輸氣管道工程用鋼管、彎管介紹及選用

侯彥峰+齊衛東

摘要：當前世界特別是中國對天然氣的需求大幅度快速增長，為了滿足此種需求而需建設大輸量的輸氣管道，對天然氣管道提高輸量的途徑即是高壓大口徑，所以對鋼管、彎管的設計選用提出更高要求。本文對輸氣管道工程用鋼管、彎管做了簡單介紹，對輸氣管道的設計選用程序和原則做了闡述。

關鍵詞：輸氣管道 管型 鋼級 熱彎彎管 冷彎彎管

在輸氣管道工程中， 鋼管的費用約占整個管道建設總費用的1/3左右，對整個工程的投資影響巨大。設計貫穿整個工程，設計中鋼管、彎管及管件的選用是否合理，對整個工程來說至關重要。根據管道輸的介質、管道途徑地區自然條件、管徑及設計壓力等因素，結合幾種常用鋼管的優缺點及規范要求確定管型，進而完善彎管設計，才能做到工程設計選材合理、經濟、安全。

1 輸氣管道選用程序和原則

1.1 輸氣管道選用程序

輸氣管道的選用一般是先根據下游用戶用氣需求、用氣壓力、管線長度、沿線高差等資料，然后經過工藝計算，確定最佳管徑和設計壓力。在管徑和壓力確定的基礎上，再進行管材的選用設計。

1.2 管材設計選用原則

管材設計選用中應遵循以下原則：①輸氣管道多為高壓輸送，一旦發生大泄漏，后果不堪設想，因此，應將保證管道安全可靠、生產技術先進、價格經濟合理放在首位。②應滿足管道輸送介質的特性、設計壓力、環境溫度、鋪設方式以及所在地區等級的要求。對于不同工程，其管道輸送介質、設計壓力和途經地區自然條件不同，鋼管的選用及其技術要求要有所不同。③鋼管選用要考慮采購需求。國內鋼管生產工藝和技術經過多年的發展，如今規格和種類都非常齊全，除特殊需求外，國內的鋼管均能滿足工程需要。因此管材選用時應結合國情，立足國內產品，綜合考慮國內的生產和供貨能力，以便快速地采購到所需的鋼管。

2 輸氣管道用鋼管

2.1 鋼管分類

輸氣管道用鋼管包括線路用鋼管和站場用鋼管；從管型上分有螺旋縫埋弧焊鋼管、直縫埋弧焊鋼管和直縫高頻電阻焊鋼管、無縫鋼管；從鋼級的使用上有B～X120的鋼管。國內從B～X80都有批量生產的能力，并在管道工程中都有運用。

2.2 各管型的優缺點

①無縫鋼管。優點：無縫焊、安全可靠，外形尺寸精度高，制作彎頭質量好，小管徑及小壁厚生產能力大。缺點：橢圓度大、壁厚偏差大、生產成本高、對于小管徑的鋼管，組對、焊接時不好控制。②直縫高頻電阻焊鋼管。優點：焊接時不需填充金屬，并且加熱速度快，使得熱影響區小；外型尺寸精度高，適于做冷彎管和熱煨彎管；價格便宜，在塑性、韌性等方面具有優良的性能。缺點：控制不好時，易產生未焊透的缺陷；受工藝過程的限制，鋼管的外徑和壁厚不能太大；高壓力要慎用。③螺旋縫埋弧焊鋼管。優點：在國內外油氣管道工程中的應用已有相當長的歷史；焊縫與管道軸線方向成一定的角度，焊縫避開了主應力方向，焊縫的止裂能力較直縫管好；焊管韌性的薄弱處避開了主應力，整體剛度好于直縫埋弧焊管；制造工藝簡單、成本低。缺點：不能生產厚壁鋼管，彎管性能較差；不宜用來制作熱煨彎管；外型尺寸的精度相對較低，殘余熱應力較大。④直縫埋弧焊鋼管（UOE）。優點：殘余應力小、焊縫長度短、焊縫質量容易保證、成型質量好，外型尺寸精度高，一般來講質量要優于螺旋縫埋弧焊管；能夠生產厚壁鋼管、彎管性能較好、生產效率也較高。缺點：價格一般比螺旋縫埋弧焊鋼管高，且定貨周期要長。相比于JCOE管，焊縫應力比較集中。⑤直縫埋弧焊鋼管（JCOE）。優點：焊縫避開了主應力方向，相對于UOE管，生產速度較快。目前國內成型的生產設備較多。能夠生產厚壁鋼管、彎管性能較好。缺點：相比于UOE管，殘余應力較大，成品率較低，橢圓度大，屈強比相對較大。

