管道建设基本知识.ppt

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1、管道建设基本知识,P2,主要内容,二、管道建设的程序,五、土力学、水工保护、爆破,一、目前我国管道建设的发展趋势,四、制管、防腐,三、管线钢,六、管道干线施工,七、穿跨越,P3,主要内容,九、管道投产,八、站场施工,十一、国外管道施工,十、储罐基础与球罐施工,一、目前我国管道建设的发展趋势,P5,一、目前我国管道建设的发展趋势,1995年至今建设的主要输油管道,P6,一、目前我国管道建设的发展趋势,1995年至今建设的主要输气管道,P7,一、目前我国管道建设的发展趋势,大口径 从457mm、610mm、660mm、711mm、到西气东输和陕京二线的1016mm。,P8,一、目前我国管道建设的发

2、展趋势,高压力 从4.0MPa，6.3MPa，7.0MPa到10MPa。高强度管线材质 从X52、X60、X65到西气东输的X70及冀宁联络线的局部X80管材试用。,P9,一、目前我国管道建设的发展趋势,网络化 管线经历了点到点，点到线，点到面的发展过程，正在朝着全国输气管道大连网的方向发展。趋于完善的配套储气库设施 已相继建成大港储气库群，正在建设金坛、华北、刘庄储气库和多个沿海LNG接受站，天然气管网的配套调峰储气设施日趋完善。,P10,一、目前我国管道建设的发展趋势,GIS技术在管道中的应用 国内虽已在西气东输、冀宁联络线等管线上应用了该项技术，但还有待进一步全面开发应用。,P11,一、

3、目前我国管道建设的发展趋势,果子沟难点段,P12,一、目前我国管道建设的发展趋势,果子沟难点段,P13,一、目前我国管道建设的发展趋势,果子沟难点段,P14,一、目前我国管道建设的发展趋势,二、管道建设的程序,P16,二、管道建设的程序,一项工程从开始到结束，往往要经过如下四个阶段：项目决策审批阶段；项目组织、计划与设计阶段；项目施工建设阶段；项目竣工验收及投产阶段。,P17,二、管道建设的程序,项目决策审批阶段包括项目建议书、可行性研究、核准、融资等；项目组织、计划与设计阶段包括初步设计、施工图设计、项目招投标及承包商的选定、项目合同签订、项目总体计划的制定、项目征地及建设条件的准备等；项目

4、施工建设阶段的大部分工作由施工总承包商组织实施，业主委托监理进行全过程工期、质量、投资三大控制；项目竣工验收及投产阶段包括项目竣工验收及组织投产、组织新的销售网络等。,P18,二、管道建设的程序,（一）预可行性研究 预可行性研究是对本工程从上游资源、市场、管道线路、管道技术和经济等方面开展的初步选择研究。（二）可行性研究 可行性研究是依据正式批准的项目建议书、资源储量报告、气田开发方案和测算的开发成本、市场调查研究报告（包括草签的供气意向协议和照付不议合同等）、管道环境影响和劳动安全卫生评价报告书、管道沿线主干断裂活动性和地震烈度及灾害性工程地质等专题研究报告，对管道投资项目的地位、作用、技术

5、、经济进行全面、系统、深入和主要方面进行方案比选并推荐最佳方案。为编制和报批项目设计任务书提供重要依据。,P19,二、管道建设的程序,工程可行性研究主要内容包括：1、总论：编制依据、研究目的和范围、编制原则、遵循的标准规范、总体技术水平、研究结论、存在问题和建议；2、气源：气源概况、天然气性质；3、市场：市场调查、市场分析及预测、天然气分配及流向；4、管道线路：线路走向方案、线路走向推荐方案、管道穿跨越、管道防腐线路用管等；5、输气、输油工艺：包括工艺参数选择、工艺计算、方案优化、站场设置、主要设备选型等；6、配套设施：包括自动控制、供电、通讯系统以及其他给排水、消防等公用设施；,P20,二、

6、管道建设的程序,7、节能：综合能耗分析、节能措施等8、环保与劳动安全卫生：项目的环境影响分析、职业危害分析等；9、运营的组织机构和定员；10、项目实施进度安排；11、项目建设投资估算与资金筹措；12、项目财务国民经济评价；13、可行性研究报告结论与建议。,P21,二、管道建设的程序,在我国本工程的可行性研究还包括如下专项评价，才可以得到审批通过。1、环境影响评价2、安全、劳动、卫生评价3、地震灾害评价4、水土保持评价5、矿产压覆评价6、文物评价7、林业评价,P22,二、管道建设的程序,（三）初步设计（基本设计）初步设计是在本工程的可行性研究报告得到审批通过之后进行，本工程初步设计有如下内容：1

