管道相關(guān)知識

管道

概述

管道是用管子、管子聯(lián)接件和閥門等聯(lián)接成的用于輸送氣體、液

體或帶固體顆粒的流體的裝置。

通常，流體經(jīng)鼓風(fēng)機、壓縮機、泵和鍋爐等增壓后，從管道

的高壓處流向低壓處，也可利用流體自身的壓力或重力輸送。管

道的用途很廣泛，主要用在給水、排水、供熱、供煤氣、長距離

輸送石油和天然氣、農(nóng)業(yè)灌溉、水力工程和各種工業(yè)裝置中。

當(dāng)流體的流量已知時，管徑的大小取決于允許的流速或允許

的摩擦阻力（壓力降）。流速大時管徑小，但壓力降值增大。因此,

流速大時可以節(jié)省管道基建投資，但泵和壓縮機等動力設(shè)備的運

行能耗費用增大。此外，如果流速過大，還有可能帶來一些其他

不利的因素。因此管徑應(yīng)根據(jù)建設(shè)投資、運行費用和其他技術(shù)因

素綜合考慮決定。

管子、管子聯(lián)接件、閥門和設(shè)備上的進(jìn)出接管間的聯(lián)接方法,

由流體的性質(zhì)、壓力和溫度以及管子的材質(zhì)、尺寸和安裝場所等

因素決定，主要有螺紋聯(lián)接、法蘭聯(lián)接、承插聯(lián)接和焊接等四種

方法。

螺紋聯(lián)接主要適用于小直徑管道。聯(lián)接時.，一般要在螺紋聯(lián)

