PDF《油气输送管道用大直径双层埋弧焊管》

焊管.

第32卷第3期.2009年3月 应用与开发 油气输送管道用大直径双层埋弧焊管 李为卫 (中国石油天然气集团公司管材研究所石油管力学和环境行为重点实验室,西安710065) 摘要:随着油气管道输送量和压力的不断升高,钢管管径和壁厚不断增大,管线钢材料的钢 级和韧性不断提高,传统单层埋弧焊管的制造难度和成本不断加大.受双金属复合管结构和 多层超高压容器的启示,设计了一种大直径双层埋弧焊管,拟从结构上提高钢管的承压能力, 从而提高管道的输送能力.分析表明,双层埋弧焊管作为一种新型的管道钢管有许多结构特 点,但是要在油气管道中应用还有诸多技术问题需要解决. 关键词:油气管道;

双层管;

埋弧焊接;

结构特点;

应用 中图分类号:TG445文献标志码:A文章编号:1001―3938【2009)03一0027―04 Double Layer SAW Pipe with Large Diameter for Transmitting Oil and Gas U wei-wei (State Key Lab of Petroleum P枷Mechanics and Environment Behavior- Tubular Goods Research Center ofCNPC-Xi'

an 710065.China) Abstract:With demanding quantity and pressure increase of gas and oil transmitting pipeline,pipe diameter,wall・thick- nes$and material toughnes8 in pipeline steel were enhanced-the production difficulty and cost of traditional single layer SAW production were added.Learning from double metal complex structure and muhilayer OVer high-pressure container. double layer SAW with large diameter WaS designed-this will enhance pipe holding pressure capacity,∞it can improve pipe transmission capacity.The analysis results showed double layer SAW pipe∞a new kind of pipeline steel pipe has many characteristics-but many technology problems need to be solved in gas and oil pipeline application. Key words:gas and petroleum transmitting pipeline;

double layer pipe;

submerged ale welding;

structure charaeteris・ tics;

application 0前言 管道运输是一种安全、经济、不问断的大规模 输送方式,广泛用于石油、天然气的输送.由于人 们对经济效益和管道运行安全性的不断追求,管 道输送的流量和压力不断升高,管径和壁厚不断 增大,钢管用管线钢材料的钢级不断提高,材料的 韧性要求也越来越高.目前,大直径高压油气输 送用管线钢材料采用低碳或超低碳微合金成分的 低合金钢通过控制轧制工艺(TMCP)生产,技术 含量高,相应制造难度大、成本高.油气输送管道 大量采用直缝埋弧焊管,与螺旋埋弧焊管相比,直 缝埋弧焊管具有较多优势¨J,但是直缝埋弧焊管 的制造需要宽度较大的钢板.且随着厚度的增加, 生产技术难度增大,材料组织和力学性能的均匀 性变差.目前我国油气输送大直径直缝埋弧焊钢 管用管线钢板的厚度受到限制,质量稳定性差,成 材率低,成本高.如已开工建设的西气东输二线, 目前仅可以批量生产壁厚22 mill的X80级直缝 埋弧焊管.更大厚度的焊管还在试制过程中.从 长远来看,仅仅依靠提高材料的强度和厚度,发展 厚壁高强度管线钢来提高管道的输送能力终有一 个极限. 受双金属复合管结构和多层超高压容器的启 示,设计了一种大直径双层埋弧焊管,拟从结构上 提高钢管的承压能力,从而提高管道的输送能力. 如果能获得工业应用,将从管体结构上引发高压 输送钢管的一场革命.笔者就双层埋弧焊管的结 万方数据 ・28・ 焊管2009警3胃 构特点及其在油气管道应用中需要解决的技术问 题进行分析.