7、、设计的指导思想；2、设计的依据；3、线路走向及沿线地形、地质概况；4、管道工艺方案（流程、管径、压力、温度、埋深等）的选择和依据，并说明推荐方案；5、水力和热力计算结果；6、站址的确定，流程和平面布置，增压设备、原动机等设备的选型；,P23,二、管道建设的程序,7、管道敷设原则，特殊地段处理和大中型穿(跨)越方案；8、管材选择，管道的强度计算结果，热应力补偿措施；9、管道的保温、防腐绝缘和阴极保护；10、站内自动化和全线遥控、遥测方案；11、水、电、道路、通讯、建筑、暖通、机修等有关辅助设施及生活福利设施；12、设计所采用的主要新技术、新工艺的成果和经济对比；13、管线日后运营的组织机构和人

8、员编制；,P24,二、管道建设的程序,14、主要技术经济指标：每公里管道的投资(万元公里)，每公里管道的钢材消耗量(吨公里)，输送成本元（立方米公里）)；15、占地面积，改土造田支援农业的措施；16、人员健康、项目安全、环境保护（HSE）的具体方案及措施；17、工程概算；18、材料、设备汇总表；19、相应的图纸：线路走向平面图、站场平面布置图、工艺流程图、通讯系统图、各穿(跨)越工程和其它附属工程(如阴极保护、水电、机修、生活设施等)的方案图等。,P25,（四）施工图设计 初步设计批准后即可进行施工图设计，这一阶段的主要工作为：1、组织施工图阶段的勘察工作，修改或补充原初步设计。2、按批准和修

9、改后的初步设计进行线路设计和站场设计。线路设计主要包括确定各区段管子的壁厚、防腐绝缘层和保温层的结构与厚度、线路变坡与转角结构、管沟挖深、各穿(跨)越工程的结构、线路阀室等。站场设计包括站址和工艺流程的最后确定、平立面布置、各单体的安装设计与计算。,二、管道建设的程序,P26,二、管道建设的程序,3、施工图是具体施工建设的依据，必须详尽至全部工程项目的每一个需要建筑安装的部分。站场施工图要包括总平面图、竖向布置图、站内工艺管网安装图、压缩机房和阀室的平面及立面安装图及站内各配套工程设施的施工图。线路施工图主要包括管道线路平面图、纵断面图、各穿(跨)越工程的平、立面图和安装详图、线路阀室安装图、

10、阴极保护及其它附设工程的施工图。4、管道线路平面图应标明线路走向，沿线各测量桩、变坡桩、转角桩的桩号、坐标、里程、转角角度，穿(跨)越工程位置和图号，线路阀室、工艺站场位置和图号，阴极保护检查桩的桩号、位置和处理设施的图号。,P27,二、管道建设的程序,5、线路施工纵断面图是在测量提供的线路纵断面图上绘制的。图上除绘上管沟沟底高程线外，还应补充标出管沟挖深、沟底标高、管堤堤顶标高、各段的管材规格(材质、管径、壁厚)、防腐绝缘等级和保温结构、各穿(跨)越工程位置和图号等。在平面示意图上还应标明管道中心线、转角桩号及角度、弹性敷设段的长度等。6、各穿(跨)越工程的施工图主要是平面图、纵断面图、结构

11、和安装详图。7、材料、设备明细表。,P28,（五）管道选线1、基本选线原则(1)路由走向根据地形、地物、工程地质、沿线进气、供气点的地理位置以及交通运输、动力等条件经多方案比选后确定；(2)线路应尽量顺直、平缓，以缩短线路长度，并尽量减少与天然和人工障碍物交叉；(3)尽量靠近或沿现有公路敷设（按有关规范、标准规定，保持一定间距），以便于施工和管理；(4)大、中型河流穿（跨）越工程和输气站位置的选择，应符合线路总体走向。线路局部走向可根据大、中型河流穿（跨）越工程和输气站的位置进行调整；。,二、管道建设的程序,P29,二、管道建设的程序,(5)宜避开多年生经济作物区域和重要的农田基础建设设施；(

12、6)线路应尽量避开重要的军事设施、易燃易爆仓库、国家重点文物保护区；(7)考虑管道服役年限内，管道拟通过地区的可能发展变化，合理确定线位与地区等级。(8)线路应尽可能避开城镇规划区、飞机场、铁路车站、海（河）港码头、动、植物自然保护区等区域。当受条件限制需要在上述区域内通过时，必须征得主管部门同意，并采取安全保护措施。(9)除管道专用的隧道、桥梁外，管线严禁通过铁路或公路的隧道、桥梁、铁路编组站、大型客运站和变电所。,P30,二、管道建设的程序,(10)应尽量避开滑坡、崩塌、泥石流、沉陷等不良工程地质区、矿产资源区、严重危及管道安全的高烈度及地震频发地震区和大型活动断裂带。当受条件限制必须通过

13、时，应采取防护措施并选择合适位置，缩小通过距离。(11)尽量避免对自然环境和生态平衡的破坏，防止水土流失，注意有利于自然环境和生态平衡的恢复，保护沿线人文景观，使线路工程与自然环境、城市生态相协调。,P31,二、管道建设的程序,2、不同地区选线原则（1）平原地区选线-注意管线与地上、地下各类建构筑物之间的距离和交叉；-注意城镇规划、道路规划、水利规划；-注意地下采矿区的范围、矿藏顶埋深；-尽可能避开人口密集区；-城镇管线应与规划部门接洽，尽量沿城市公共管网走廊带。,P32,二、管道建设的程序,（2）水网区选线-河流水网地区管线选线，宜先在最新的大比例尺地形图上选出线路宏观走向方案，并结合遥感影

