燃气工程常用材料与设备

燃气工程常用材料与设备——管材一、输气管线对材质的要求

输气管线用钢除必须满足强度要求(力学性能)和可焊性外，还需根据环境温度、管径大小、输送压力及输送介质的腐蚀性等条件，考虑钢材的冲击韧性、韧脆转变温度和耐腐蚀性能。

(一)力学性能

衡量钢材力学性能的主要指标有抗拉强度、屈服限、伸长率等。

1．抗拉强度

钢的抗拉强度是指钢材在拉伸试验中，试样在拉断时对应的最大应力，用σb表示，单位为MPa。同一种钢的不同试件测定出的抗拉应力略有差异，标准中提供的抗拉强度是指该钢种最低抗拉强度值。我国常用管材抗拉强度在330～515MPa之间，见表3—1—1。

2．屈服强度

钢的屈服强度是指钢在拉伸试验中，试样拉伸变形，当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力，用σs表示，单位为MPa。同钢种的不同试件测出的最小屈服应力略有差异，标准给定的屈服强度是该钢种的最小屈服应力(保证值)。屈服强度是强度计算的根本数据。我国常用管线用钢的屈服强度在205～415MPa之间。

3．伸长率

伸长率又称断后伸长率，是对钢的塑性的一种度量，伸长率是钢在拉伸试验时，试样被拉断后，标距的伸长与原标距的百分比。钢的屈服强度愈低，那么伸长率愈大，标志钢的塑性愈好。伸长率大的钢材制管成型好，易于焊接加工。

常用国产管材的伸长率一般均大于20％。常见国产管材的力学性能见表3—l—1。

钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决定的。输气管线选材时，应选用屈服强度较高的钢种，以减少钢的用量。但并非屈服强度越高越好。屈服强度太高会降低钢的韧性。在选用钢种时，还应考虑钢的屈服强度与抗拉强度的比例关系——屈强比，一般输气管线用钢的屈强比不宜大于0．85。同一种钢材，虽然最低屈服强度满足了规定要求，但假设不限定最大抗拉应力值，那么往往同种管材性能差异很大，影响焊接性能和质量。抗拉强度与标准规定值超过太多的钢韧性降低、延伸率降低，影响制管成形质量；并且给焊接工艺和焊料选择都带来困难，使焊接性能不稳定，焊口韧性降低。因此，在确定管材的技术条件时，除了要求屈服强度、抗拉强度外，对抗拉应力的高限应给以适当限定。以保证钢管的焊接性能。表3—1—1常用管材的力学性能标准钢种等级最低抗拉强度最低屈服强度伸率δ50①②,％可比拟的API标准钢种GB81631033520524A2039024520B06MnV43029522X4216Mn49032521X46GB9711

SY5297S20533020531～35AS24041524025～28BS29041529025～28X42S31543531524～27X46S36045536023～26X52S38549038522～24X56S41551541521～23X60S45053045020～23X65S48056548019～21X70①标准为50mm时，伸长率δ50最小值按下式计算

式中A——拉伸试样横截面面积，mm2；

σb——母材最低抗拉强度，MPa。

各种不同厚度不同钢种拉伸试样的伸长率最小值见SY5297-91附录B。

②表列的数据为宽38mm，厚为6～10mm试样的伸长率。厚度小的取小值，厚度大的取大值，中间值可内插。

4．试件取样

管材的力学性能是强度计算的依据，试件的取样必须能代表管子的力学性能。因此试验取样应在每炉钢制成的管子上切取。API5L和GB9711等钢管标准都有取样规定。实践证明，同钢级的钢，钢板上取样和管子上取样的力学性能差异较大，这是由于钢板在生产和制管过程中会经过屡次冷变形而引起的。钢在经反复拉伸压缩后，力学性能会发生变化，强度降低，严重的降低15％，这就是常说的鲍辛格效应。在订购制管用钢板时必须考虑这一因素，可采取在该级别钢的最小屈服强度的根底上提高40～50MPa的方法。

(二)断裂韧性

管线断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂是在过大拉应力和裂纹缺陷同时存在的条件下，由细小的裂纹逐渐扩展而最终造成的断裂。韧性断裂又称剪切断裂，其断裂断面特征是呈暗灰色纤维状。脆性断裂又称解理断裂，它是由低温，应力和裂纹缺陷三种条件共同作用造成的，其断裂常在远低于钢材屈服应力条件下突然发生，断裂后的断裂面呈发亮的结晶状。对于高强度、厚壁、韧性低的管材在低温、高应力使用条件下容易发生断裂。为了防止管线在工作条件下断裂，可从消除管线裂纹缺陷，和提高钢材断裂韧性两方面入手。对于前者是属于制管和施工应注意的；后者那么是从选择管线用钢，提高钢材断裂韧性来防止管线断裂。

