管道建设基本知识只是课件.ppt

黑体,设计人员,设计人员,桑叶u,开心,P,中国石油储备建设技术的发展进程及现状,管道建设基本知识,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,P,一、目前我国管道建设的发展趋势,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,管道名称,管径（,mm,）,设计压力,（,MPa,）,管线材质,管线长度,（,km,）,输量,库鄯线,610,6.4,x65,474,1000X10,4,t/a,兰成渝,508,10,x65,1247,500X10,4,t/a,西部管道成品油）,559,10,x65,1858,1000X10,4,t/a,西部管道（原油）,813,10,X65,1858,兰郑长,660,X65,1500,抚郑,660,x65,1500,一、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,管道名称,管径（,mm,）,设计压力,（,MPa,）,管线材质,管线长度,（,km,）,输量,（,10,8,m,3,/a,）,鄯乌线,457,3.5,S360,310,4.5,轮库线,610,6.3,S360,192,12,涩宁兰,660,6.3,L415,922,20,陕京线,660,6.3,X60,840,34,忠武线,711,7.0/6.3,L450,712,30,西气东输,1016,10,X70,3900,120,陕京二线,1016,10,X70,850,120,一、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,。,P,一、目前我国管道建设的发展趋势,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。,P,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。,P,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。,P,一、目前我国管道建设的发展趋势,果子沟难点段,P,一、目前我国管道建设的发展趋势,果子沟难点段,P,一、目前我国管道建设的发展趋势,果子沟难点段,P,一、目前我国管道建设的发展趋势,P,二、管道建设的程序,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。,P,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。,P,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、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。,P,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；,P,二、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。,P,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,P,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,、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；,P,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员编制；,P,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。,P,（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,P,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、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。,P,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、结构和安装详图。,7,、材料、设备明细表。,P,（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,P,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；,(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。,P,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。,P,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。,P,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。,P,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。,P,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。,P,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；,P,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。,P,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。,P,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；,P,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。,P,二、管道建设的程序,（,6,）沙漠地区选线,-,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。,P,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；,P,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。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。,P,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。,P,三、管线钢,三、管线钢,（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。,P,三、管线钢,图 输送压力随年代变化,P,三、管线钢,图 管线钢钢级随年代变化,P,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，,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,）。,P,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。,P,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。,P,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,P,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小值,和最大值。,P,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。,P,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。,P,三、管线钢,屈强比,屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值，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。,P,三、管线钢,P,三、管线钢,试件取样 (最小壁厚5.3mm),P,三、管线钢,P,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”。,P,三、管线钢,图 包辛格效应与板材屈服强度的关系,P,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,P,三、管线钢,图,不同管线钢在钢管制造中屈服强度的变化,P,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,。,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,）,P,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件是：,（,K1C/s,）,2/,B,2,（临界裂纹尺寸：,ac,3,B,）,式中,B,壁厚。,P,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,P,三、管线钢,图,管材夏比冲击功、断口剪切面积与温度的关系,P,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。,P,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,输气管道用钢的又一重要性能。,P,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,380,440m/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。,P,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,）,P,三、管线钢,图,AISI,止裂公式在预测高韧性钢管时的偏差,P,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,成与碳等效作用的附加量来估算。,三、管线钢,P,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：,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：,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 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,。,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。,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。,三、管线钢,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,）,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%,。,三、管线钢,图,反映钢的碳含量、碳当量和焊接性关系的,Graville,图,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。,P,三、管线钢,油、气中含有较高的,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,）。,P,三、管线钢,油、气中含有较高的,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,）。,P,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,。,P,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。,P,三、管线钢,P,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,）。,P,三、管线钢,图,铁素体,+,珠光体,P,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,韧性的有效强化手段,固溶强化、位错强化和沉淀强化,P,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。,P,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,、稀土金属。,P,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。,P,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,1.1,2.2%,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,）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。,P,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有较高的强度，并比传统的铁素体,珠光体钢有较高的韧性。,P,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。,P,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，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