliance 天然气输送管道设计施工特点 .采用高压输送工艺管道工作压力 12Mpa0 提高工作压力可带来巨大效益0 -2- 焊管 - 2OOO 年 5 月 .提高工作压力可以减小流速9降低输送能耗 O .提高天然气的可压缩性9降低压缩能耗 O .采用高钢级9降低钢材消耗 O .采用富气输送工艺所输送的天然气中含有较常规天然气更多的乙烷 \丙烷和丁烷等重成分 O .增加天然气密度9提高天然气的可压缩性9降低压缩能耗 O .免除在管道首站分离天然气的重成分9节约投资 O .富气输送必须采用高压9以使输送工况始终保持在气体的临界点之上9输送过程中重成分不致于呈液态析出 O .AlllaHce 管道富气输送天然气组分与普通管道天然气的比较9如表 3 所示 O AlllaHce 天然气输送管道富气输送工艺液体成分回收厂流程如图 2 所示 O .压缩机组的台数与功率配备及引入停表 3 AlllaHce 管道富气输送天然气组分与普通管道天然气的比较组分 AlllaHce 管道 (mol% ) 典型普通管道 (mol% ) N2 0. 50 1. 27 CO2 0. 50 0. 55 H2S 0. 00 0. 00 H2 0. 00 0. 00 CH4 89. 87 95. 4 C2H6 6. 50 1. 97 C3H8 1. 90 0. 51 IC4 0. 25 0. 17 NC4 0. 35 0. 08 C5+ 0. 13 0. 05 图 2 AlllaHce 天然气输送管道富气输送工艺液体成分回收厂(Aux Sable)流程图机适应性概念 O .除首站与末站各配备 1 台备用燃气轮机压缩机组外9其余 12 个站均为单台机组运行 O .用增加备用功率代替增加备用机组的办法来保证某站停机后的越站运行可靠性9 同时节约投资 O .稳态下各中间站所需功率为 15MW9 :3:第 23 卷第 3 期黄志潜:国外输气管道技术的发展现状和几点建议实际装机功率 23MW 0 若某站停机天然气将流动 390km 以 6. 2MPa 到达下站在随后的 3~ 4 个站利用附加备用功率使压力恢复流量略有下降此暂态过程约需几天压力可恢复到设计状态 0 当各站正常工作利用备用功率可提高输量 17 ~24. 5 Alliance 管道越站输送站间压力的变化如图 3 所示图 3 Alliance 管道越站输送站间压力的变化 .美 ~ 加两国管道壁厚设计许用应力值不同美国规范规定最大许用应力为 0. 726S 美国境内管道壁厚为 15. 8mm 加拿大规范规定最大许用应力为 0. 806S 加拿大境内的管道壁厚为14. 23mm 降低了管材的用量 0 设计过程中为确定钢管的韧性指标和止裂性能进行了由直径 0 914mm~ 总长度 367m~ 不同韧性钢管组成的全尺寸止裂试验 0 管道的现场环焊缝全部采用气体保护自动焊接环焊缝的无损检验采用车载式自动超声波探伤设备不再采用 X 射线方法进行检验 0 管道 20 以下的转角采用冷弯弯管机在现场弯制大角度的弯管采用 X70 的 UOE 直缝管在工厂内热弯弯制 0 为降低管道输送的摩擦阻力钢管内部涂敷液体环氧基涂料 0 管道外防腐采用熔结环氧粉末防腐层并用直流稳压电源提供阴极保护电位 0 管道穿越公路时不使用套管采用增加钢管厚度的方法 3 国外天然气输送管道的设计技术 ( 1)天然气的高压输送技术高压输送是当前国际天然气管道输送技术的发展趋势目前天然气高压输送的压力已达 10~ 15MPa 天然气的高压输送一直是人们追求的目标不同时期高压输送压力的数值受当时技术水平的限制历史上不同时期高压输送的压力值见图 4 图 4 历史上不同时期高压输送的压力值 .天然气高压输送带来的优点 0 高压输送使天然气密度增加流速下降降低了管道沿程摩擦损失提高输送效率 0 天然气密度增加将提高气体可压缩性降低压缩能耗提高压缩效率 0 管道能量消耗下降可减少压缩站装 -4- 焊管 - 2000 年 5 月机功率加大站距降低投资高压输送要求使用强度更高 ~ 韧性更好的管线钢高钢级减少了钢材消耗降低材料费用国外建成的天然气高压输送管道如表 4 所示表 4 国外建成的天然气高压输送管道管道名称位置最大运行压力 ( MPa) 输送介质 Zeepipe 挪威-比利时 15. 70 天然气 Sable Island 加拿大 15. 30 天然气 Souris Valley 美国-加拿大 15. 00 O2 FLAGS 苏格兰 14. 01 天然气 Ruhrgas 德国 10. 34 天然气 Iroguois 加拿大-美国 9. 92 天然气 Alliance% 加拿大-美国 12. 