14、像图适当调整。-河流水网区选线应尽量减少与水道的交叉次数。需针对现场具体情况，经技术、经济比较后确定合理的线路。-河流水网区房屋多沿河岸修建，在不可避免拆迁的情况下，河流穿越点的选择应 尽量选择孤立平房的地方通过，尽量减少拆迁量。,P33,二、管道建设的程序,-大中型河流穿（跨）越点应选在顺直河段；在弯道附近两岸地质均属稳定性地质（如：岩石）、或两岸均筑有堤坝、岸坡稳定的情况下，穿（跨）越点可选在弯道上游的较窄处。若有江心岛，中小河流宜避开，大型河流可利用稳定的江心岛。-河流水网区线路应尽量避开鱼塘区。当鱼塘区的连片长度较长但不大于1.5km时，可考虑采用定向钻穿越方案，同时注意穿越两端是否有

15、定向钻穿越的施工场地。-穿越鱼（水）塘时，管道中线应视实地情况而定，一般穿越连片鱼（水）塘时，管道中线宜在鱼（水）塘中间通过，穿越单独大鱼（水）塘时管道中线宜靠近塘边，以减少围堰排水量工程量。,P34,二、管道建设的程序,（3）山区选线-山区选线应先在最新遥感图上选线。-管线通过山区时，应尽量选择在通过山区短、坡度平缓、山型完整的地段。-若山脊线与管线走向一致且山脊宽、顺直、施工方便时，应考虑走山脊。-山区管线尽量选择可通行的山谷或河谷地段。若河谷宽且平坦，则管线可考虑 在河床最上一级阶地敷设；若谷地地形狭窄，构筑物拥挤，则应另辟路线。-线路需越岭时，应尽量选择垭口通过。-线路需通过纵坡时，应

16、选择纵向坡度较缓（不宜超过45）且坡长短的线路。若坡度陡、高差大、基岩完整、需通过的山体长度和进出山体方便修建隧道，则可考虑隧道通过。,P35,二、管道建设的程序,-线路尽可能不要沿山地等高线平行敷设，若必须通过时，应选择纵向坡度较缓（不宜超过35）、削山开挖后岩性稳定的地方通过。-管道应尽量避免通过滑坡、泥石流、陡坡、陡坎等易造成管道失稳地带；-无法避开的滑坡，管线应从滑动斜坡的上部距滑坡体边界线一定距离绕过去，否则应从滑动面下方通过或架空通过；-横过泥石流的管线应选择在泥石流动态区以外通过；,P36,二、管道建设的程序,（4）黄土地区选线-管线应首选在完整顺直的黄土梁上通过；-明确线路是否

17、通过湿陷性黄土地区，可查阅湿陷性黄土地区建筑规范中的附图或相关资料；-现场踏勘判断场地的稳定性和湿陷性黄土的分布范围、厚度以及地面漏斗情况。-线路尽量选择黄土湿陷性小的地方通过；-尽量避开沟、河、谷等行洪地段；-穿越冲沟时，应选择在岸坡稳定的位置通过，如选择冲沟尾部（非冲沟的源头）通过。若必须在发育型冲沟头通过，设计上应采取措施，限制其发育；-线路平行河流、沟谷敷设时，应选择从设计洪水位以上的稳定阶地通过，并应注意阶地地质情况。,P37,二、管道建设的程序,-线路尽量选择排水通畅、有利于进行场地排水的地形条件；-线路尽量避开湿陷性黄土地区不良的地质现象（如滑坡、冲沟等）发育的地段。若必须在横坡

18、敷设时，应注意线路上侧土体的稳定性，边坡本体的稳定性、漏斗、裂缝以及由于施工可能引起的地质条件恶化现象。-不应在新建水库下游较近处敷设大型重要管道。若在水库上游通过，应考虑水库的回水和最高洪水位对管线的影响。-在线路通过高陡坡时，应考虑施工扫线对地貌的改变及由此对设计的影响。应尽量不改变原来的天然地形，若必须改变，则应在施工后进行恢复，尽量避开填方区。-通过黄土地段应注意水土保持与环境保护等可能增加的工程措施。,P38,二、管道建设的程序,（5）地震、活动断裂带选线-从收集的遥感图、区域地质图、地貌图和区域历史地震灾害等资料上，分析判断地震、地质灾害发生的可能性和发生区域。-避开地震时可能发生

19、地基失稳的松软土场地，如饱和砂土、人工填土、下沉土层区、采矿巷道区等，选择坚硬的场地，如基岩、坚实的碎土、硬粘土等；-尽量避开地质构造上的断层带及活跃的地震构造断面以及地震烈度超过8级的地区；,P39,二、管道建设的程序,-选择地势平坦开阔的场地，避开陡坡峡谷、孤立的山丘等地质构造不稳定的场地；-根据管道沿线地区地震安全性评价报告，合理选择管道通过断层的方向，使管线在断层活动时处于受拉状态，避免管线受压。-根据管道沿线地区地震安全性评价报告，选择活动断层位移和断裂带宽度最小的地方穿越断裂带。若管道与断裂带平行，管道一般应距断裂破碎带200m外敷设。,P40,二、管道建设的程序,（6）沙漠地区选

