输油气管道管材等级选择

输油气管道管材等级选择摘要在长距离输送油气管道工程中，钢管费用占工程设备材料的50％以上，因此合理地选用钢管的材质等级十分重要。

分析设计输送压力、韧性要求、刚度和稳定性、腐蚀及经济性等因素对选用钢管材质等级的影响，拟建了管材等级选择模式，给出了不同输送压力下的管材等级选用表，举例分析了满足设计强度要求的壁厚选择，简要介绍了国内外的管型应用情况。

主题词管道管类选择输送压力在80年代初期以前，我国长距离输送管道大多数使用非管道钢的钢管材料（简称管材），如Q225（原A3）、16Mn及20号钢等。

随着我国输油管道技术水平的提高，大部分管道使用了符合美国API标准或ISO 标准材质要求的钢管，这些钢管既有国外引进的，也有国产的，但使用等级均在×65以下。

而国外输送管道工程则由80年代前使用×70级钢管发展到90年代使用×80 级钢管，并有向使用更高级管材（如×100）方展的趋势。

一、选用管材等级的影响因素1、设计输送压力埋地钢管在服役时由于受设计输送压力（内力）P的作用，在管壁上产生环向应力（σh）及轴向应力（σa），一般要求这些应力小于或等于管材允许使用应力。

允许使用应力是依据管材等级，即钢管屈服极限（σs）来乘以设计系数（F）、焊缝系数（Φ）、温度系数（t）而定。

管道壁厚是依据强度要求而确定的δ＝PD/2ΦFσs t或δ＝PD/2ΦFσs （1）式中P——设计输送压力；δ——钢管选用壁厚；D——钢管外径；Φ——焊缝系数，选用目前国家标准《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》（GB/T 9711.1～9711.3）的钢管，取1.0；F——设计技术，依GB 50251-94《输气管道工程设计规范》及GB 50253-94《输油管道工程设计规范》的规定选取；t——温度系数，当输送温度小于120℃时，取1.0。

由于（1）可以看出，在同一压力与直径下选用管材等级（用钢管屈服强度表示σs）越高，管子壁厚越小，管道工程总的管材用量将减少。

2、韧性要求随着输送应力的提高及环境因素的影响，国内外多次发生管道断裂事故，因而从60年代以来对管材的韧性要求越来越高。

根据文献【1】提出的要求，特别是对输送油气的管道，不允许有脆性断裂。

按照文献【2】总结的国外对管材塑性断裂止裂的要求，冲击功CVN值是随着应力σh增加而增加，也随管径D增大而增大。

而CVN值同管材的化学组分、轧制方法与过程、微晶结构与细度等因素有关，过去提高管材强度是靠提高碳（C）的含量实现的，这反而降低了CVN值，现在的微合金钢将碳（C）级硫（S）降到很低含量，而增加锰（Mn）含量，如API标准中×80级管材允许碳（C）最大含量为0.18％，而锰（Mn）的最大含量增至1.8％。

因此，现在的高强度等级管材也可以满足高韧性要求，如加拿大要求×80级管材在-5℃时，母材CVN值为180J、焊缝的CVN值为36J，这有利于发展高压、大管径输送油气的需要。

同等级管材应适当增加选用壁厚，降低σh值，则CVN值也可以适当降低。

3、刚度与稳定的要求钢管在运输、储藏、服役过程中，应有一定的刚度及变形稳定性的要求，这在GB 50251与GB 50253中均反映管材壁厚要求。

虽然在一定的压力P与管径D条件下，选用高强度等级管材可以减薄壁厚，减少管材总用量，但太薄的壁厚有可能满足不了此要求。

在GB 50253-94第5.6.1条中要求D／δ≤140，在GB 50251-94第5.1.3条中，依照D的大小要求60≤D／δ≤140。

两标准均规定管子在无内压状态时受外力作用管子水平径向变形量不得大于3％D。

在建立管材等级选用模式时，取式（2）可满足两个国家标准要求：60≤D／δ≤140 （2）4、 腐蚀埋地钢管在周围土壤环境和输送介质作用下，惠产生电化学腐蚀或H 2S 腐蚀，因此对材质选用有要求。

但是这种要求与材质等级关系不大，只与材质成分、防腐措施有关，文献【3】已有论述。

需要指出的是，管壁厚度对SCC 是有影响的，低σh 厚壁有利抗SCC （应力腐蚀裂纹）。

5、 施工组焊管道工程施工组焊要求管材有良好的可焊性与较小的冷裂纹敏感系数，可焊性与材质碳当量有关，由于冶炼技术的提高，现在无论是低碳钢还是高强度微合金钢，均能控制碳当量（Ceq ），达到良好的可焊性要求。

目前高强度等级钢管相对于低强度等级钢管需要增加施工措施，管材等级高于×60级时，低温地区组焊均要求预热和保温，防止冷裂纹。

总的来说，施工组焊对管材等级选用影响不大。

6、 经济影响因素管材选用的就经济性E ，涉及管道长度L 、管径D 、管材等级σs 、钢管壁厚δ、钢管型式M 及施工组焊费用Cw ，可用式（3）表达：E ＝f （L ，D ，δ，σs ，M ，Cw ） （3）式（3）中除了L 、D 相对于某条管道是固定值外，M 与Cw 是可变因素，但不是决定因素，而决定因素是互为相关的壁厚δ与钢管允许屈服强度σs 。