接部分纏上氟塑料密封帶，或涂上厚漆、繞上麻絲等密封材料，

以防止泄漏。在1.6兆帕以上壓力時，一般在管子端面加墊片密

封。這種聯(lián)接方法簡單，可以拆卸重裝，但須在管道的適當(dāng)?shù)胤?/p>

安裝活接頭，以便于拆裝。

法蘭聯(lián)接適用的管道直徑范圍較大。聯(lián)接時根據(jù)流體的性

質(zhì)、壓力和溫度選用不同的法蘭和密封墊片，利用螺栓夾緊墊片

保持密封。在需要經(jīng)常拆裝的管段處和管道與設(shè)備相聯(lián)接的地

方，大都采用法蘭聯(lián)接。

承插聯(lián)接主要用于鑄鐵管、混凝土管、陶土管及其聯(lián)接件之

間的聯(lián)接，只適用于在低壓常溫條件下工作的給水、排水和煤氣

管道。聯(lián)接時，一般在承插口的槽內(nèi)先填入麻絲、棉線或石棉繩,

然后再用石棉水泥或鉛等材料填實，還可在承插口內(nèi)填入橡膠密

封環(huán)，使其具有較好的柔性，容許管子有少量的移動。

焊接聯(lián)接的強度和密封性最好，適用于各種管道，省工省料,

但拆卸時必須切斷管子和管子聯(lián)接件。

城市里的給水、排水、供熱、供煤氣的管道干線和長距離的

輸油、氣管道大多敷設(shè)在地下，而工廠里的工藝管道為便于操作

和維修，多敷設(shè)在地上。管道的通行、支承、坡度與排液排氣、

補償、保溫與加熱、防腐與清洗、識別與涂漆和安全等，無論對

于地上敷設(shè)還是地下敷設(shè)都是重要的問題。

地面上的管道應(yīng)盡量避免與道路、鐵路和航道交叉。在不能

避免交叉時，交叉處跨越的高度也應(yīng)能使行人和車船安全通過。

地下的管道一般沿道路敷設(shè)，各種管道之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以

便安裝和維修；供熱管道的表面有保溫層，敷設(shè)在地溝或保護(hù)管

內(nèi)，應(yīng)避免被土壓壞和使管子能膨脹移動。

管道可能承受許多種外力的作用，包括本身的重量、流體作

用在管端的推力、風(fēng)雪載荷、土壤壓力、熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力、

振動載荷和地震災(zāi)害等。為了保證管道的強度和剛度，必須設(shè)置

各種支（吊）架，如活動支架、固定支架、導(dǎo)向支架和彈簧支架等。

支架的設(shè)置根據(jù)管道的直徑、材質(zhì)、管子壁厚和載荷等條件決定。

固定支架用來分段控制管道的熱伸長，使膨脹節(jié)均勻工作；導(dǎo)向

支架使管子僅作軸向移動，

為了排除凝結(jié)水，蒸汽和其他含水的氣體管道應(yīng)有一定的坡

度，一般不小于千分之二。對于利用重力流動的地下排水管道，

坡度不小于千分之五。蒸汽或其他含水的氣體管道在最低點設(shè)置

排水管或疏水閥，某些氣體管道還設(shè)有氣水分離器，以便及時排

去水液，防止管內(nèi)產(chǎn)生水擊和阻礙氣體流動。給水或其他液體管

道在最高點設(shè)有排氣裝置，排除積存在管道內(nèi)的空氣或其他氣

體，以防止氣阻造成運行失常。

管道如不能自由地伸縮，就會產(chǎn)生巨大的附加應(yīng)力。因此，

在溫度變化較大的管道和需要有自由位移的常溫管道上，需要設(shè)

置膨脹節(jié)，使管道的伸縮得到補償而消除附加應(yīng)力的影響。

對于蒸汽管道、高溫管道、低溫管道以及有防燙、防凍要求

的管道，需要用保溫材料包覆在管道外面，防止管內(nèi)熱（冷）量的

損失或產(chǎn)生凍結(jié)。對于某些高凝固點的液體管道，為防止液體太

粘或凝固而影響輸送，還需要加熱和保溫。常用的保溫材料有水

泥珍珠巖、玻璃棉、巖棉和石棉硅藻土等。

為防止土壤的侵蝕，地下金屬管道表面應(yīng)涂防銹漆或焦油、

瀝青等防腐涂料，或用浸漬瀝青的玻璃布和麻布等包覆。埋在腐

蝕性較強的低電阻土壤中的管道須設(shè)置陰極保護(hù)裝置，防止腐

蝕。地面上的鋼鐵管道為防止大氣腐蝕，多在表面上涂覆以各種

防銹漆。

各種管道在使用前都應(yīng)清洗干凈，某些管道還應(yīng)定期清洗內(nèi)

部。為了清洗方便，在管道上設(shè)置有過濾器或吹洗清掃孔。在長

距離輸送石油和天然氣的管道上，須用清掃器定期清除管內(nèi)積存

的污物，為此要設(shè)置專用的發(fā)送和接收清掃器的裝置。

當(dāng)管道種類較多時一，為了便于操作和維修，在管道表面上涂

以規(guī)定顏色的油漆，以資識別。例如，蒸汽管道用紅色，壓縮空

氣管道用淺藍(lán)色等。

為了保證管道安全運行和發(fā)生事故時及時制止事故擴(kuò)大，除

在管道上裝設(shè)檢測控制儀表和安全閥外，對某些重要管道還采取

特殊安全措施，如在煤氣管道和長距離輸送石油和天然氣的管道

上裝設(shè)事故泄壓閥或緊急截斷閥。它們在發(fā)生災(zāi)害性事故時能自

動及時地停止輸送，以減少災(zāi)害損失。

管道金屬材料

一、管道金屬材料的選用

1.壓力管道金屬材料的特點

壓力管道涉及各行各業(yè)，對它的基本要求是“安全與使用”，

安全為了使用，使用必須安全，使用還涉及經(jīng)濟(jì)問題，即投資省、

使用年限長，這當(dāng)然與很多因素有關(guān)。而材料是工程的基礎(chǔ)，首

先要認(rèn)識壓力管道金屬材料的特殊要求。壓力管道除承受載荷

外，由于處在不同的環(huán)境、溫度和介質(zhì)下工作，還承受著特殊的

考驗。

(1)金屬材料在高溫下性能的變化

①蠕變鋼材在高溫下受外力作用時一，隨著時間的延長，緩

慢而連續(xù)產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。鋼材蠕變特征與溫度

和應(yīng)力有很大關(guān)系。溫度升高或應(yīng)力增大，蠕變速度加快。例如，

碳素鋼工作溫度超過300?350C,合金鋼工作溫度超過300?