20、线-尽量沿固定沙丘通过；-半固定沙丘线路尽量选在丘坡较缓处和丘间洼地通过；-通过移动性沙丘时，线路走向若与沙垄交叉，应垂直于沙垄在较低的垄顶直线穿过，若与沙垄走向一致，应在垄间洼地通过。-尽可能沿沙丘移动速度较小及沙丘起伏较小的地段通过；-尽可能沿沙漠中古河道“走廊式”地带的背风侧地段；-尽量沿沙漠中山前平原潜水带边缘而行。,P41,二、管道建设的程序,（7）沼泽地带选线-管线应直线通过沼泽区；-应选择松软湿土层薄和泥炭土层薄的地区通过；,P42,二、管道建设的程序,（8）冻土地带选线-线路尽可能避开地下冰区、冰锥区、膨胀区、热溶洞区、有饱和冰区的山坡、带 有粘质土及水分含量过高的坟状土的山坡

21、。应从下游一侧绕过膨胀的的凸包区；-应在植被良好的地区通过；-丘陵地段，线路宜高不宜低，最好从缓坡的上部通过；-河谷地段，线路宜选择在阳面较高阶地上；如果横穿河谷，则应垂直通过。-不良地质地段应从厚层地下冰分布的上方边缘或从热融滑塌体的下方以管堤方式通过；-冰丘、冰椎地段，线路宜在其下方通过，有困难时，采用架空跨越方式通过。-对永冻土地区，应考虑环保要求，避开植被良好的地区。线路选择应考虑管线的敷设方式。,P43,二、管道建设的程序,（六）招标、投标 社会公开招标与有限邀请招标，中石油行业的特点。EPC总承包与不EPC总承包的不同点，如何进行如下两个阶段的工作。,三、管线钢,P45,三、管线钢

22、,（一）管线钢概论1、油气输送对管线钢、钢管的要求 目前全世界干线管道总长已达250104km以上，并以每年大约11.2%的增速增长。管道的输量与管道直径的2.66次方成正比，与输送压力的1.7次方成正比。为了提高管道输送效率，降低管道建设和输送成本，管道向大口径、高压力输送方向发展。,P46,三、管线钢,图 输送压力随年代变化,P47,三、管线钢,图 管线钢钢级随年代变化,P48,三、管线钢,2、管线钢、钢管发展历程与标准 世界管线和管线用钢、钢管经历了一个漫长发展过程，公元前600年我们的祖先开始用竹筒输送天然气，1806年英国伦敦建成了第一条铅制管道，1843年铸铁管开始用于天然气管道，

23、1925年美国建成了第一条焊接钢管管道，从此管线钢、钢管迅速发展。1967年第一条X65钢级伊朗到阿塞拜疆管道建成，1970年北美X70钢级用于天然气管道，1994年德国天然气管道上使用X80钢，2002年TCPL在加拿大建成一条管径1219mm、壁厚14.3mm，X100钢级1km试验段管道，同年X100（Grade 690）列入加拿大国家标准（CSZ24512002）。,P49,三、管线钢,我国目前管线管国家标准GB/T9711石油天然气工业输送钢管交货技术条件是等效采用ISO3183制定的，在总标题下，包括以下三部分，第一部分：A级钢管；第二部分：B级钢管；第三部分：C级钢管。A级钢管是

24、与API SPEC 5L（PSLI）的规定相当的基本质量要求的钢管。B级钢管规定了除基本质量要求之外的附加要求（如韧性、无损检测）的钢管。C级钢管则为特殊要求的钢管，如酸性条件、海洋条件和低温条件等对钢管质量和试验有严格要求的钢管。,P50,三、管线钢,3、管线钢 API SPEC 5L规范包括的钢级为A25、A、B、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70和X80标准钢级，钢级以规定拉伸屈服强度最小值表示。管线钢钢种根据性能要求大致经历了碳素钢、C-Mn高强钢、热轧或正火处理高强度合金钢、控轧微合金高强钢、控轧低碳微合金高强钢、控轧加速冷却低碳微合金高强钢的发展阶段。对应于钢级

25、大致可以分为X42、X46、X52为C-Mn控轧钢，X56、X60为C-Mn-微合金（Nb、V、Ti）控轧，X65、X70为低碳高Mn添加Mo、Nb、V等微合金控轧钢，X80及以上钢级为低碳微合金控轧、加速冷却、在线热处理控轧钢。,P51,三、管线钢,（二）管线钢管材质的要求 1、拉伸性能 衡量钢材力学性能的主要指标有抗拉强度、屈服强度、屈强比、伸长率等。抗拉强度 屈服强度 伸长率 屈强比 目前试件取样(最小壁厚5.3mm)包辛格效应,P52,三、管线钢,抗拉强度 钢的抗拉强度是指钢材在拉伸试验中，试样在拉断前的最大应力，用b(Rm)表示，单位为MPa。在标准中规定了不同钢级管线钢抗拉强度的最