00 天然气 % 年输量 137 亿 m3 管径 914mm 钢材 X70 全长 3000km 将于 2000 年内完工高压输送天然气涉及的技术领域高压输送管道设计准则与设计方法高压输送气体动力学高压输送钢管材料高压输送钢管焊接技术高压输送管道施工技术高压输送管道天然气压缩机组与压缩站高压输送管道的各种附件高压输送管道的抗腐蚀能力高压输送管道的安全与可靠性当前国外高压输送技术进展多家公司进行了 10~ 15MPa 下高压输送的可行性研究并看好前景据统计近 10 年来 X70 钢管用量已占输气管道首位 X70 已是目前新建天然气输送管道的首选材料 Alliance 输气管道是当前高压输送技术的重要应用集中应用了多项先进技术在一定程度上体现了当今输气管道技术的发展趋势高压输送技术的发展要求不断开发更高钢级的管线钢 X80 钢材和钢管的技术性能 ~ 生产工艺 ~管道现场施工技术已经过实践验证并建成 X80 输气管道 462km X80 钢材和钢管已可大量供货日本和欧洲已试制出 X100 钢材并在研究更高钢级的管线钢已有适应高压输送的燃气轮机-压缩机组提高了输送效率已有流体动力学和热力学分析软件供设计使用 ( 2)天然气的高密度输送改变天然气组分保留或加入 2- 5 便可提高密度天然气高密度输送带来的好处提高密度可以提高管道输送效率降低成本天然气密度增加流速下降降低了管道沿程摩擦损失提高输送效率天然气密度增加将提高气体可压缩性降低压缩能耗提高压缩效率管道能量消耗下降可减少压缩站装机功率加大站距降低投资高密度输送要求使用强度更高 ~ 韧性更好的管线钢高钢级减少了钢材消耗降低材料费用省去在天然气产地进行 2- 5 重成分的分离过程和液化石油气的单独运输便于下游利用图 5 示出高压和富气输送能使能耗下降的程度天然气的可压缩性气体定律为 n 式中 *压缩性系数值越小气体越容 5 第 23 卷第 3 期黄志潜国外输气管道技术的发展现状和几点建议图 5 高压和富气输送使能耗下降(Alliance Ltd. ) (a914mm* 3 压缩站 * 每站装机功率 22. 5MW) 易压缩天然气的值随密度和压力增加而减小故高压输送和高密度输送可提高管道气体的压缩效率和经济性提高压力和重成分含量来增加可压缩性示例 (Alliance 管道) O压力由常规天然气管道的 6. 9Mpa 提高到 12. 00Mpa* 值由 0. 89 下降到0. 83* 减小了 6. 74% O再将组分中 2- 5+含量由 4. 6%提高到 12. 13% * 则值将下降到 0. 78* 共减小 12. 36%可见该管道靠提高压力和重成分含量在减少压缩天然气能耗方面就达12. 36% ( 3)西欧 ~北美油气管道用管线钢现状西欧 ~北美油气管道用管线钢的现状近 10 年来欧洲钢管公司为天然气管道供货的钢级分布见表 5 O关于欧洲天然气输送管道所用钢材的分析 *近 10 年来欧洲长距离大口径输气管道所用管材以 X65 和 X70 为主 * 这两种钢级的使用量占到供货总数的 89. 3% 表 5 Europipe 1991~ 1999 为天然气管道供货统计(a508~ 1524mm) 钢级管道数用钢量( t) 占总吨数百分比 (% ) X42 9 11 551 0. 2 X52~X56 19 60 638 1. 2 X60 54 465 840 9. 2 X65 65 1 881 375 37. 3 X70 93 2 615 680 52. 0 X80 1 145 630 0. 1 总计 241 5 035 084 100. 0 注:本表系根据 Europipe 公司提供的近 10 年来输气管道用户清单统计而成 *X70 的用量已超过 X65* 供货主要集中在近 3~ 4 年 * 说明 X70 钢级已经成为 90 年代末输气管道建设用钢的主流 *逐渐提高钢级是大口径输气管道建设的发展趋势近 10 年来欧洲钢管公司向输所油管道供货的钢级分布如表 6 所示 O关于欧洲原油输送管道所用钢材的分析近年来所使用的钢级并没有明显的提 -6- 焊管 - 2000 年 5 月表 6 Europipe 1991~ 1999 年为输油管道供货统计( 508~ 1524mmD 钢级管道数量用钢量( t D 占总吨数百分比 (% D X42 15 73* 723 28. 3 X52~X56 7 42* 462 16. 2 X60 5 42* 797 16. 3 X65 4 65* 280 25. 0 X70 2 37* 220 14. 2 X80 0 0 0 总计 33 261* 482 100 注:本表系根据 Europipe 公司提供的近 10 年来输油管道用户清单统计而成 O 高 O 从欧洲钢管公司的供货情况统计可以看出 * 近 10 年来输油管道所用管材以 X65 为多 * X60 管材次之 * X70 正在逐步增加 O 不论在欧洲还是北美 * 目前都还没有 X80 管材在输油管道上应用的记录 O .