钢材的断裂韧性，是指含裂纹的金属材料在破断前吸收能量和塑性变形的能力。对同一使用条件下，不同钢材有不同的断裂韧性。断裂韧性与钢材的化学成分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和方向性有关。应尽可能降低钢中碳、硫、磷的含量，适当添加钒、铌、钛、镍等合金元素，采用控制轧制，控制冷却等工艺，使钢的纯度提高，材质均匀，晶粒细化，那么可以提高钢的韧性。目前冶金技术兴旺的国家在生产高强度管线用钢时，大都采用降碳增锰，减少硫、磷杂质，改变杂质形态等来提高管材的强度和韧性。比方API51标准中规定X60钢含碳量最高允许为O．26％，而实际生产中大多控制在0．1％左右，标准中还规定含碳量每降低0．01％，锰含量那么允许比规定值提高0．05％，锰含量最大可增至1．6％。在硫、磷杂质控制方面，虽然API5L标准只要求硫含量小于0．05％，磷含量小于0．04％，但生产时实际控制在0．001％左右，远小于规定的允许含量。

对于某种钢材，其断裂韧性在一定温度范围内是随使用温度的降低而降低。当温度低到某一临界温度附近时，韧性便会出现突然下降的现象。在这个温度下，钢材从韧性断裂转变为脆性断裂。这个温度称作钢材的韧脆转变温度。钢材的韧性指标通常用剪切值、冲击吸收功来衡量，采用夏比冲击试验进行测定。

管线工作温度越低，钢管工作应力越大(强度等级越高)，管径和壁厚越大，对钢材冲击韧性要求也就越高。目前这几种因素对冲击韧性影响的定量研究尚不充分，我国尚未对管线用钢韧性指标作明确规定，现将前苏联?大型管线?标准中对管材冲击韧性规定值列于表3-1-2。我国局部管线及美国阿拉斯加输气管线管材韧性规定值列于表3-1-3。

管线用钢的断裂韧性，在钢管标准中是属于合同协议试验工程，用户需要根据工程实际情况，确定是否增加断裂韧性试验，如果需要，还需确定试验方法、标准、试验温度和验收指标，并在定货合同中注明。表3-1-2原苏联长输管线用管材冲击韧性规定值公称直径mm工作压力MPa冲击韧性值σK①J/cm2(不小于)落锤撕裂试验②剪切值％(不小于)<500-500～600-700～80050100050100060100060120060

70

1080140080140085

①试验温度为-40℃，试样按гOCT9454-78中11—13类试样加工，壁厚等于大于lOmm者，试样高75mm；

②对输送液态产品的管线，不提出剪切值要求。表3-1-2国内外局部工程管材韧性规定最小值

强度等级试验温度,℃夏比冲击功，J剪切面积，％平均最小平均最小靖西管线工程φ426X52-3020159070陕京输气管线工程φ660X60-4050389080西北输油管道工程φ610X52035289080

X60042329585

X65048389585阿拉斯加管线φ1066X70-55441

85φ762X70-54030

85

(三)焊接性能

钢的可焊性指被焊钢材在一定的焊接工艺方法、工艺参数及结构形式的条件下，能获得可靠焊接的难易程度。钢的可焊性是相对的，主要取决于钢的化学成分。对钢的可焊性影响最大的合金元素是碳，其他合金元素的影响可以把它折算成与其等般作用的附加碳来估算。

1．碳当量

把钢中合金总含量换算成对可焊性有相同影响的碳的数量称碳当量，符合为CE。碳当量的计算方法较多，国际焊接协会(IIW)用来判定产生延迟裂纹(也称冷裂纹)倾向的碳当量计算式如下

式中C(碳)、V(钒)、Mn(锰)、Cu(铜)、Cr(铬)、Ni(镍)、Mo(钼)均以各种成分含量的重量百分数表示，其中钒的百分含量中尚可包括铌、钛的百分含量。

在钢管的一般焊接条件下，焊口是快速冷却的，钢的硬化，尤其在紧靠焊缝受热影响的粗粒区内，焊接会对这些成分产生影响。公式中分母数值提供了关于焊口及其热影响区内金属硬化方面各元素的含量起作用的程度。