26、小值和最大值。,P53,三、管线钢,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，屈服阶段的最小应力，用s表示，单位为MPa。高强度管线钢一般屈服阶段不明显，按国际相关标准规定，总伸长应力为试样标距长度上产生0.5%的总伸长时拉应力为屈服应力，以t0.5（Rt0.5）表示。在标准中给出了不同钢级管线钢屈服强度最小值和最大值，屈服强度是管道强度计算的基本数据。,P54,三、管线钢,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，标距内伸长长度与原标距长度的百分比。,P55,三、管线钢,屈强比 屈强比即屈服强度与抗拉强度之

27、比值，它描述了钢塑性变形区的行为。屈强比越小，钢管在屈服后到最后断裂前的形变容量越大。从管道安全性考虑，钢的屈强比应尽量小。API SPEC 5L除要求X80扩径管屈强比小于0.93外，其它钢级的钢管屈强比未作要求。屈强比作为保证管道安全性的一个重要指标，各油公司均规定了明确要求。表4-2-1所示为部分规范对屈强比的要求。,P56,三、管线钢,P57,三、管线钢,试件取样(最小壁厚5.3mm),P58,三、管线钢,P59,三、管线钢,包辛格效应 包辛格效应指出：“材料在一个方向受力，并超过屈服极限进入塑性区，然后再卸载；第二次再加载时，则此材料在该方向的屈服值上升，而在相反方向屈服值下降”。,

28、P60,三、管线钢,图 包辛格效应与板材屈服强度的关系,P61,三、管线钢,图 管线钢的应力应变曲线（a）普通铁素体-珠光体钢；（b）Mn-Mo-Ni针状铁素体,P62,三、管线钢,图 不同管线钢在钢管制造中屈服强度的变化,P63,三、管线钢,断裂韧性 1、断裂类型及判据 管线断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂（又称剪切断裂）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，韧性断裂在断裂前和断裂过程中发生明显塑性变形，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

29、发生，在断裂前几乎不产生明显的塑性变形，断口附近截面收缩很小，断裂后的断裂面呈发亮的结晶状，还常有人字形放射花样与拉应力方向垂直，断口形貌特征见表4-2-2、图4-2-7。,P64,三、管线钢,（a）脆断断口（河流花样）（b）脆断断口（解理台阶）（c）韧断断口图 脆断断口及韧断断口（SEM）,P65,三、管线钢,防止管线断裂可根据选用管材的夏比冲击功和断口形貌转变温度作为判定管线是否会发生断裂的依据。实际证明，该方法较为简单可靠。对材料韧性最基本的要求就是要保证管材的“冷脆转变温度”不高于管道的设计运行温度，保证管道不发生脆性断裂，美国Irwin等人从断裂力学角度提出压力容器不发生脆性断裂的条

30、件是：（K1C/s）2/B2（临界裂纹尺寸：ac3B）式中 B壁厚。,P66,三、管线钢,材料的韧脆转变温度可以用系列温度夏比冲击、DWTT（落锤撕裂试验）和全尺寸爆破方法测得。,图 DWTT，Charpy V、全尺寸试验的S.A%与温度的对应曲线,P67,三、管线钢,图 管材夏比冲击功、断口剪切面积与温度的关系,P68,三、管线钢,在工程上常用断口上剪切面积为85%对应的试验温度定义转变温度（FATT）。应该注意，不同国家、不同标准定义转变温度的SA%是不同的，有用50%、有用40%，根据全尺寸试验结果，SA%=85%对应温度为转变温度较合适。FATT可用三种试验方法得到：一种以DWTT试验

31、为依据，用剪切面积为85%时所对应的温度为转变温度，这种用得最多；另一种是以夏比冲击试验为依据的；还有一种以全尺寸爆破试验为依据，其转变温度对应的SA%亦均为85%。夏比冲击试验、落锤撕裂试验的（DWTT）试验方法和试样遵照GB/T 229和GB/T 8363标准进行。,P69,三、管线钢,2、天然气管线断裂的止裂 对脆性断裂进行了大量研究，提出了以CVN和保证管线在材料韧脆转变温度以上的温度运行的判据，可以防止管线脆性断裂的发生。随着管线压力的提高，管线材料处于塑性状态情况下工作时，仍发生了裂纹长度的扩展，即在管材的韧脆转变温度以上仍能发生动态断裂，因此止裂是长输管道，尤其是输气管道用钢的又