钢管允许屈服强度高，壁厚小，其经济性好，但要受其它影响因素控制，不能无限提高σs 。

二、 建立管材等级选择模式从上述6种影响因素分析看，选用管材等级决定性的因素是设计输送压力和刚度及稳定性要求，为此将式（1）代入式（2）中，可得到式（4）：σs ≤（30－70）P ／F （4）式（4）为选用管材等级建立了合理的模式，管材等级σs 的选用决定与输送压力P 。

如果输送压力低，选用了高强度等级管材，又要满足刚度及稳定要求，势必增加壁厚，造成不经济的效果。

根据两个国家标准对输送油气管道规定的设计系数F ，在依据不同的输送压力计算出管材等级选用表（见表1）。

需要指出的是，式（4）是按最小壁厚要求建立的模式。

当设计系数F 值偏小时，如三、四类地区的输气管道，输送压力超过6MPa 以上的大管径管材，要求钢管大等级σs 将很高，甚至目前还无此高强度管材。

因此，在实际设计中，选用壁厚较厚，D ／δ一般是60～90，故σs ≤（30-45）P ／F 必要时甚至更厚，以满足要求。

从表1可以看出，如果按满足刚度及稳定性要求选用最小壁厚的管材，在设计系数较低时，径厚比较小，则几乎无此等级管材用于高压大口径管道。

因此在设计时只能适当增加管子壁厚，以降低使用应力σh ，便于选择合适的管材。

现举例说明。

一条管道外径D 为711mm ，设计压力P 为6.3MPa ，位于四类地区，设计系数F 为0.4，如何选用管材等级？根据国家标准GB 50251-94第5.1.3条选用最小壁厚δ＝6.5mm ，径厚比D ／δ为109，则环向应力σh 为：σh ＝δ2PD ＝5.627113.6X X ＝361MPa 如选用国内生产的X70级管材，则其许用应力[σ]为：[σ]＝ΦF σs t ＝1.0×0.4×482×1.0＝193MPa 显然σh >[σ],不满足强度要求，要满足σh ≤[σ]的要求，则σs ＝902.5MPa ，目前无此等级管材。

如若用式（1）计算壁厚选用，则X70级管材仍可用，选用壁厚为δ＝tF 2PD s σφ＝11.6mm 取标准壁厚11.9mm ，其径厚比不大于60，σh <[σ]满足强度要求。

表1 管材等级选用情况钢管屈服强度极限σs（MPa）输送压力设计系数FP（MPa） 0.4 0.5 0.6 0.725.0 375～875 300～700 250～583 208～4866.3 473～1 102.5 378～882 315～735 263～6129.0 675～1 575 540～1 260 450～1 050 375～87512.0 900～2 100 720～1 680 600～1 400 500～1 167输送压力对应GB9711所列管材等级P（MPa）设计系数F0.4 0.5 0.6 0.725.0 L390～无 L320～无 L290～无 L210～L4856.3 L485～无 L390～无 L320～无 L290～无9.0 无 L555～无 L450～无 L390～无12.0 无无无 L555～无输送压力对应APISepSL所列管材等级P（MPa）设计系数F0.4 0.5 0.6 0.725.0 X56～无 X46～无 X42～X100 B～X706.3 X70～无 X65～无 X46～无 X42～无9.0 X100～无 X80～无 X65～无 X56～无X100～无 X80～无三、结束语（1）输送油气用钢管的等级按设计输送压力的高低选用，不宜低压输送采用高强度等级管材，不宜高压输送采用低强度等级管材，由于受刚度与稳定性要求的影响，钢管壁厚受控，造成不经济。

（2）如条件允许，提高输送压力，采用高强度等级钢管，选用合适的壁厚，这种设计可以增大输量，节省管材，经济合理。

（3）选用的管型对管道工程造价是有一定影响的，特别是我国目前尚无生产UOE直缝埋弧焊管的条件，依靠进口将更不经济。

加拿大和德国对螺旋缝焊管（SSAW）的看法，在质量上与直缝埋弧焊管是等同的，而加拿大的油气管道70％采用了螺旋缝焊管，管径大于914mm的钢管几乎全用螺旋缝焊管。

但是加拿大的螺旋缝焊管在管材成型与焊缝残余应力处理上比我国先进，采用了先成型后焊接，并用机械扩径消除残余应力，变形控制自1.5％以内。

（4）选用管材必须提出韧性要求，既不允许发生脆性断裂，又要满足塑性断裂止裂要求。

根据管道所处的环境及输送介质性质，合理提出CVN值要求，必要时可通过增加管壁厚度，减少使用应力，以避免过高的CVN值要求，造成管材价格过高。

当然增加厚度也增加了管材总用量，需要对其进行对比和经济分析。