1 双层埋弧焊管结构特点及制造技术方案 设计的太直径双层埋弧焊管赢内管和外管组 成,内管和外管均采用宜缝双面埋弧焊钢管,如圈|新示.与一般双金溪复合管不同点在予,油 气输送管道用大直径双层埋弧焊管的内外管直径 大、壁厚大,丽一般双金属复合篱直径小(~般508 mm 1:2-f),内管壁j攀薄(一般l~3 mm).为 满足高压、大输量要求,大直径双层埋弧焊管的外 管外径可以设计在700一l

400 mm之间,内管的 矫径比外管酌内径小2―5 mm,酃惠外管之阉有 一定的间隙,这样可以保证将内管顺利地穿入外 管.内外管的厚度均可以设计在8~25 mm之间.这种大赢径双层埋弧焊管内管与外管同时承 受内压,为提高耐压能力,内管和外管的厚度可以 樱嗣也可以不同. 外管 外管焊缱 圈1双层埋弧焊管结构承意图 缝 大直径双层埋弧焊管可以通过两个单层直缝 埋弧焊管经过机械胀接复合在一起.内外层埋弧 焊管采用普通的直缝埋甄焊管工艺分别制造完成 后,采用机械方法将内管焊缝的外表面、外管焊缝 的内表面去除,然后将内管穿人到外管中,内管焊 缝与羚彗爝缝酶夹角调整囊45.一180.之阀.最 后采用机械胀管方法使内管产生较大的螺性变 形,外管产生弹性变形或比内管小的塑性变形,从 两使内管与外管紧密贴合在一起.与一般零层直 缝埋弧焊管相比,双层埋弧焊管仅增加了外管内 焊缝、内管外焊缝清理秘穿管工序. 内管和外管均采用控制轧制工艺(TMCP)生 产的符合API SPEC 5L{管线管规范》、GB/T

971 1 穰ISO 3183(石油天然气工韭簸邀钢管交货技术 条件管线钢管》的管线钢管.根据用途不同,内 管和外管的材料强度等级可以相同,也可以不同. 以下通过隧个例子说明双层埋弧焊管的结构特点 稚实施过稷. (1)例1:内外管壁厚和材料相同的双层管. 斑管郓外管采用直缝埋弧焊钢管,厚度为20 mnl, 钢级为X70(L485)或X80(1555).外管的外径 为1

016 mm,内管的外径为972 him,内管的外径 院外管的内径小4 mm.矮打瘸购方式将鹿管焊 缝的外表溺打磨至与内管本体外表面相平,将外 管焊缝的内表面打磨至与外管本体内表面相平. 然后采惩辘助祝槭装置将志管穿入到外管孛,内 管与外管焊缝的夹角约为1200,内管与外管中间 有平均2 mm的间隙,采用机械扩径方法使内管 产生1.2%的塑性变形,根据式(1)计算,捧管将 产生0.8%的塑性变形,内管与外管将紧密贴合 在一起,同时扩径还起到保证钢管尺寸精度和降 低焊接残余应力的目的. 扩径率=(D扩径腊一D扩径前)/ D扩径囊l}*100%. (1) (2)例2:内外壁厚和材料不相同的双层管. 与例l不同点在于,例2外管的外径为813 1'

1113'

1, 肉管酶羚径为780 mm;

外管的壁_荤隽20 mm,内 管的壁厚为10 mm;

内管选用具有抗氢致开裂 (HIC)和抗硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)的X60 (L415)级管线钢,外管选用X80级管线钢;

内管 焊缝与外管焊缝到内管和外管中心的夹角为 90.,其他与例l相网. 2双层埋弧焊管的优点 双层埋弧焊管的优点可以用一个很简单的例 子来说明.我们常见的起吊用钢丝绳,它可以承 受几十睫、上百吨的燕物,是由多狠缨的钢丝拧在 一起的,单根细钢丝制造难度小,强度可以达到很 高.钢丝很多,即使个别钢丝断裂也不会引起钢 丝绳的断裂,龟就是对缺陷敏感性低瑟安全可靠 性高.类似的结构还有由多层薄板带缠绕制造的 超高压容器. 通过上述的结构特点介绍可以看出,在篮力、 管径和输送量不变的条件下,采用与单层管等厚 的双层管,每层的厚度为单层嚣的一半.从耳翦 蹭内输气钢管的生产能力和质爨状况来看,壁厚 万方数据 第32卷第3期 李为卫:油气输送管道用大直径双层埋弧焊错 ・29・ 26.4 mm及其以下的X70级、X80级管线钢管讶 以批鬣生产,质墩能满足高压输气管道的要求,但是,随着管壁厚度的增加,钢管制造难度、质量稳 定性和成本大幅增加.丽对于壁厚26.4 mill以 上的X70级、X80级管线钢板,国内钢厂有些不 能生产,有些即使可以生产德质量不稳定,成材率 低.大直径厚壁钢管制造的主要难度在于厚壁钢 板的生产以及钢管纵缝的焊接,而采用双层埋弧 焊管,逡嚣个闻题露数迎秀丽解.如稚叛魇两个