32、一重要性能。,P70,三、管线钢,管线断裂的止裂判据就是，当裂纹扩展速度低于管内介质的减压波速度时，裂纹即会停止扩展；而当裂纹扩展速度高于管内介质的减压波速时，不会止裂。介质的减压波速度越快，管线越容易止裂。原油的减压波速度在1500m/s左右，而天然气的减压波速度在380440m/s左右。天然气管线与油管线断裂行为不同的主要原因就是介质减压波速度的差异。,P71,三、管线钢,近年来，管线钢管材料强度及韧性的提高及高压富气输送工艺的采用使已有止裂预测公式偏于危险。管线钢管的止裂韧性预测值与实物试验结果对比结果可知，预测模型在管材韧性值某一水平以下时，预测结果与实物试验结果基本吻合，而当管材韧性

33、值大于该值时出现明显偏差。由模型预测应该止裂的管线没有止裂，说明按照现有模型保证管线的止裂性能已经偏于危险。Leis经过研究发现，该临界的韧性值为94J。经典的止裂预测模型在预测韧性值高于94J的管材时，已经偏于危险，应进行修正。（目前，高压、大口径管道如西气东输二线要求临界韧性值大于220J）,P72,三、管线钢,图 AISI止裂公式在预测高韧性钢管时的偏差,P73,3、焊接性能 管线钢的焊接性能指被焊钢材在一定的焊接工艺方法、工艺参数及结构形式等条件下，能获得可靠焊接的难易程度。钢的可焊性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碳等效作

34、用的附加量来估算。,三、管线钢,P74,三、管线钢,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，符号为CE。碳当量的计算方法较多，应用最广泛的是国际焊接协会（W）用来判定产生延迟裂纹倾向的碳当量计算式如下：,P75,三、管线钢,日本焊接协会（ITO）提出的用于评价焊接性能的公式通常称为焊接冷裂纹系数Pcm公式，也表示为CE（Pcm）。公式如下：,P76,三、管线钢,一般而言，钢材的CE（IIW）、CE（Pcm）越低，焊接性能越好。对于CE，各规范都作出了相应的规定。ISO 3183-2 B类钢管给出了CE（IIW）的要求值，对X65钢级要求CE（IIW）0.43，ISO

35、 3183-3 C类钢管给出了CE（IIW）的要求值，对X65钢级要求CE（IIW）0.39，同时提出了CE（Pcm）的要求，对X65钢级CE（Pcm）要求0.22。,P77,三、管线钢,碳当量CE（IIW）、CE（Pcm）只是一个近似的概念，很多合金元素的作用很复杂，很难用一个碳当量的公式完整的反映各钢种钢材的焊接性，碳当量公式也有其适用范围。API 5L规范（43版）已经明确，对PSL2钢管，碳当量（CE）应根据产品成分分析结果按下列方法计算。,P78,三、管线钢,当碳含量小于或等于0.12%时，碳当量应采用CE（Pcm）公式计算。,当碳含量大于或等于0.12%时，则按CE（IIW）公式计

36、算，并且规定CE（IIW）0.43%，CE（Pcm）0.25%。加拿大国家标准CSAZ 669中也规定了CE的计算公式。,P79,三、管线钢,P80,三、管线钢,管线钢碳当量与可焊性 近代高强度管线钢要求具有高强度、高韧性和良好的焊接性，用增加合金含量弥补由于碳含量降低对强度的损失，采用低碳超低碳微合金成分设计。这种管线钢碳含量、碳当量和焊接性能的关系，用格瑞维勒（Graville）T图表示。对于这类管线钢CE与焊接性的关系，API 5L标准已经作了相应规定，而其它标准、规范则尚未作出相类似的规定。对于这类管线钢通常的做法是，X60以下钢级CE（Pcm）0.20%、X65级及以上CE（Pcm）

37、0.22%作为验收依据，并要求尽量做到X60钢级CE（IIW）0.41%、X65钢级及以上钢级CE（IIW）0.43%。,P81,三、管线钢,图 反映钢的碳含量、碳当量和焊接性关系的Graville图,P82,三、管线钢,4、腐蚀性能 管线钢管腐蚀失效是管线钢管失效的主要原因，埋地钢管受到地下水和高导电性土壤的腐蚀，近中性碳酸钠、碳酸氢盐环境下的应力腐蚀是钢管外表面的主要腐蚀行为，外腐蚀可以通过选择合适的防腐涂层和阴极保护来防止。钢管的内腐蚀主要是输气管线输送介质中存在高的H2S、CO2和CL离子时，由于硫化氢和碳酸气的作用，输送管线易发生应力腐蚀裂纹破坏。,P83,三、管线钢,油、气中含有较

38、高的H2S，同时含有水或水气的情况下，H2S和钢管内表面进行反应产生氢离子，氢离子浸入钢中集聚在夹杂物处，并形成氢分子。形成氢分子时体积将增大20倍，在夹杂物尖端产生裂纹，引起管线破坏，由于氢引起的裂纹称氢致裂纹（HIC）。对于输送介质含有H2S时，对钢管腐蚀的影响应根据管线输送的输送压力一并考虑。按国际标准规定：H2S分压（PH2S）300Pa为酸气，管材必须提出抗HIC要求；H2S分压（PH2S）300Pa为甜气，管材可以不提出抗HIC要求；H2S分压（PH2S）=PoH2S%；H2S%为体积分数，Po为管道操作压力（MPa）。,P84,三、管线钢,油、气中含有较高的H2S，同时含有水或水

