常用燃气管道材料介绍.doc

燃气管道主要使用钢管、铸铁管和塑料管等。燃气高压、中压管道通常采用钢管，中压和低压采用钢管或铸铁管。塑料管多用于工作压力≤0．4MPa的室外地下管道。一、燃气管线对钢管材质的要求

燃气管线用钢除必须满足强度要求(力学性能)和焊接性外，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。

1．力学性能

(1)抗拉强度

是指钢材在拉伸试验中，试件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别，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2-1。

(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，屈服阶段的最小应力用σs表示，单位为MPa。我国常用管线用钢的屈服强度在205～415MPa之间。

(3)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，则伸长率愈大，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2-1。

2．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。其断面呈暗灰色纤维状。脆性断裂，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，在制管和施工中应注意消除管线裂纹缺陷。并从选择管线用钢，提高钢材韧性来防止管线裂断。

表2-1 常用管材的力学性能标准钢种等级最低抗拉强度/MPa最低屈服强度/MPa伸长

率

δ①②50

可

比

较

的

API

标

准

刚

种

GB81631033520524A2039024520B09MnV43029522X4216Mn49032521X46GB9711

SY5297-1991S20533020531～35AS24041524025～28BS29041529025～28X42S313531524

～

27X46S36045536023

～

26X52S3038522

～

24X56S415511521～23X60S45053045020～23X65S480568019～21X70

①标距为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—1991附录B。

②表列的数据为宽38mm，厚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。

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。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，采用控制轧钢，控制冷却等工艺，使钢的纯度提高，材质均匀，晶粒细化，则可以提高钢的韧性。目前冶金技术发达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度。

对于某种钢材，其断裂韧度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，韧度会出现突然下降现象。在这个温度下，钢材从韧度断裂转变为脆性断裂。这个温度称作钢材的韧脆转变温度。

钢材的韧度指标通常用剪切值，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，管径和壁厚越大，对钢材冲击韧度要求也就越高。目前这几种因素对冲击韧度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》规范中对管材冲击韧度规定值列于表2-2。我国

部分管线及美国阿拉斯加输气管线管材韧性规定值列于表2-3。

管线用钢的断裂韧度，在钢管标准中是属于合同协议试验项目，用户根据工程实际需要，确定是否增加断裂韧度试验，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2-2 原苏联长输管线用管材冲击韧度规定值公称直径/mm工作压力/MPa冲吉韧度值α①K/(J/cm2)(不小于)落锤撕裂试验②剪切值(%)(不小于)500≤10.024.5-500～600≤10.029.4-700

～

800≤10.029.4501000≤5.529.45010007.539.260100010.038.8601200≤5.539.260 7.558.870 1078.48014007.578.480140010.0107.885

①试验温度为40℃，试样按ГОСТ94—78中11-13类试样加工，壁厚等于大于10mm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2-3 国内外部分工程管材韧度规定最小值 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 φ660X60-40503080

西

北

输

油

阿

管拉

斯道加

工气

管

程 线

φ610X520352080 X60042329585 X650483585φ1066X70-1 85φ762X70-030 85

3. 焊接性能 钢的焊接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。钢的焊接性主要取决于钢的化学成分。对钢的焊接

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效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炭当量，符号为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质量百分数表示，其中钒的百分含量中可包括在钢管的一般焊接条件下，焊口是快速冷却的，钢的硬化，尤其在靠近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。

一般认为，碳钢的含碳量小于wc0.25%，合金钢的含碳量小于wc0.45％，焊接性能良好。

钢的焊接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，钢的焊接性降低。含碳量愈高，焊接时碳和氧反应而生成一氧化碳的机会越多，在焊缝的熔合区和熔合线上更容易产生气孔。

2)锰：锰是炼钢的脱氧剂和脱硫剂，在钢中加入一定数量的锰，能消除和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，加大焊缝热影响区的硬度。

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，改善焊接性和韧性。

6)磷、硫：在各类钢中均属有害杂质，它会降低钢的塑性、韧性和焊接性。

4．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腐蚀。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200HBS。常用的国产抗硫化物应力开裂的钢种有Q235，10，15，20，Q295等钢种。至今，还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。

5．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2-4。低温用钢的冲击吸收功试验方法按GB45159—1984《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。

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2-2；当工作温度在-40℃～-60℃时，钢管的冲击韧性规定值见表2-5。表2-5还适用于虽然工作温度不低于-40℃，但壁厚较厚时，其冲击韧度规定值也应按表中规定选取。

表2-4 压力容器用钢低温夏比(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/J10mm×10mm×55mm5mm×10mm×55mm≤4501450～≤5162010515～6552714