当需要较精确地计算钢中各种成分对焊接性能影响时，推荐采用CNE％计算

式中A(C)具体取值如下所示：C,％0A(C)

一般认为，碳钢的碳含量小于0．25％，合金钢的碳含量小于0．45％，焊接性能良好。

2．各种成分对焊接性能的影响

钢管的可焊性与管材的化学成分密切相关，尤以碳、锰含量影响最大。

(1)碳：碳对钢和焊缝金属的作用是提高强度和硬度，降低塑性和韧性。含碳量增加，钢的可焊性降低。含碳量愈高，焊接时碳和氧发生反响而生成一氧化碳的时机越多，在焊缝的熔合区和熔合线上更容易产生气孔。

(2)锰：锰是炼钢的良好脱氧剂和脱硫剂，在钢中参加一定数量的锰，能消除或减弱钢因硫所引起的热脆性，提高钢的强度。但锰能使钢提高淬透性，对焊接性能有不利影响。为了改善钢的焊接性能，应适当降低钢中碳的含量，焊接时可采用低氢型焊条和相应焊接工艺。

(3)镍：镍能使钢改善低温韧性和提高淬透性，并具有较高的抗腐蚀能力。

(4)铬：能提高钢的耐腐蚀能力、抗氧化能力、耐高温性、淬透性及材料的耐磨性能，加大焊缝热影区的硬度。

(5)铌、钒、钛：添加在碳锰低合金钢中，经控制轧制和控制冷却可以提高钢的强度，细化晶粒，改善可焊性和韧性。

(6)磷、硫：在各类钢中均属有害杂质，它会降低钢的塑性、韧性和可焊性。

(四)抗腐蚀性能

长距离输气管道要求天然气必须经净化处理，脱除硫化氢和水。在输送净化天然气的条件下，不考虑管材的内壁防蚀。只有在输送的天然气既含水又含硫化物的条件下，才考虑管材的抗硫化物应力开裂。

目前抗硫化物应力开裂的主要方法是选用低碳钢和焊缝经热处理消除应力，控制硬度不超过200HB。常用的国产抗硫化物应力开裂的钢种有Q235，10，15，20，09MnV等钢种。至今，还没有抗化学腐蚀的输气管道用钢，在有化学腐蚀的条件下一般是采用增加腐蚀裕量或输气管采用内涂层来解决。

(五)寒冷地带的管材选择

所谓寒冷地带，一般指最低月平均温度低于-20％的地区。当采用低温输送工艺时，应按最低输送温度计算。由于钢的韧性随温度降低而下降，当低于钢的韧脆转变温度时，管线会产生脆性断裂。寒冷地区管材的选择主要根据最低使用温度，选用钢种的韧脆转变温度必须低于最低使用温度，钢的冲击吸收功必须大于一定的值。不同强度等级的钢，要求的冲击吸收功的最小值不同。不同的使用温度，对冲击吸收功的最小值要求也不相同。国内管材低温条件下使用的冲击吸收功最小值尚无标准规定。低温压力容器用钢在最低设计温度下冲击吸收功最低规定值见表3—1—4。低温用钢的冲击吸收功试验方法按GB45159—84?金属低温夏比冲击试验方法?规定，冲击试样缺口按GB2106?金属(V型缺口)夏比冲击试验方法?规定的标准试件加工。表3—1—4压力窖器用钢低温夏比(v型缺口)冲击试验最低冲击功规定值钢材最低抗拉强度σb

MPa三个试样的冲击功平均值Akv,J100mm×10mm×55mm5mm×10mm×55mm≤450189>450～≤5152010>515～<6552714

①试验温度下三个试样的冲击功平均值不得低于表3—15的规定，其中单个试样冲击功可以小于平均值，但不得小于平均值的70％；

②试验温度为最低设计温度。

前苏联由于在寒冷地区建设天然气管道工程较多，其管线建设标准中对于钢管的低温韧性作了规定。当使用温度不低于-40℃时，冲击韧性规定值见表3—1—2；当工作温度在-40℃～-60℃时，钢管的冲击韧性规定值见表3—1—5。表3—1—5还适用于虽然工作温度不低-40℃，但壁厚较厚时，其冲击韧性规定值也应按表中规定选取。表3—1—5使用温度不低于-60℃条件下钢管韧性规定值公称壁厚mm冲击韧性规定值不小于,J/cm2管子母材连接件母材焊接接头6～1010～1515～254939.4(管子焊接接头)