39、气的情况下，H2S和钢管内表面进行反应产生氢离子，氢离子浸入钢中集聚在夹杂物处，并形成氢分子。形成氢分子时体积将增大20倍，在夹杂物尖端产生裂纹，引起管线破坏，由于氢引起的裂纹称氢致裂纹（HIC）。对于输送介质含有H2S时，对钢管腐蚀的影响应根据管线输送的输送压力一并考虑。按国际标准规定：H2S分压（PH2S）300Pa为酸气，管材必须提出抗HIC要求；H2S分压（PH2S）300Pa为甜气，管材可以不提出抗HIC要求；H2S分压（PH2S）=PoH2S%；H2S%为体积分数，Po为管道操作压力（MPa）。,P85,三、管线钢,对抗HIC管线钢的要求是：（1）提高钢的纯净度。采用铁水预处理及复

40、合炉外精练，尽量降低钢中S、P气体及有害元素的含量，达到S0.004%，P0.010%，O2010-6，H1.3106。例如，NKK规定，高钢级抗HIC钢的S、P、N、H、O及Pb、As、Sn、Sb、Bi十个元素之和应小于8010-6。（2）提高成分和组织的均匀性。在降低硫含量的同时，进行钙处理，控制硫化物形态，限制带状组织。（3）晶粒细化。主要通过微合金化和控轧工艺使晶粒充分细化。（4）尽量降低碳含量（碳含量一般应不大于0.06%），控制Mn含量，添加Cu。,P86,三、管线钢,抗HIC管线钢的化学成分比低温韧性管线钢有更严格的要求，需进一步降低P、S含量，并添加Cu和Ni，同时采用Ca处理

41、。,P87,三、管线钢,P88,三、管线钢,（三）管线钢物理冶金和金属学1、管线钢的显微组织类型 管线钢的显微组织是决定管线钢性能的主要因素，按管线钢强度等级对应的显微组织大致可分成如下四类：X60以下：铁素体（F）+珠光体（P）；X65：铁素体（F）+少珠光体（PRS）；X70：少珠光体（PRS）和针状铁素体（AF）；X80以上：贝氏体（B）、贝氏体（B）+铁素体（F）或贝氏体（B）+马氏体（MA）。,P89,三、管线钢,图 铁素体+珠光体,P90,三、管线钢,2、强化机理 低碳微合金高强度高韧性管线钢对管线钢强化机理有以下几方面：晶粒细化 晶粒细化是提高强度、降低韧脆转变温度、改善韧性的有

42、效强化手段 固溶强化、位错强化和沉淀强化,P91,三、管线钢,（四）管线钢的成分设计 1、成分设计原则 根据管线钢主要性能要求，成分设计应遵循如下原则：良好的焊接性能，即要求低的冷裂纹系数（Pcm）、碳当量（CE）；高强度、高韧性、韧脆转变温度低，要求合金元素和显微组织在提高强度的同时有良好的韧性；良好的延伸性能和成型性能；耐腐蚀性能；最低的成本。,P92,三、管线钢,2、合金元素在钢中的作用 按合金元素在钢中的作用，可分成下列几类：能与碳（氮）形成化合物，通过固溶和析出，在控轧过程各阶段起作用的微合金元素Nb、V、Ti。能控制组织转变类型的元素Mo、Mn、Cr。能控制硫化物形态的元素Ca、稀

43、土金属。,P93,三、管线钢,碳 碳是管线钢的基本元素。随着管线钢强度、韧性和可焊性要求的增高，碳含量一直有降低的趋势，从最大的碳含量0.28%0.20%0.12%。对针状铁素体钢来说，需进一步降低碳含量，要求在0.10%以下，甚至在0.06%以下。以确保野外焊接时，不发生裂纹和在管线工作状态下有足够的延性断裂能力。,P94,三、管线钢,锰 锰也是管线钢的基本合金元素。根据产品规格和所要求的性能，添加量在1.12.2%的范围。高的Mn/C比对提高屈服强度和冲击韧性是有益的。锰在钢中的主要作用有三：降低-相转变温度，可减少珠光体量和细化铁素体晶粒尺寸，高Mn可促进针状铁素体形核；提高Nb（C、N

44、）在奥氏体中的溶度，促进沉淀强化效应；对韧性固有的有益影响。,P95,三、管线钢,钼：钼在钢中的作用和锰的作用是相似的:（1）降低-转变温度，抑制多边形铁素体和珠光体形核，促进高密度位错亚结构的针状铁素体形成；（2）提高Nb（C、N）在奥氏体中的溶积，使大量的Nb保持在固溶体中，以便在低温转变的铁素体中弥散析出，以产生较高的沉淀强化效果。由于针状铁素体中高密度的位错亚结构和Nb（C、N）的沉淀强化作用，使得含钼针状铁素体钢可在很低碳含量时获得较高的强度，并促进钢的连续屈服，以使得管材在成型过程中，由于迅速应变硬化而抵消包申格效应，提高管材屈服强度。因此，钢板性能相同时，含钼的钢比不含钼钢的管材