北美油气管道用管线钢现状近 30 年来加拿大 IPSCO 公司为油气输送管道生产的螺旋焊管钢级的分布 ( 1969- 1998D见表 7O 从表 8 可见 * 仅 IPSCO 公司一家已向各表 7 IPSCO 公司( 1969~ 1998 年D生产的螺旋焊管钢级的分布钢级数量( t D 占总吨数百分比(% D X42 2* 647 0. 13 X52 438* 512 21. 07 X60 123* 934 5. 96 X65 329* 512 15. 84 X70 1* 149* 591 55. 25 X80 36* 629 1. 76 总计 2* 080* 825 100. 00 注:本表系根据 IPSCO 提供的 30 年来螺旋焊管用户清单统计而成 O 油气管道提供了 208 万吨螺旋钢管 * 总计 10* 016kmO 全部用户均在加拿大和北美地区 O 尽管所提供的数据没有区分原油和天然气输送管道 * 30 年来 X70 吨位已经占到 55. 25% * 成为北美地区油气管道主要钢级 O .迄今全球已建成的 X80 输气管道 8 条 * 总长度 462km* 见表 8O ( 4D高压输送管道的止裂设计高压输送高钢级天然气管道的设计关键之一是有效止裂 O在加拿大和德国 * 管道设计除了要按通常的许用应力法计算管道的强度表 8 全球已建成的 X80 输气管道统计情况年分位置名称长度 ( kmD 管厂直径 (mmD 壁厚 (mmD 返修率 (% D 1985 德国 Megal I 3. 2 Mnsmn 1118 13. 6 - 1986 斯洛伐克第 4 输气管道 1. 5 Mnsmn 1422 15. 6 - 1990 加拿大 Nova Express East 2. 6 NKK 1219 10. 6 - 1992 德国 Ruhr gas Project 250 Europipe 1219 18. 4 3% 1994 加拿大 Nova Matzhiwian 54 IPSCO 1219 12. 0 6% 1995 加拿大 East Alberta System 33 IPSCO 1219 12. 0 - 1997 加拿大 Central Alberta System 91 IPSCO 1219 12. 0 - 1997 加拿大 East Alberta System 27 IPSCO 1219 12. 0 - 累计 462 .7.第 23 卷第 3 期黄志潜:国外输气管道技术的发展现状和几点建议外9还需要采用断裂力学方法进行管道的止裂设计按照断裂力学设计准则设计的结果9 允许缺陷的尺度要比许用应力法设计的结果更大 < 5>大口径管道管径的选择目前西方国家所建设的天然气管道最大管径为G48in< 1220mm> .与G 48in 以下钢管制造有关的工 ~ 夹 ~模具 ~各种施工设备以及管道的各种配套附件均已现成 .只有前苏联 ~ 俄国和伊朗的输气管道最大管径采用过G5 in< G1420mm> .若提高输送压力9一般 48in 以下管径已可满足输气量要求 .G 5 in~ 0in 的管子多用于输水管道如果中国的天然气管道选择 5 in 管径9 且需要从欧美进口钢管和配套设备的话9会大大增加管道建设的投资这一点很值得我国的跨国天然气管道在选择管径时加以注意 < >大口径管道钢管长度的选择尽量使用较长的钢管9以减少管道在现场的焊接和检验工作量9提高施工速度 .正在建设的 Alliance 管道管长 24m .采用 X80 管材的鲁尔天然气管道管长为 18m .欧洲目前建设的管道管长均采用 18m .俄国以前管长一般采用 12. 7m9但目前修建的从西伯利亚到德国的管道已采用了 18m < 7>螺旋焊管在高压输气管道中的应用加拿大和德国有关输气管道设计的标准和规范并没有限定高压输气管道必须采用何种钢管对于螺旋焊管是否能在高压输气管道上应用的问题9加拿大和德国的有关人士看法不同加拿大的政府主管部门 ~ 管道公司 ~钢管制造厂和科研机构都一致认为9只要螺旋焊管的质量符合管道的技术要求9就完全可以在高压输气管道上使用 Alliance 输气管道的工作压力为 12Mpa9在加拿大境内约 1 00km 有 95%以上采用了 X70 螺旋焊管加拿大在用的 205km X80 管道大部分也采用了螺旋焊管德国的有关人士认为9 直缝管在某些使用性能上要优于螺旋焊管9 如焊缝长度短 ~钢管成型精度高等9推荐在高压输气管道上优先考虑直缝管这也和德国主要生产直缝埋弧焊管的情况有密切关系实际上9在高压输气管道上使用何种钢管主要取决于钢管是否满足管道技术要求 ~ 经济上的对比以及国家制管业的现状并不存在必须采用某种钢管的问题 < 8>高压大口径输气管道采用内涂层减阻加拿大和德国所修建的大口径输气管道均在管道内壁喷涂环氧基涂层9以降低气体输送时的摩阻由于该内涂层的作用主要不是为了防腐9因此涂层厚度仅为几十微米内涂层费用仅为 FBE 涂层的 1/ ~ 1/3 喷涂内涂层后可降低气体输送时的摩阻 7%~ 14% 4 国外油气输送用钢管的制造技术 < 1>加拿大焊接钢管生产情况加拿大焊接钢管生产情况见表 9 < 2>欧洲钢管公司 Eufopipe 焊接钢管生产情况见表 10 < 3>国外制管工艺的特点 .Welland 螺旋焊管采用预精焊工艺成型工艺与焊接工艺完全分离9成型速度与焊接速度无关9使焊接质量稳定 .