1．试验温度下三个试样冲击功平均值不得低于表2-5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。

表2-5 使用温度不低于-60℃条件下钢管韧度规定值公称壁厚/mm冲击韧度规定值/(J/cm2)不小于管子母材连接件母材焊接接头6～1029.429.424.510～1539.429.429.415～2929.439.4(管子焊接接头)

29.4(连接件焊接头)25～3058.839.239.230～45-4939.2二、钢管的种类和标准

1．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—1987)、高压锅炉无缝钢管(GB5310—1985)、化肥设备用高压无缝钢管(GB79—1986)、石油裂化用无缝钢管(GB9948—1988)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，然后在成形边缘焊接而制成的钢管称焊接钢管。按焊接方式可分连续炉焊、电阻焊、埋孤焊和金属极气体保护电弧焊。

焊接钢管中按成形方法可分为螺旋焊缝钢管和有焊缝钢管。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基本一致。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缝钢管。20世纪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。

2．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—1987)，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要求。标准中规定的管子直径偏差和壁厚偏差要求和国际标准基本一致。由于制管厂的设备制造工艺技术，在口径较大的管子规格上，壁厚偏差还不能完全达到标准的标定，因此钢管厂还不能完全接受按GB8163—1987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、15、20钢，其化学成分见表2-6。

(2)螺旋焊缝钢管标准 我国天然气输送用管多选用螺旋焊缝钢管，现行标准是《石油天然气输送用螺旋缝埋弧焊钢管》(GB9711—1988)，其直径规格为φ323．9～φ2200mm，标准中的各项技术要求接近或达到国标上通用的AP15L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。螺旋焊缝钢管的钢号常用的有Q235、10、20、S360、S415钢等。各种钢的化学成分见表2-6。

(3)直缝电阻焊钢管标准 现行标准是《石油天然气输送管道用直缝电阻焊钢管》(SY5297—1991)石油行业标准。该标准中钢管直径从φ114到φ711mm，壁厚为14mm。目前只能到φ426mm。制管用钢与螺旋缝钢管相同。直缝管由于焊缝比螺旋管焊缝短，且可以表面加工。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。

表2-6 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(质量分数)(%) 抗拉强度/MPa(不小于)屈服强度/MPa(不小于)伸长率δ50(%)V型冲击功/JCMnSiS(不大于)P(不大于)NiCrCuQ19531519522 0.06～0.120.25～0.500.300.050.045 B1 A1Q215A33521531 0.09

～

0.150.25

～

0.550.300.050.045 A2Q235A37523526 0.140.650.300.050.045 A3Q235B≥270.120.700.300.0450.045 C3Q235C≥27≤0.180.35

～

～0.220.30.200.3

～～～～

0.800.300.040.040 Q235D≥27≤0.170.0350.035 Q255A41025524 0.18

0.280.40～0.700.300.0450.045 1033520531 0.07～0.140.35～0.650.17～0.370.350.0350.250.150.25 2041024525 0.350.370.250.250.25 Q34551034522 0.12

～

～0.201.2

0.650.17～

1.60.2

～～

0.60.050.045NbVTi Q293029523 ≤0.120.8～1.20.2～0.60.050.0450.04～012 S205330205 ≥27(0℃)0.170.3～0.90.350.0300.030可添加钒、铌、钛三种的一种或三种的任一组合 S2404152400.170.45～1.15 S2902900.220.65～1.25 S31353150.75

～

1.35 S360455360≥31(0℃)0.75

～

1.35 S303850.200.75～1.350.400.0050.0050.005 S41551150.75～1.35

(3)镀锌焊接钢管即水煤气钢管，多用于配气支管、用气管。连接方式多采用螺纹(即丝扣)连接。燃气管用的螺纹应为圆锥螺纹，接口由内螺纹及外螺纹组成。因具有一定锥度，在螺纹部分涂敷或包裹填料后、拧紧螺纹接口，可以完全封合。以前填料常用铅油油棘，天然气中无水，为防止铅油与油蔴在使用中干裂导致漏气，目前各地多采用聚四氟乙烯密封带作为螺纹接口的密封填料。三、燃气用钢管的基本要求

燃气管道要承受很大压力并输送大量的有毒的易燃、易爆的气体，任何程度的泄漏和管道断裂将会导致爆炸、火灾、人身伤亡和环境污染，造成重大的经济损失。所以，要求燃气钢管有足够的机械强度(抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度)，焊接性好，而且要有不透气性。燃气管道所用的钢管直径与壁厚，必须按设计要求订货，并认真抽检。管子直径与壁厚的偏差过大，可能导致工程质量低劣；如壁厚局部过薄，螺纹连接时，套螺纹更薄，受外力后会断裂漏气造成事故。钢管由于制造或运输碰撞等原因，管口不圆，经

