输气管道线路管材选择研究

【摘要】本文以天然气长输管道为例，概述了长距离输气管道的几大主要特点，并针对相应的特点，从大管径输气管道、高压输气管道、环境对输气管道内外壁的腐蚀情况、防止裂输气管道以及相关经济因素等几方面提出对现代化管材选择的建议。

【关键词】输气管道 高压 输气管材 管径防腐

1 输气管道现状及其特点

国外长距离输气管道发展较早，前苏联早在20世纪50年代就开始了长距离输气管道的建设。到了80年代已建成6条超大型输气管道系统，全长近20000公里，管道直径1220毫米～1420毫米，在当时已是世界上最宏大的管道工程。今日，随着经济与科技的高速发展，长输气管道技术更加成熟，我国的西气东输一二线均已贯通，西三线也将于2014全线贯穿通气。天然气输气管道发展到今天，共有以下几大特点：

1.1 大管径

国外主要干线天然气输气管道直径一般都在1000mm以上，并且这些大口径管道的施工技术都已经非常成熟。

1.2 高压输送

高压输送一方面降低了输送能耗和钢材的消耗，另一方面同时也降低了压缩天然气的能耗。目前，北美和欧洲地区的天然气管道压力普遍都在10Mpa以上，例如：北美联盟管道最大运行压力为12Mpa，挪威Statepipe管线输气压力为13.5Mpa，阿意输气管道最高出站穿越点压力高达21 Mpa。

1.3 内涂层减阻技术

目前，国外较成熟的输气管道均采用内涂层技术。输气管道经过内涂层后，一般可提高输气量5%～12%，同时有效降低设备磨损和清管次数，延长管道使用寿命。

1.4 外涂防腐技术

无论是埋地管道还是架空管道，均会受到不同程度的腐蚀，目前较为成熟的技术为通过对管道外壁涂覆防腐涂层，来增强管道的耐腐蚀性能。

1.5 高韧性管材

目前发达国家的输气管道普遍采用 X70级管材，最近几年 X80级管材也开始用于管道建设。据相关资料介绍，X80级管材可比X 70级管材节省建设费用7%左右。目前，美国、加拿大、法国等国家的输气管道已采用X80级管材。欧洲和日本的一些钢管制造商已经开始研制 X100级管材。

1.6 完善的调峰技术

为了保证安全可靠、高效连续的向用户供气，发达的欧美国家均已采用储气罐和地下储气库进行调峰供气。这些国家针对季节性调峰主要采用的有盐穴型和孔隙型两类地下储气库。对于较短期的日调峰和周调峰，则靠管道末端储气及地下管束储气来实现。储气罐以高压球罐为主，目前国外球罐最大几何容积已经达到5.55万立方米。

1.7 较高的压缩机组功率

目前国际上通过提高压缩机组的功率，普遍使用回热循环燃气轮机，并靠其提供动力或发电。国外干线输气管道压缩机组均采用大功率机组。例如欧美国家的压缩机站单套压缩机平均功率都在10千瓦以上，俄罗斯的天然气公司也是如此。同时，国外还大量采用压缩机磁性轴承、机械干密封和故障诊断等新技术，既延长了轴承的使用寿命，取消润滑油系统，减少了压缩机的运行成本，又从根本上提高了压缩机组运行的可靠性和完整性。

2 现代输气管道管材选择

（1）目前西方绝大部分国家所建设的天然气管道管径为1220mm，针对这类管径的钢管，应尽量使用较长的钢管，以减少管道在现场的焊接和检验工作量，提高工作效率，另外在高压输气的工艺下，1220mm以下管径在一般情况下已经可以满足天然气输量的要求，同时也更加节省钢材的消耗。

（2）天然气高压输送是当前国际管道输送技术的发展趋势，目前天然气高压输送的压力已达10～20MPa。其优势显著：通过高压输送可以使天然气的密度增加，流速下降，同时降低了管道内壁沿程的摩擦损失，进而提高了输送效率；天然气密度增加将有效提高其可压缩性能，减少压缩能耗，提高压缩效率；管道能耗下降，有效降低了压缩站装机功率，加大站与站间距，降低成本；高钢级减少了钢材消耗，降低材料费用。但高壓输送对钢材的要求也更高：要求使用强度更高、韧性更好管线钢。

（3）根据美国工业统计资料，1990年由于腐蚀造成的直接损失将近10亿美元。据此看出，管道防腐是管道工程的重中之重。腐蚀是指金属由于受到周围介质的化学、电化学作用下而产生的一种破坏现象。通常根据管道被腐蚀部位分为内壁腐蚀和外壁腐蚀；根据腐蚀形态分为全面和局部腐蚀；根据腐蚀机理分为化学和电化学腐蚀等。

内壁腐蚀指因输送介质的作用而对金属管道产生的腐蚀。主要有水腐蚀和介质腐蚀。水腐蚀顾名思义，指输送介质中的游离水在管壁上生成亲水膜，形成原电池而发生电化学腐蚀。介质腐蚀指除水以外的其他有害杂质（如硫化氢、二氧化碳等）直接与管道金属作用而产生的化学腐蚀。一般情况下，长距离输气管道的内壁同时存在这两种腐蚀，特别是在管道弯头、低洼积水处和气液交界面等地方。因为这些地方电化学腐蚀异常强烈，致使管壁或是大面积变薄或是形成腐蚀深坑。输气管道的内腐蚀穿孔多数是由这些深坑造成的。

外壁腐蚀主要由管道所处的外部环境决定。架空管道主要受大气腐蚀；水环境或土壤中的管道，则容易受到细菌腐蚀、土壤腐蚀和杂散电流腐蚀等。

针对环境对金属的腐蚀强度以及特殊机理，对输气管道线路管材提出了更高的耐腐蚀性能。同时配合内壁涂层、外壁涂层（或包扎层）加阴极保护等防腐措施，可有效的延长管道的使用年限。其中，管道内外壁的涂层防腐指的是用涂料均匀致密地涂敷在经过除锈处理的管道表面上，从而达到与各种腐蚀性介质隔绝的作用，是管道防腐中最重要最基本的方法之一。另外内壁由于采用特殊涂层，有效的降低了天然气与管道内壁的摩擦，不仅提高了输气效率，更减少了设备的磨损和清管次数；阴极保护技术是指将被保护金属极化成阴极来防止金属腐蚀的方法。

（4）有效止裂是高强度钢制天然气管道的设计的另一关键。这种管道的设计不仅要按许用应力法计算管道的强度外，而且还需要采用断裂力学方法来进行管道的止裂设计，并且对于管道施工在预热、对口、内外焊、补口以及超声波探伤等方面也提出了较高的要求。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，随着当今冶炼技术的提高，无论是低碳钢还是高强度微合金钢，均能有效控制碳当量，使其达到良好的可焊性要求。目前高强度等级钢管相比较低强度钢管，需要增加施工措施，当管材等级高于×65级时，低温地区组焊均要求预热和保温，防止冷裂纹。

（5）基于经济因素的考虑，针对管材选用的就经济性 E，涉及管径 D、管道长度L、管材等级 σs、钢管型式M、钢管壁厚δ及施工组焊费用Cw，可用E=f（L，D，δ，σs，M，Cw）表达，式中除了管道的固定值L、D外，M与Cw为可变因素，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，但考虑到其他的影响因素控制，σs不能无限提高。

参考文献

[1] 黄志潜.国外输气管道技术的发展现状和几点建议，2000（05）

作者简介

刘伟（1979-），男，工程师，学士，现任职于中油辽河工程有限公司，从事油气加工设计。