内 ~ 外焊均采用多丝埋弧焊加拿大 ~ 德国焊管厂对壁厚较大的钢管均采用多丝焊钢管开 X 型坡口9最多用 5 丝焊接 .直缝埋弧焊管在成型和焊接后均采用扩径工艺;螺旋埋弧焊管也可以进行扩径扩径的直径变形量为 1. 5% -8- 焊管 - 2000 年 5 月表 9 加拿大焊接钢管生产情况厂家焊管类型产品直径(mm) 壁厚(mm) 年产能力(万吨) IPSCO 螺旋埋弧焊管 609~ 2032 不详 31. 4(里贾纳 25,埃德蒙顿 6. 4) ERW 焊管 50. 8~ 609 不详 136. 3(里贾纳 32. 8,卡尔加里 30, 埃德蒙顿 16,红鹿 15. 5,美国日内瓦 12,美国布里斯维尔 30) Welland 螺旋埋弧焊管 914~ 1524 9. 5~ 25. 4 30 UOE 焊管 508~ 914 6. 7~ 16 20 CAMPIPE 螺旋埋弧焊管 508~ 1067 不详 18 ERW 焊管 102~ 406 不详 14 (近 30 年油气管道实际供货 457~ 1219mm,厚 5. 16~ 14. 23mm) 表 10 欧州钢管公司 Europipe 焊接钢管生产情况焊管类型管径(mm) 壁厚(mm) 年产能力(万吨) UOE 焊管 508~ 1625 6~ 40 168 (德 Muhaim 厂 118; 法敦克尔克厂 50) RBE 焊管不详不详 34(德 Muhaim 厂 4;美国 Berg 厂 30) 螺旋埋弧焊管 406~ 1625 4. 5~ 16 10(法国 Joeuf 厂) O扩径的好处:改善管体几何尺寸的精确性;因冷作硬化而提高钢管强度;同一钢级材料可采用更低的碳当量,改善材料的可焊性;降低残余应力 O扩径方式: 机械式沿长度方向分段进行,每段长 0. 5~ 0. 7m 水压式在全长上一次完成扩径后接着进行水压试验 . Welland焊管厂平面布置如图 6 , Welland 螺旋焊管用冷轧钢板对接成钢带作为原料,有其历史的原因但可保持成型角为 45 不变,对成型和扩径有利 .不断改进无损探伤技术如 Welland 新的超声波探伤设备可使管子两端的盲区由过去的 500mm 缩短到 50mm .制造和运输设备的进步使生产更长的焊管成为可能加拿大螺旋焊管出厂长度为 24m, UOE 直缝焊管出厂前用两根 12m 管接成 24m 德国 UOE 焊管长度为 18m, RBE 焊管长度 12m .出厂前进行内涂层主要目的是减少天然气输送阻力 .焊管外观加拿大螺旋埋弧焊管外焊缝光滑其几何尺寸在扩径后得到显著改善 ( 4)欧洲钢管公司 X80 直缝焊管实物性能 .拉伸值 O0. 2: 555~ 616MPa O : 732MPa 8 22. 0%~24. 0% .冲击性能管体横向 0C : 144/131/117J 焊缝 0C : 125/146/131J 热影响区 0C : 184/225/285J ( 5)焊管的失效分析加拿大高压输送的气体均为甜气发生的主要失效形式为:钢管因外防腐层破坏导致土壤和水份对钢管的腐蚀,引起应力腐蚀开裂解决这一问题需要将应力腐蚀的研究 9 第 23 卷第 3 期黄志潜:国外输气管道技术的发展现状和几点建议与不同防腐方式的研究结合起来进行焊管止裂问题是高钢级焊管的关键加拿大德国应用断裂力学已建立了计算焊管的裂纹萌生扩展和止裂的数学模型全尺寸管道的止裂韧性试验研究也取得了成果 5 国外天然气输送管道的施工技术 ( 1)高钢级钢管现场环焊缝的焊接方法钢管管材机械性能与焊缝机械性能的匹配应特别注意必须进行大量焊接试验来确定焊接方法的选择以及管材与焊丝焊剂的匹配目前高钢级钢管现场环焊缝的焊接可以采用手工埋弧焊和自动气体保护焊两种方法施工中只要条件具备管道长度在 25km 以上应尽量采用自动气体保护焊可以提高焊接速度保证焊接质量降低施工费用 TranScanada X70 母材与环焊缝不同焊接方式的强度匹配 (见图 7) X80 母材与环焊缝不同焊接方式的强度匹配(见图 8) ( 2)高钢级钢管现场环焊缝焊接工艺及质量检验 .高钢级钢管现场环焊缝的焊接工艺通过试验确定 .焊接前的预热温度应根据管材的机械性能化学成分及碳当量等因素经试验确定一般在 80~ 200C之间施工时使用测温笔控制焊接前钢管实际温度 .选择合适的焊丝和焊剂使焊缝强度与母材强度相匹配 .焊接电流和焊接电压的调整 .控制合理的焊接输入能量 .德国鲁尔管道 X80 钢管现场手工电弧焊的焊接工艺参数见表 11 德国鲁尔管道 X80 钢管自动气体保护焊的焊接工艺见表 12 .