整圆后管端(长度不小于200mm)外径允许偏差可参见表2-7。

表2-7 焊接钢管整圆后端部直径的允许偏差 (单位：mm)管子外径最大偏差管子外径最大偏差219～426±1.251020～1220±3.50426～720±1.501220±5.00720～1020±0.20

管子的不圆度和端面平整度影响管道组装和焊接质量。管子的不圆度以最大和最小直径差表示，其允许限度可参见表2-8。管子端面平整度包括管子端面垂直度和管端切口两项要求。管子端面应垂直于管子中心线，不垂直偏差不应大于管子外径的1%，且不大于3mm。

表2-8 管子端部不圆度限度 (单位：mm)管子直径端部不圆度管子直径端部不圆度200～30037208300～40048209426510201152961220136307142016

管子弯曲影响管道组装，燃气管道用管子的弯度每米长度上不超过1．5mm(即不大于0.15％)。

燃气管道用的钢管应具备出厂质量证明书，各种技术指标应符合现行有关标准的规定。此外，还要进行外观检查。管子表面应光滑，无裂纹、夹渣、重皮、锈蚀和凹陷，钢管外径的偏差不得超过允许值。焊缝钢管的焊缝质量必须保证。在施工中，有时会发现管道环焊缝的X射线照片中管端管子本身焊缝未焊透。在作强度试验时，管材本身焊缝开裂偶有发生。为保证管子本身焊缝质量，有时可委托钢管厂制造并驻厂检验，有时可委托有关部门进行检验。其连接方式与无缝钢管相同。

四、铸铁管

燃气用的铸铁管用灰口铸铁铸成，塑性好，切断、钻孔方便，抗腐蚀性好，使用寿命长。与钢管相比金属消耗多，重量大，质脆，易断裂。在燃气发展初期，地下燃气管道多采用铸铁管，近来燃气管道多用钢管。其连接方式为：

1．承插口连接 管子一端为承口，另一端为插口，在承口与插口之间的环形间隙中填入油麻丝或胶圈，再用水泥或铅密封，以保证接口的严密性。承插式铸铁管接口连接见图2-1。

图2-1 承插式铸铁管接口连接

a)柔性接口 b)刚性接口

1—承口 2—插口 3—铅 4—胶圈 5—水泥 6—浸油麻丝

2．机械接口 机械接口比承插连接接口具有接口严密、柔性好、抵抗外界振动及挠动的能力强、施工方便等特点。接口形式有N1型与S型两种。

(1)N1型接口 管子一端为带有法兰盘的承口，另一端为插口，在承插口的环形间隙中填入塑料支撑圈与一密封胶圈，用螺栓将压兰与承口法兰连接紧固，压紧胶圈而使接口严密。见图2-2。

(2)S型接口 S型接口与N1型接口的不同处是S型接口插口端有一凹槽，槽内放一钢制支撑圈，使连接的管道保持同心度及均匀的接口间隙，并可防止管道拔出。接口环形间隙中多一道隔离胶圈，可阻挡燃气侵蚀密封胶圈，故有良好可靠的严密性，而且在维修时可不停气而更换密封胶圈。见图2-3。

图2-2 N1型机械接口铸铁管接口连接

1—承口 2—插口 3—塑料支撑圈 4—密封胶圈 5—压兰 6—螺母 7—螺栓

图2-3 S型机械接口铸铁管接口连接

1—承口 2—插口 3—钢制支撑圈 4—隔离胶圈 5—密封胶圈 6—压兰 7—螺母 8—螺栓

对填料及螺栓的要求：

胶圈：应采用符合燃气输送管使用要求的橡胶制成。

螺栓：采用耐腐蚀螺栓。

铸铁管及铸铁管件的性能和检验应符合现行国家标准的规定，应具有出厂合格证。铸铁管及铸铁管件在出厂前应作气密性试验。五、聚乙烯塑料管

适用于燃气管道的塑料管主要是聚乙烯管，其性能稳定，脆化温度低(-80℃)，具有质轻、耐腐蚀及良好的抗冲击性能，材质伸长率大，可弯曲使用，内壁光滑，管子长、接口少，运输施工方便、劳动强度低。目前国内聚乙烯燃气管分为SDR11和SDRl7．6两个系列。SDR11系列宜用于输送人工煤气、天然气、液化石油气(气态)；SDR17．6系列宜用于输送天然气。聚乙烯燃气管道连接应采用电熔连接(电熔承插连接、电熔鞍形连接)或热熔连接(热熔承插连接、热熔对接连接、热熔鞍形连接)，不得采用螺纹连接和粘接。聚乙烯管与金属管道连接，采用钢塑过渡接头连接。

验收管材、管件必须验收产品使用说明书、产品合格证、质量保证书和各项性能检验报告等，并在同一批产品中抽样，按现行国家标准进行规格尺寸和外观性能检查，必要时宜进行全面测试。