45、有较高的强度，并比传统的铁素体珠光体钢有较高的韧性。,P96,三、管线钢,铌 铌在微合金化控轧钢中将提供重要的晶粒细化和沉淀强化作用，获得高强度、高韧性配合的机械性能。铌在钢中通过如下三种机理来改善钢材性能：（1）在控轧过程中，抑制再结晶和阻止晶粒长大，细化奥氏体晶粒尺寸；（2）抑制多边形铁素体形核，促进针状铁素体形核；（3）在冷却过程中，通过细小质点Nb（C、N）的沉淀强化，提高钢的强度。,P97,三、管线钢,钒 钒主要用于调整沉淀强化，特别是当铌的沉淀强化作用达到饱和状态时，添加复合Nb+V是非常有效的。在热轧卷板生产中，钒的碳化物沉淀常伴随着对韧性的不利影响。为充分利用钒的沉淀强化效果，

46、又要使其脆化影响降低到最低限度，则要求Nb+V钢采用特殊的控轧程序。此外，钒降低淬透性的作用将促进多边形铁素体形核，为此在针状铁素体钢的合金设计时，不推荐用钒做合金化元素。,P98,三、管线钢,钛 在控轧低碳管线钢中，添加少量钛细化晶粒提高钢的屈服强度和韧性。这种性能的改善主要与钛提高晶粒细化温度有关，因此，钛对改善焊接热影响区的韧性也是有利的。钛的另一个重要特点是在用铝脱氧的钢中，由于钛和硫的亲和力，用钛控制硫化物的形态。增加钛含量可形成不易塑性变形的（Mn、Ti）S及Ti4C2S2，改善性能的不均匀性，提高冲击韧性。,P99,三、管线钢,硅 促进粗大多边形铁素体形核，对韧性有不利影响；并降

47、低Nb（C、N）的溶积，促进在奥氏体中Nb（C、N）的析出，降低在铁素体中的弥散沉淀强化效应，从而降低钢的强度。故硅含量应控制在尽可能低的水平。,P100,三、管线钢,氮 通过改变氮化物的C/N比，影响奥氏体中Nb（C、N）的溶解度。Nb（C、N）的溶解度将随着氮含量的提高而增长，从而导致在奥氏体中增大Nb（C、N）沉淀的倾向，减少在铁素体中产生弥散沉淀强化的数量，降低热轧状态和时效状态（卷取缓冷）的强度。此外，氮在钢中还引起层状撕裂、降低冲击功。因此，应尽量减少钢中的氮含量，应控制在50ppm以下。,P101,三、管线钢,磷 虽然通过固溶强化可提高钢的强度，但却对韧性有显著的不利影响，特别是

48、在低温下表现为明显的“冷脆”，故应严格控制磷含量在最低的水平。但是，当磷含量在0.03%以下时，将不再产生有害的影响。,P102,三、管线钢,硫 硫是管线钢中非常有害的元素。钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性，特别是横向韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性和增大氢诱导裂纹敏感性。因此，管线钢的硫含量应控制在0.010%以下，对要求耐蚀性的管线钢，为防止发生氢诱导裂纹，要求硫含量在0.005%以下。镍、铬、铜等元素根据需要添加时，应控制在较低的水平。应注意在用铬和铜合金化来提高钢的强度和韧性时，则要求严格控制轧制条件。,P103,三、管线钢,管线钢的化学成分 API

49、SPEC 5L、ISO 3183等标准对管材化学成分提出了最基本的要求。,四、制管与防腐,P105,四、制管与防腐,（一）制管1、直缝双面埋弧焊钢管 直缝双面埋弧焊管是当代大中型油气输送用管的主要管型之一，直缝双面埋弧焊管生产的主要工序包括成型前准备、成型、扩径和精整检查等工序，根据成型方法不同，制造方法可分成如下几类：UO成型法（UOE成型法）辊式弯板成型法（RB、RBE法）JCO成型法（JCOE法）C成型法 HU-METAL成型法 排辊成型法（CF、CFE法）,P106,四、制管与防腐,UO成型法（UOE成型法）,P107,四、制管与防腐,辊式弯板成型法（RB、RBE法）,P108,四、制

50、管与防腐,JCO成型法（JCOE法）,P109,四、制管与防腐,C成型法,P110,四、制管与防腐,HU-METAL成型法,P111,四、制管与防腐,排辊成型法（CF、CFE法）,P112,四、制管与防腐,2、电焊钢管 通过电阻焊接或感应焊接而形成一条焊缝的一种生产钢管的工艺，焊接热量由电流流动的电阻或感应产生，待焊边缘通过机械加压焊接在一起。高频焊接的原理是利用高频电流的两个特点，即集肤效应和邻近效应。所谓集肤效应，就是高频电流仅沿导体表面层流动的性质。集肤效应强弱主要取决于高频电流的频率。电流的频率愈高，导体内感抗愈大，集肤效应亦愈强。,P113,四、制管与防腐,电流的渗透深度可用下式计算