在加拿大和德国当管道现场环焊缝采用自动焊方式时焊缝无损检验均使用自动超声波探伤仪不再采用 X 射线检验和拍片 .由于不再采用 X 射线检验和拍片提高了检验速度降低了检验成本提高了检验质量 .当环焊缝用手工焊接时仍需进行手工超声波检验和 X 射线检验 ( 3)管道环焊缝用超声波自动检验代替 X-射线检验的好处 .无辐射伤害 .生产效率高据 WeidSonix 介绍直径为@1067mm 钢管扫描时间仅为 45S 全部检验时间小于 2min 图 7 X70 母材与环焊缝不同焊接方式的强度匹配 11 第 23 卷第 3 期黄志潜国外输气管道技术的发展现状和几点建议图 8 X80 母材与环焊缝不同焊接方式的强度匹配表 11 德国鲁尔管道 X80 钢管现场手工电弧焊的焊接工艺参数焊条焊接过程型号直径(mmD 电流(AD 电压(VD 纤维素焊条根焊 E7010-A 或 E6010 4. 0 120~ 160 24 热焊 E7010-A 或 E9010-G 5. 0 80~ 200 24 碱性焊条填充焊 E10018-G 4. 0 或 4. 5 190~ 210 或 230~ 250 20 盖帽焊 E10018-G 4. 0 190~ 210 20 表 12 德国鲁尔管道 X80 钢管自动气体保护焊的焊接工艺焊接过程焊丝型号 (直径 mmD 保护气体电流 (AD 电压 (VD 送丝速度 ( cm minD 输入能量 ( kJ cmD 根焊 ER70S-6 0. 9 Ar75% CO225% 190~ 220 19~ 21 75 3. 7 热焊 E90S-G 0. 9 CO2100% 240~ 260 24~ 26 127 3. 1 填充焊 ER90S-G 0. 9 CO2100% 210~ 250 22~ 25 36~ 45 9. 0 盖帽焊 ER90S-G 0. 9 Ar75% CO225% 200~ 230 20~ 25 26~ 41 8. 6 检测数据数字化处理可以测出缺陷尺寸和位置深度实时了解检验结果便于及时控制焊缝质量无需在管内放置检测设备允许管内留有其他设备 21 焊管 2000 年 5 月 .从热带到极地各种环境下均可使用 G ( 4)大口径钢管弯管的制作 .油气输送管道用弯管的制作弯度<15 ~20 9可在现场冷弯 G 弯度>15 ~ 20 9需在制造厂内用感应加热方法弯曲成型 G .钢管采用现场冷弯的优点2 .冷弯管的成本大大低于热弯管 G .可节省热弯管从工厂到施工现场的运输费用 G .冷弯管可用已防腐管直接制作9而热弯管需要在热弯后再行防腐 G .冷弯管没有热加工过程9避免了管材机械性能的降低 G .若采用调质钢热弯管9在与直管段焊接时9因材料不同其焊接工艺需另行设计9冷弯管则不存在此问题 G ( 5)X80 管道的试压 .加拿大在对 X80 管道进行水压强度试验时9试验压力为工作压力的 1. 25~ 1. 5 倍9稳压时间不少于 4 小时 G .德国鲁尔管道在对 X80 管道进行水压强度试验时9要求试验压力应使钢管的环向应力达到管材的最小屈服强度 G 认为提高试验压力可以充分发现管道存在的缺陷9从而提高管道运行时的安全性9但对此德国的一些研究机构有不同看法 G 6 国外高钢级管线钢技术的发展 ( 1)X80 级管线钢的研制与应用 1985 年9德国 ManneSmann 钢管公司研制 X80 管线钢及直缝焊管成功9并铺设了 3. 2km试验管道 G 1993 年9德国用 GRS550 钢材 ( X80)铺设了鲁尔天然气管道 G 其管径@1220mm~壁厚 18. 3 和 19. 4mm~ 全长 250km~ 输送压力 10MPaG 至今运行正常 G 1994 年9加拿大 IPSCO 钢铁公司开始生产 X80 管线钢和螺旋焊管9 1996 年 Stelco 钢铁公司和 Welland 也研制成功 X80 管线钢和螺旋焊管 G 至 1997 年加拿大 NOVA 公司已用 X80 铺设了 205km 管道9大部分用螺纹焊管 G IPSCO 现在可生产各种规格尺寸的 X80 钢管9还成功地进行了 X90 和 X100 钢管的试生产9其最终目标是要生产各种尺寸的 X100 级的钢管 G Europipe 也研制成功了 X90 和 X100 钢管 G ( 2)管线钢的包辛格效应 Europipe 介绍9管道用的钢板或板卷在制管后发生屈服强度的改变9除了与包辛格效应有关外9还与成形过程中的加工硬化有关9最终的屈服强度值是取决于两者综合结果 G 加工硬化主要受材料拉伸曲线形状的影响 G 如果板材拉伸曲线为连续屈服时9制成管材后的 OS 要比用有屈服平台拉伸曲线的板材制造的管材为高 G 加工硬化的程度与金属的组织状态有关 G X80 的贝氏体组织位错密度大9其加工硬化的效果显著 G Welland 特别强调 X80 板材具有针状铁素体显微组织的重要性9可使扩径后的钢管屈服强度较高 G 在 Welland 的具体条件下9Stelco 生产的 X70 钢板的最小 OS 只要达到 441MPa 就可以使焊管的 OS 达到 API 5L 规定的 483MPa 的要求 G X80~ X90~ X100 应力应变曲线如图 9 所示 G ( 3)抗 ~IC管线钢的生产现状解决抗 ~IC 管线钢的策略是钢的纯净度和显微组织的均匀性9其主要措施是2 高钢级的含碳量 0. 