15 mm的单层钢管复合成30 lnm的双层钢管,钢 管所需的钢板厚度大幅降低,使钢板制造的技术 难度也大辐降低,丽钢板豹性能求平、质量稳定 性、生产率和合格率可以大幅度提高,加上合金元 素添加量的减少,钢板制造的成本可以大幅降低. 楣对予厚壁钢管,薄壁锈管焊缝质量也可以大幅 提高.因此,采用双层埋弧焊管可以提高大直径 厚壁钢篱的生产率郓质量稳定性,并降低钢管的 制造成本.跌国外开发的XIOO/X120级管线钢 来看,基本上为薄瞳厚(20 mm以下),而大壁厚 的XIOO/X120级管线钢制造难度很大,双层管霹 以有效解决这个难题. 从另一个角度分析,在现有大壁厚钢板和钢 管制造能力纛技术水平基础上,采用双层堙薮爆 管,可以使钢管的壤厚成倍增加,如例l所示.我 们知道,管道的输气压力和输气量与钢管的壁厚 成正毙,霜现有裁造麓力制造双层管可以生产壁 厚、输送压力和输送量更大的钢管.例如,我们可 以用质量稳定、成本低的厚度21 mm的X70级钢 管,制造出壁厚42 mm的双层钢管,其承压能力 和输气照较普通的单层管成倍提高. 硫化物应力瘸蚀(SSC)秘氢致开裂(HIC》楚含H:S天然气输送管道的主要失效模式,随着管 线钢级的升高和钢管壁厚的增加,对管线钢抗氢 致开裂性能秘抗硫化物应力瘸{妾开裂性麓要求提 高,生产技术难度增大.目前,国外只开发出X80 钢级,圈内只开发出X65钢级的抗氢致开裂和硫 纯物应力腐{盎开裳翡管线钢,两普逶鹃管线镶麓 前国外发展到X120钢级,国内发展到X80钢级. 若输送的石油、天然气中含衣H:S,内篱选用具有 抗氢致开裂帮抗毓亿物应力腐蚀开裂的材料,外 管采用高强度等级的材料,可以发挥两种材料的 优势,降低大直径双层埋弧焊管的壁厚,同时保谣 管道的耐腐蚀性能要求. 从受力状况分析,薄蹙承压结构可以看作是 乎瑟应力状态,随着钢管蹙厚增加转化为三维应 力和平面应变状态,结构致脆因素增加,缺陷容限 指标降低;

相反,双层管降低了壁厚和厚度方向的 应力水平,抗脆艇麓力翻缺陷容限指标将提离. 式(2)一式(5)是国际上几个著名的天然气管道 的止裂韧性预测公式心],从防止延性断裂和止裂 的角度分橇,可以看出,钢管所需懿韧性(CVN)与 钢管的厚度t有关,双层管降低了壁厚,材料所需 的韧性降低,可以提高安全可靠性,更好地保证管 道的运行安全.扶袋陷的危害桎来说,双层管对 裂纹及其他穿透性缺陷的危害的敏感性更低,管 道更安全. Battelle:CVN=3.573*10~Fi(Rt)∞,(2) BG:CVN=1.5*10一ErH(2.08R/t05一*10 voR 笱/产75), (3) Mannesmann:CI,TV=29.97(2.87* 10~盯:75D 姻t0'

5蹦),(4) Japan:CVN=3.75*10一扩i 33Do.mto钉. (5) 3需要解决的技术问题 双层埋弧焊管要用于工程,一热技术问题需 要解决.分析认为,存在以下几个主要问题. 3.l 钢管的验收标准和制造工艺 现有的油气输送埋弧焊管标准有API SPEC 5L(管线管规藏》、GB/T

971 l和ISO 3183(石漉天 然气工业输送钢管交货技术条件管线钢管》以及 具体的工程技术条件.双层埋弧焊管的内外管可 以按这些掭准进行制造,蔫霭要确定的是惠外管复 合在一起后的制造和检验甏求,主要确定内外管的 间隙和扩径率.内外管的间隙过小,内外管的扩径 率接近,穿管礁凌大;

内黪管的阚隙过大,穿管容 易,假是扩径率相差大.扩径率太大,........