29.4(连接件焊接接头)25～3030～45/49

二、钢管的种类及标准

(一)钢管的种类

1．无缝钢管

采用热加工的方法制造的不带焊缝的钢管称为无缝钢管。根据需要，有的无缝钢管还经冷精整和热处理加工成所要求的形状、尺寸和性能。我国将无缝钢管按不同用途分为输送流体用无缝钢管(GB8163—87)、高压锅炉无缝钢管(GB5310—85)、化肥设备用高压无缝钢管(GB6479—86)、石油裂化用无缝钢管(GB9948—88)等。按制造工艺又可分为热轧、热扩、冷拨无缝钢管。

2．焊接钢管

采用钢板(带)经常温(或加热)成型，然后在成型边缘进行焊接而制成的钢管称焊接钢管。按焊接方式可分为连续炉焊、电阻焊、埋弧焊和金属极气体保护电弧焊。

焊接钢管中按成型方法可分为螺旋焊缝钢管和直焊缝钢管。我国生产用于天然气输送用管有螺旋缝埋弧焊钢管、直缝电阻焊钢管。

螺旋焊缝钢管采用钢带经螺旋形卷制成形，然后焊接而成，与直缝管相比，钢管的直径和长度调整容易。可以用较窄的钢带卷制较大直径的钢管，就钢管主应力来讲，螺旋焊缝方向与带钢轧制方向根本一致，从受力状态分析，螺旋缝管较直缝管有利，但焊缝比直缝管焊缝长，焊缝质量不如直缝管好控制。我国由于螺旋焊缝钢管生产历史较长，输气管线的大口径钢管几乎全部采用螺旋焊缝管。90年代初，宝鸡石油钢管厂引进了德国直缝电阻焊制管机组，开始生产直缝电阻焊钢管，质量也不断提高，已开始用于输气管线上。

(二)钢管标准

1．国内钢管标准

石油天然气输送用钢管的常用钢管标准分无缝钢管标准和焊接钢管标准。

(1)无缝钢管标准：天然气输送用无缝钢管标准是?流体输送用热轧无缝钢管?(GB8163—87)，该标准中管子直径范围为φ168mm～φ630mm，壁厚完全可以满足输气管线的需要，标准中规定的管于直径偏差和壁厚偏差要求和国际标准根本一致。由于制管厂的设备制造工艺技术限制，在口径较大的管子规格上，壁厚偏差还不能完全到达标准的规定，因此钢管厂还不能完全接受按GB8163—87标准定货，因此，许多工程中仍然采用其他用途的钢管代用。天然气输送用无缝钢管常用钢号为10号、15号、20号，其化学成分见表3—1—6。

(2)螺旋焊缝钢管标准：我国天然气输送用管多项选择用螺旋缝焊缝钢管，现行标准是?石油天然气输送用螺旋埋弧焊钢管?(GB9711—88)，其直径规格为φ323．9～φ2200mmm，标准中的各项技术要求接近或到达国际上通用的API5L标准。各制管厂目前的生产能力除沙市钢管厂可生产φ1520mm的以外，其余各厂均只能到φ920mm。在输送压力较低，要求不高的地方，还有采用原石油部标准?承压流体输送用螺旋埋弧焊钢管?(SY5036—83)。螺旋焊缝钢管的钢号常用的有Q235，10，20，S360，S415等。各种钢的化学成分见表3—1—7。

(3)直缝电阻焊钢管标准：近年，宝鸡石油钢管厂从国外引进了直缝电阻焊钢管的制管机组，生产出直缝电阻焊钢管，同时也制定了石油行业标准?石油天然气输送管道用直缝电阻焊钢管?(SY5297—91)。该标准中钢管直径从φ114到φ7llmm，壁厚为14mm。目前引进机组的生产能力只能到φ426mm。制管用钢和螺旋缝钢管相同。直缝管由于焊缝比螺旋管焊缝短，且可以外表加工。焊缝质量好的直缝钢管可以代替无缝钢管，并具有直径偏差和壁厚偏差小，可选用高强度低合金钢制造，因此，可保证工程中焊接对口质量和减少钢材用量，很有推广应用前途。