06 9硫含量 0. 001 9 磷含量 0. 001 9氧含量 0. 002 9并采取微合金化 ~真空脱气+CaSi~ 连铸过程的轻压下 ~ 多阶段的热机械轧制以及多功能的间歇加速冷却等工艺 G 31 第 23 卷第 3 期黄志潜2国外输气管道技术的发展现状和几点建议图 9 X80~ X90~ X100 应力应变曲线 Europipe 在 pH= 3 的条件下抗 HIC X65 管线钢的最大厚度为 35mm X70 为 25mm Europipe 在 1991~ 1999 年 7 月底共生产 544 万吨钢管其中抗 HIC 钢管 104 万吨占 19. 25% 在抗 HIC 钢管中 X65 占 72. 21% X60 占 26. 44% X52 为 1. 28% B 级为 0. 07% 抗 HIC的 X70 虽然具备生产的能力但尚无订货 ( 4D管线钢力学性能的控制水平欧洲钢管公司的几个具有代表性钢级的力学性能见表 13 Europipe 钢板的强度性能十分稳定 X60 和 X65 的屈服强度和抗张强度最大波动值可在 54Mpa 范围内当强度级别提高时其强度波动值随钢级的增大而变大 X70 的屈服强度和抗张强度波动值均为 70Mpa; X80 的屈服强度波动值为 80Mpa 抗张强度波动值则为 110Mpa 冲击韧性值随强度值的提高而减小但 X80 表 13 欧洲钢管公司的几个具有代表性钢级的力学性能钢级板厚 (mmD 60. 5 (MpaD 6b (MpaD CVN ( JD X65 28. 7 470~ 520 540~ 590 - X65 31. 3 470~ 520 540~ 590 150~ 330 X65 (HICD 25. 4 483~ 537 547~ 593 370~ 440 X70 17. 8 490~ 560 620~ 690 - X80 - 585~ 665 695~ 800 595~ 275 按 DIN50125 规定在焊管母材部位切取的圆棒试样结果的最低冲击韧性值仍能达到 95J 以上抗 HIC 管线钢的冲击韧性值则大大高于非抗 HIC 管线钢且其波动值也小仅为 70J 而非抗 HIC管线钢的波动值则达到 180J 7 先进的设计施工技术提高了输气管道的经济效益 41 焊管 2000 年 5 月 ( 1)采用高压输送高压输送降低了输送能耗;降低了钢材消耗;降低了压缩能耗 O 据意大利 Snamprogetti 1998 年的一项计算机仿真结果,一条 5000km~ 年输气量 300 亿 m3~ 管径G1422mm 的假想天然气管道,采用高压输送的经济效果为: 当压力为 7. 5Mpa~ 材料为 X70 时, 单位输气总成本为 100% , 压力为 14Mpa~ 材料为 X80 时, 单位输气总成本为 68. 4% , 可节省总投资 31. 6% O 该案例经济分析的主要结论为高压输送管道投资与低压输送管道相近,但燃料消耗降低,使总费用下降 O 在该项目的具体条件下,压力提高超过 14Mpa 经济上不可取 O 在该项目的具体条件下,年输量小于 150 亿 m3,经济上没有优势 O 低输量下高压输送与低压输送的其他运行费用相近 O 高压输送系统的可靠性更高 O 高压输送带来的经济效益根据 TranS anada 在 Oil GaS ]our- nal, ]an, 1999 提供的一项资料表明,高压输送带来的经济效益,如图 10 所示 O 图 10 高压输送的经济效益 ( 2)采用富气输送富气输送使压缩站所需功率下降; 富气输送还省去进入管道前分离乙烷 ~丙烷 ~丁烷的花费和输送液化石油气到最终用户的费用 O Alliance 管道输送的富气, 在压力为 12Mpa 的条件下,其 2~ 5+的含量由普通管道天然气的 4. 6%提高到 12. 13% ,其可压缩系数由 0. 83 下降到 0. 78, 可以节省压缩能量 6. 