2.3 管型的選擇

設計中鋼管選用的步驟一般是先選擇管型，再確定鋼級。管型的選擇應結合項目實際情況（管輸介質、管徑、設計壓力、沿途的自然狀況）、國內生產、運用情況和鋼管價格等因素綜合考慮。

①管徑：管徑的標準尺寸應該參照ISO4200。管徑一般指管道外徑，用D表示。管徑采用1系列。標準管外徑如下：10.2；13.5；17.2；21.3；26.9；33.7；42.4；48.3；60.3；76.1；88.9；114.3；139.7；168.3；219.1；273；323.9；355.6；406.4；457；508；610；711；813；914；1016；1067；1118；1219；1422。在工程運用中比較常見的不同管型對應的管徑有：a無縫鋼管：D114.3～D273；b直縫高頻電阻焊鋼管：D219.1～D406.4；c埋弧焊鋼管：D406.4及以上。②壁厚：壁厚根據《輸氣管道工程設計規范》GB50251-2003或《城鎮燃氣設計規范》GB50028-2006中計算公式計算而來。然后向上圓整，選取設計壁厚。設計壁厚不小于規范中規定的最小壁厚。在城鎮燃氣管道設計中，為保證管道與建筑物的安全距離，往往加大壁厚。在長輸管道設計中，在人為活動頻繁的區域，往往通過增加地區等級系數，從而加大管道壁厚，達到提高管道安全性的目的。管道壁厚不宜過小，如果壁厚過小，在焊接時，根焊產生的電弧很容易把鋼管打穿。管道壁厚不宜小于5.6mm。原規范GB/T9711中規定了標準壁厚，GB/T9711-2011中取消了標準壁厚的說法。現在，由于管道原材料——鋼板生產工藝的提高，一般壁厚的鋼板都能迅速生產。現在，給鋼管廠家提非標壁厚時，無需增加原材料費用。對于小的管道工程，鋼管用量較少，盡量選擇標準壁厚，減少采購難度；對于大的管道工程，可以根據計算壁厚圓整選擇壁厚。③鋼級：鋼材的鋼級反應了鋼材的強度，鋼級越高強度越大。GB/T9711中鋼級用LXXX表示，其中XXX為管材的最小屈服強度。在確定管徑范圍內選擇幾種常用鋼級（一般是三種），然后通過技術（生產能力）、經濟比選最終確定鋼級。做經濟比選時，必須要向有能力、有業績的鋼管廠詢價，且注明價格有效期，且有效期不超過半個月。管材詢價至少詢兩家，可研階段可以取價格較高者，初步設計階段應取價格平均、適中的廠家。詢價應根據項目的具體位置，考慮到管材的運輸，應就近選擇廠家。endprint

