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
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
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
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
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
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
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
混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载
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
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
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