1% O Alliance 管道在额定工况下采用富气输送对节能和增加流量带来的好处,如图 11 所示 O 图 11 富气输送与流量和能量的关系 ( 3)提高钢级随着冶金技术,特别是铁水预处理 ~炉外精炼 ~ 控轧控冷等技术的发展,低成本 ~ 高强度 ~高韧性管线钢技术已经成熟 O 一般情况下,钢管费用占整个管道投资的 25%~30% O Europipe 公司介绍,同样输气量下, 材料由 X70 改用为 X80, 可因壁厚减小降低材料成本 7%左右 O 全长 250 km 的鲁尔输气管道因此节省了 2 万吨钢管 O 建议拟议中的西气东输管道 ~ 中俄 ~ 中土 ~ 中哈等大口径输气管道在进行方案设计时,应选择不同输送压力和不同钢级的组合进行比较 O 以获得最佳的安全性和经济性 O ( 4)合理选用最大管径加拿大和德国专家一致认为合理最大管径不要超过 48in( 1220mm) O 在高压输送工艺下, G48in 以下管径一般情况下已可满足天然气输量要求 O 与 G56in管径相比, 可大幅度降低钢材消耗 O -51-第 23 卷第 3 期黄志潜:国外输气管道技术的发展现状和几点建议 48in以下管径为标准化的尺寸 ~ 主要管道设备 ~ 施工机具等不必另行设计 ~ 可节省投资 O ( 5)设计中采用新的设计准则和安全系数按照断裂力学设计准则设计的结果 ~ 允许缺陷的尺度要比许用应力法设计的结果更大 O在确保安全的前提下降低了钢管制造 ~现场施工和管道运营过程中的废品率和返修率 O 美国标准规定管道最大许用应力为钢材屈服强度的 72% ~ 而加拿大为 80% O 因此 Alliance 管道在美国境内壁厚为 0. 622in ( 15. 8mm ) ~ 加拿大境内则为 0. 56in ( 14. 3mm) O为此美国境内 1428km 管道多消耗钢材 55~ 700t O ( 6)合理选择钢管种类加拿大全国有输油 ~输气管道 25 万 km~ 所用管材除少量直缝管外 ~ 绝大部分是国产螺旋埋弧焊钢管 O 加拿大大量应用螺旋焊管的主要原因: .加拿大的制管设备以螺旋焊管为主 O 使用国产钢管可节省大量运费 O 用热轧卷板作为原料其制造成本也略低 O .在现有设备基础上不断研究开发 ~ 获得了领先世界的螺旋焊管生产技术 O .投入大量资金进行螺旋焊管应用安全性研究 ~ 特别是腐蚀 ~开裂 ~止裂的研究 ~ 形成了一整套螺旋焊管安全使用理论 O .合理选择钢管种类 ~ 对于河流跨越 ~公路穿越等特殊地段 ~ 采用厚壁直缝埋弧焊管 ~ 既节省成本 ~ 又保证安全运行 O .加拿大制管设备情况与中国相似 ~ 其经验值得学习和借鉴 O ( 7)管子内涂层 Alliance 管道全部用环氧基涂料内涂层 O 可减少流体运动时与管壁的摩阻 7%* 14% ~ 降低输气能耗 O ( 8)环焊缝采用全自动气体保护焊及超声波自动探伤仪 Alliance 管道现场对接采用自动气体保护焊 ~ 焊后进行超声波自动探伤 O同手工焊与 X 光检查相比 ~ 生产效率大大提高 ~ 质量也更有保证 O Alliance 管道的一个施工现场 ~ 有两个施工队 O 每个施工队有 10 台焊机 ~ 20 名焊工 ~ 加辅助工共 90 人 O 每天可以焊 75*80 个焊口 O 按每根管长 24m 计 ~ 每队每天可完成 1. 8*1. 92km管道 O 8 我国管线钢及钢管的生产应用现状 ( 1)我国输气管道概况我国现已建成的输气管道总长度约 10040km~ 输气压力均在 6. 4Mpa 以下 O 表 14 给出了近几年使用国产螺旋埋弧焊钢管建设的部分输气管道 O 表 14 近几年使用国产螺旋埋弧焊钢管建设的部分输气管道概况管线名称管线规格 (mm) 钢级输送介质工作压力 (Mpa) 长度 ( km) 钢管数量 ( t) 建设时间 (年) 塔轮线 426> 7( > 8) X52 天然气 6. 4 300 21900 1995 鄯乌线 457> 6( > 7) X52 天然气 6. 4 320 22000 1996 靖西线 426> 7( > 8) X52 天然气 6. 4 480 30000 1997 靖银线 426> 7( > 8) X52 天然气 6. 4 340 23000 1997 陕京线 660> 7. 1( > 8. 1) X60 天然气 6. 3 780 89000 1996 注:陕京线使用了部分进口直缝埋弧焊钢管 61 焊管 2000 年 5 月 ( 2D管线钢及钢管的生产水平 .生产能力国内热轧板卷生产企业已有能力大批量提供高强度 ~ 高韧性管线钢0 年供货能力 70 ~ 80 万吨, 其中 X60 以上钢级可达 40~ 50 万吨/a0 X65 级以下钢材已大量出口0 CNPC 下属 4 个钢管厂年生产大口径 API spec 5L 标准系列螺旋焊管能力可达 40 万吨0 两大石油集团公司 6 个制管厂经改造后年产大口径 API 标准螺旋焊管能力可达 70 万吨0 苏丹输油管道是大规模使用国产高钢级钢管的代表0全长 1500km,钢级 X65,输送压力达 9. 3MPa0 .高强度 ~高韧性管线钢及钢管的开发经过冶金和制管行业多年努力,我国控轧卷板技术和高强度 ~ 高韧性螺旋埋弧焊管技术有了突破性进展0 已形成了中国 X70 级以下管线钢板卷及油气输送管道用螺旋埋弧焊管系列产品,各项指标达到国外直缝埋弧焊管的质量标准0 采用微合金化控轧钢板,通过焊丝 ~焊剂的工艺匹配,使钢管提高了强度和韧性,并具有良好焊接性能0 目前国产管线钢碳当量可控制在 0. 