2.4 鋼管設計選用應注意的問題

①幾何尺寸偏差直接影響到管道焊接質量；②無縫鋼管尺寸偏差一般大于焊接鋼管尺寸偏差或相等；③管端尺寸偏差必須嚴于管體；④中石油鋼管標準尺寸偏差一般嚴于API5L。

3 熱彎彎管

3.1 定義

彎管：用以在管道中改變介質流向，且彎曲半徑為母管外徑數倍的兩端帶直段的圓弧形管段。

母管：用于制作彎管的直管。

彎曲半徑：從彎管的彎曲中心到其中心軸線的距離。

中性面：母管彎制過程中彎管弧面上壁厚不變的截面（為曲面）。

制造工藝規范（MPS）：規定母管材質性能、彎制工藝、彎后熱處理設備和工藝，無損檢測，管端坡口型式及尺寸等內容的技術文件，包括檢測及評定結果。

壁厚減薄率：母管實際壁厚最小值和管段外弧側壁厚最小值之差與母管實際壁厚最小值比值的百分率。

3.2 彎管結構

彎管由彎曲部分（弧面）和直段構成。弧面包括受拉的外弧側和受壓的內弧側，以及壁厚不變而形狀改變的中性面。在弧面兩端各有一段管形不變的直管段，即直段。

直段的長度規定：DN≤500mm時，L≥250mm

DN>500mm時，L≥500mm

3.3 對母管的要求

①母管的生產。根據管道工程的規模和彎管數量的大小確定母管的生產。②母管與管道直管的區別。母管在彎管制作過程中要經過中頻感應高溫加熱彎制，因此其性能和金相組織均會發生變化，特別是屈服限可能下降30-40Mpa。③對母管性能和化學成分的要求。一般要求母管和與其相鄰的管道直管具有相同/相近的鋼級、化學成分、力學性能和尺寸偏差，且具備再加熱加工的性能和不出現裂紋等缺陷的能力。

3.4 母管采用的管型

①當管道直管用無縫鋼管時，則彎管的母管選用無縫鋼管；②當管道直管用焊接鋼管，則彎管的母管選用直縫管；③有的工程也采用螺旋焊焊管作母管，但較少。

3.5 制造工藝規范（MPS）評定程序

①制定彎管初步MPS；②彎管試制；③進行試制彎管的檢測和設計驗證試驗（即壓力爆破試驗）；④編制試制報告；⑤修正初步MPS，形成正式MPS。

3.6 彎管性能要求

①總體性能要求：應與所采用的母管性能基本相同。②具體性能要求項目：彎管主要的性能要求包括：拉伸性能、沖擊韌性（管外徑不小于114.3mm或壁厚不小于6mm的彎管進行試驗）、硬度、金相組織、晶粒度、焊管焊縫的導向彎曲試驗、高頻電阻焊管的壓扁試驗。

對處于酸性環境下的彎管還應要求按標準規定進行氫致開裂試驗（HIC）和硫化物應力開裂試驗（SSCC）。

3.7 對母管和彎管的具體規定

①母管不允許拼接；②母管不允許與低熔點金屬（Cu、Zn、Al、Pb等）接觸；③彎管焊縫位置的確定；④彎制時應連續，不允許停留、中斷；⑤彎管熱處理應提出要求；⑥彎管不允許切割使用。

3.8 彎管制造中主要缺陷

①彎管內外表面出現裂紋。基本上可歸納為4種裂紋：過熱過燒致裂紋；低熔點金屬污染裂紋；管體表面劃傷致裂紋；鋼板表面補焊致裂紋。②彎管性能或幾何尺寸偏差不合格。

4 冷彎彎管

4.1 管型選用

冷彎管管型選用有兩種方案，主要是針對螺旋縫管的選用：①與管道直管為同一管型；②全部選用直縫管。

4.2 冷彎管母管

應是已作防腐層的直管且已檢驗合格作為冷彎管的母管。

4.3 彎曲半徑和直段長度最大彎曲角

①彎曲半徑R≥18D～40D，根據管徑不同選定，R的選定應考慮管道通過地區的地形、地貌和地物而定；②直段長度：一般取兩端各2m；③最大彎曲角根據工程自行決定。

4.4 對冷彎管的質量要求

主要對冷彎管的防腐層和內涂層、圓度、波浪度提出要求。

5 結語

輸氣管道上使用何種類型的鋼管至今仍是國內、外管道工程界一直在探討和爭論的一個問題。輸氣管道的設計必須根據工程實際情況，經過方案比選，合理選擇管型和壁厚，盡可能做到最優化設計。同時我國鋼管制造企業只有不斷完善其管道的生產工藝，提高管道的制造水平，確保管道的綜合質量，才能在當今飛速發展的長輸管道行業留有一席之地。

參考文獻：

[1]段常貴.燃氣輸配（第三版）.

[2]張振永.長輸油氣管道的鋼管設計選用[J].焊管第29卷第2期，2006年3月.

[3]高晉.長距離輸氣管道工程線路鋼管選型與供管方案[J].石油工程建設，2009年S1期.

[4]GB/T9711-2011石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管.

[5]GB 50251-2003輸氣管道工程設計規范.

作者簡介：

侯彥峰（1984-），男，陜西銅川人，設計員，初級職稱，研究方向：燃氣設計；齊衛東（1987-），男，河北邯鄲人，設計員，初級職稱，研究方向：燃氣設計。endprint