2．国外标准

国外天然气输送管道用钢管标准中最全，用得最广泛的是美国石油学会标准APISPEC5L?管线钢管?，该标准中管线用钢管包括无缝钢管和焊接钢管。焊接钢管中又分直缝电阻焊，直缝埋弧焊，螺旋缝埋弧焊钢管等。我国石油天然气输送用管标准(GB9711和SY5297)已和APISPEC5L标准靠拢。

日本和德国等工业兴旺国家都有长输管道用钢管标准，各国标准对照见表3—1—7，美、日、德管线钢管常用钢种的化学成分和力学性能见表3—1—8和表3—1—9。表3-1-6国产常用钢的力学性能及化学成分表钢种力学性能化学成分，％

抗拉强度N/mm3(不小于)屈服强度N/mm2(不小于)伸长率δ50,％V型冲击功JCMnSiS(不小于)P(不小于)NiCrCuQ19531519533

B1AQ215A33521531

A2Q235A37523526

A3Q235B≥27

C3Q235C≥27

Q235D≥28

Q255A41025524

1033520531

2041024525

16mN51034522

NbVTi

09MnV43029523

S205330205

≥27(0℃)可添加钒、铌、钛三种中的一种或三种的任一组合

S240415240

S290435290

S315455315

S360490360≥31(0℃)

S358515385

S415415

表3-1-7国内外长输管线用钢管标准对照表国别无缝钢管直缝钢管螺旋缝钢管中国GB8163-87SY5297-91GB9711-88美国APISPEC5L日本JISG3454JISG3455

德国NIN1629DIN17172前苏联гOCT8731-8734rOCT20295

表3-1-8美、日、德管道常用钢种的力学性能强度等级供货条件最低屈服强度N/mm2(不小于)抗拉强度N/mm2(不小于)断裂延伸率δ50,％(最小)缺口冲击韧性J(最小)

APIJIS

DI4402647/27①

GradeA

APISpec5L207≥331②-

STS38JISG3454216≥37325

STPG38JISG3455216≥37325

DIN1626235350～48025-

DI4902447/27①

GradeB

APISpec5L241≥413

-

STPG42JISG3454245≥41220-

STS42JISG3455245≥41220-

DIN1629275③420～55021-StE

DI5402347/27①StE

DI5402347/27①

X42

APISpec5L289≤413

-

STS49JIsG3455275≥48120

StE

DI5802147/27①StETM

DI5802147/27①

X46

APISpec5L317≤434②-

DIN1626355③500～65021-StE

DI6302047/27①

X52TS52KAPI⑤Spec5L358≤410④②-StE

DI6801947/31①StETM

DI6801947/31①

X56

APIspec5L386486①②-StE

DI7001847/31①StETM

DI7001847/31①

X60

APISpec5L413517④②-StETM

DI7101847/31①

X65

APISpec5L448531④②-StETM

DI7501847/31①

X70

APISpec5L482565②-

X80

APISpec5L551655～862②-

①纵向试样/横向试样；不管纵向还是横向试样都依赖于尺寸大小；

②依赖于试验的值(对照API表)；

③壁厚只到10mm；

④只对Da<508mm的管子以及对Da≥508mm和壁厚>的管子，对Da≥508mm的和壁厚≤的管子见API；

⑤TS52K为日本对我国供货双方协定标准，相似于我国16Mn钢，其化学成分(％)：C0.18，Si0.2～0.55，MN1.2～1.5，P、S不在于0.03。表3-1-9美、日、德管道常用钢种的化学成分钢种供货条件化学成分，％C(最高)SiMnP(最高)S(最高)V+No+TiVDIN17171GradeAAPISpec5LSTPG38JISG3454STS38JISG3455DIN1626StEDIN17172TradeBAPISpec5LSTPG42JISG3454STS42JISG3455DIN1626⑥StEDIN17172StEDIN17172X42APISpec5①STS49JISG3455StEDIN17172StEDIN17172X46APISpec5L②③DIN1626⑥DIN1629⑥StEDIN17172X52APISpec5L②③StEDIN17172StEDIN17172⑤X56APISpec5LStEDIN17172StEDIN17172⑤X60APISpec5LstEDIN17172⑤X65④APISpec5LStEDIN17172⑤X70④APISpec5LX80APISpec5L

①适用于无缝管：C=0.29％；

②数值仅适用于焊接的非伸张的管子，对焊缝的、冷伸张的C≤0.28％，对无缝的、冷伸张的C≤0.29％，对无缝的