36%以下, 碳可控制在 0. 10%以下,硫可控制到 0. 004%以下0 .国产螺旋埋弧焊接钢管的质量水平石油管材研究所近年来对各长输管线引进的 UOE 焊管和国产螺旋焊管进行了跟踪取样和分析评估,得出以下基本结论0 国产螺旋埋弧焊管的机械性能与自日本 ~美国引进的 UOE 管处于同一水平0 国产螺旋埋弧焊管焊缝金属的平均硬度和母材平均硬度之差均在 23Hv10 以下, 硬度和硬度差值均小于 UOE 管0 试验表明在强度方面,国产螺旋焊管达到了进口 UOE 直缝管水平, 且焊缝强度与母材相匹配0爆破实验大多在母材破坏,也与上述结论吻合0 国产螺旋焊管无论是管体横向还是焊缝 ~热影响区的夏比冲击功都很高,且三者数值接近, 焊缝冲击韧性超过对比 UOE 管水平0 国产螺旋焊管管体横向 ~ 焊缝以及热影响区的断口形貌转化温度 FATT 值也较进口 UOE 管为低,而且数值均匀,管子有较高的可靠性0 采用环切法检测弹复量,国产螺旋焊管的残余应力水平与日本某厂 UOE 直缝管相当,并优于美国某厂 UOE 管的水平0 ( 4D我国管线钢及钢管技术的差距我国输气管道最大直径为 660 > 7. 1mm; 输油管道最大直径 711 > 10. 72mm0而西气东输管道 ~ 拟议中的跨国输气管道直径很可能大于 1m, 壁厚可能达 16mm0 现有输气管道最高钢级为 X60;输油管道最高钢级 X650而西气东输管道 ~拟议中的跨国输气管道有可能选用 X700 现有输气管道最大工作压力为 6. 4MPa; 输油管道 9. 3MPa0国外大型输气管道已达 12MPa0 我国 ' 西气东输 ' 管道 ~ 拟议中的跨国输气管道的压力有可能提高到 10MPa0 我国还没有生产过抗 HIC 的 X52~X70 管线钢;国外已成系列0 ( 5D今后的任务 .冶金和钢管制造业要迅速作好大批量生产大直径 ( ~ 1420mm D ~ 大壁厚 ( ~ 16mmD ~高钢级( X65~ X70D ~高韧性螺旋焊管的技术准备0 .加速建设能批量生产大直径 ~大壁厚 ~ 高钢级 ~ 高韧性直缝焊管及其所需的中厚板的生产能力0 .发展 X52~ X65 抗 HIC 管线钢的生产工艺技术及系列产品0 .积极开发更高钢级的管线钢及钢管0 应努力开发 X80 级管线钢及钢管的成套工艺技术和产品,作为长远发展的技术储备0 71 第 23 卷第 3 期黄志潜:国外输气管道技术的发展现状和几点建议 6)国产管线钢和钢管的实物水平我国已解决了管线钢及钢管的生产工艺技术但迄今尚无在油气输送管道上的应用业绩我国开发的高韧性级管线钢及钢管已于年通过了国家级验收该八五国家重点企业技术开发项目石油天然气输送管线用焊管获年国家科技进步二等奖在开发期间宝钢共试制板卷炉另从日本进口卷板宝鸡石油钢管厂生产了直径的钢管共多吨开发了有自主产权的高韧性焊丝筛选了 S 等焊剂不同研究机构的试验表明国产级高韧性螺旋埋弧焊管其化学成分机械性能拉伸弯曲强度) 冲击韧性均达到 API L 和 B 标准的要求已达到了国外 UOE 钢管和螺旋埋弧焊钢管的实物水平我国制管厂已有能力批量生产螺旋焊管当前需要建设输气管道的试验段取得经验和积累业绩作好为大型输气管道提供管材的准备主要结论与建议 )主要结论高压输送和高密度输送技术是当今国际大流量输气管道技术的发展趋势可为大型天然气管道项目带来可观的效益并将对管道设计管线钢和钢管制造管道施工管道运行等产生巨大影响高压输送和高密度输送要求采用高强度高韧性的管线钢目前国外输送不含 S 的天然气的大口径管道首选钢级以为主对采用钢级的认识还不尽相同国外用于含 S 的天然气管道的管线钢与不含 S的天然气管道钢材不同目前已能供应级抗 I 管线钢板但实际管道中输气多用 6 输油多用 6 我国目前拟议中的西气东输管道和跨国输气管道年输气量多为 ~s 亿 s 适合采用高压输送高钢级螺旋焊管在加拿大已经在高压大口径输气管道上成功地应用在非腐蚀性环境下螺旋与直缝埋弧焊管这两种钢管的选用无特别差异与此相反在德国却普遍采用了直缝埋弧焊管在高压输气管道上使用何种钢管主要取决于钢管是否满足管道技术要求经济上的对比以及国家制管业的现状实际上经济因素是决定性的管道施工在预热对口内焊外焊补口超声波探伤等方面已经形成了一套完整而有效的机械化施工工艺尤其是环焊缝采用机械化焊接装置后就可以采用超声波自动探伤装置检查焊缝质量无需再采用射线检查和拍片大大提高了施工效率高钢级管线钢的拉伸变形曲线具有连续屈服的

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国外输气管道技术的发展现状和几点建议

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