400C就會有蠕變。產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力低于試驗溫度鋼材的屈

服強度。因此，對于高溫下長期工作的鍋爐、蒸汽管道、壓力容

器所用鋼材應(yīng)具有良好的抗蠕變性能，以防止因蠕變而產(chǎn)生大量

變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破裂及造成爆炸等惡性事故。

②球化和石墨化在高溫作用下，碳鋼中的滲碳體由于獲得

能量將發(fā)生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體并夾雜于鐵素體

中，其滲碳體會從片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，稱為球化。由于石墨強

度極低，并以片狀出現(xiàn)，使材料強度大大降低，脆性增加，稱為

材料的石墨化。碳鋼長期工作在425℃以上環(huán)境是地，就會發(fā)生

石墨化，在大于475℃更明顯。SH3059規(guī)定碳鋼最高使用溫度

為425℃,GB150則規(guī)定碳鋼最高使用溫度為450℃0

③熱疲勞性能鋼材如果長期冷熱交替工作，那么材料內(nèi)部

在溫差變化引起的熱應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生微小裂紋而不斷擴(kuò)展，

最后導(dǎo)致破裂。因此，在溫度起伏變化工作條件下的結(jié)構(gòu)、管道

應(yīng)考慮鋼材的熱疲勞性能。

④材料的高溫氧化金屬材料在高溫氧化性介質(zhì)環(huán)境中（如

煙道）會被氧化而產(chǎn)生氧化皮，容易脆落。碳鋼處于570℃的高

溫氣體中易產(chǎn)生氧化皮而使金屬減薄。故燃?xì)狻煹赖蠕摴軕?yīng)限

制在560℃下工作。

（2）金屬材料在低溫下的性能變化

當(dāng)環(huán)境溫度低于該材料的臨界溫度時，材料沖擊韌性會急劇

降低，這一臨界溫度稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。常用低溫沖擊韌

性（沖擊功）來衡量材料的低溫韌性，在低溫下工作的管道，必

須注意其低溫沖擊韌性。

（3）管道在腐蝕環(huán)境下的性能變化

石油化工、船舶、海上石油平臺等管道介質(zhì)，很多有腐蝕性,

事實證明，金屬腐蝕的危害性十分普遍，而且也十分嚴(yán)重，腐蝕

會造成直接或間接損失。例如，金屬的應(yīng)力腐蝕、疲勞腐蝕和晶

間腐蝕往往會造成災(zāi)難性重大事故，金屬腐蝕會造成大量的金屬

消耗，浪費大量資源。引起腐蝕的介質(zhì)主要有以下兒種。

①氯化物氯化物對碳素鋼的腐蝕基本上是均勻腐蝕，并伴

隨氫脆發(fā)生，對不銹鋼的腐蝕是點腐蝕或晶間腐蝕。防止措施可

選擇適宜的材料-，如采用碳鋼-不銹鋼復(fù)合管材。

②硫化物原油中硫化物多達(dá)250多種，對金屬產(chǎn)生腐蝕

的有硫化氫(H2S)、硫醇(R-SH)、硫酸(R-S-R)等。我國

液化石油氣中H2s含量高，造成容器出現(xiàn)裂縫，有的投產(chǎn)87天

即發(fā)生貫穿裂紋，事后經(jīng)磁粉探傷，內(nèi)表面環(huán)縫共有417條裂紋,

球體外表面無裂紋，所以H2s含量高引起應(yīng)力腐蝕應(yīng)值得重視。

日本焊接學(xué)會和高壓氣體安全協(xié)會規(guī)定：液化石油中H2s含量

應(yīng)控制在100x10-6以下，而我國液化石油氣中H2s含量平均為

2392x10-6,高出日本20多倍。

③環(huán)烷酸環(huán)烷酸是原油中帶來的有機物，當(dāng)溫度超過

220℃時一，開始發(fā)生腐蝕，270?280℃時腐蝕達(dá)到最大；當(dāng)溫度

超過400℃,原油中的環(huán)烷酸已汽化完畢。316L

(00Cr17Ni14Mo2)不銹鋼材料是抗環(huán)烷酸腐蝕的有效材料，

常用于高溫環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境。

2.壓力管道金屬材料的選用

(1)金屬材料選用原則

①滿足操作條件的要求首先應(yīng)根據(jù)使用條件判斷該管道

是否承受壓力，屬于哪一類壓力管道。不同類別的壓力管道因其

重要性各異，發(fā)生事故帶來的危害程度不同，對材料的要求也不

同。同時應(yīng)考慮管道的使用環(huán)境和輸送的介質(zhì)以及介質(zhì)對管體的

腐蝕程度。例如插入海底的鋼管樁，管體在浪濺區(qū)腐蝕速度為海

底土中的6倍；潮差區(qū)腐蝕速度為海底土中的4倍。在選材及防

腐蝕措施上應(yīng)特別關(guān)注。

②可加工性要求材料應(yīng)具有良好的加工性和焊接性。

③耐用又經(jīng)濟(jì)的要求壓力管道，首先應(yīng)安全耐用和經(jīng)濟(jì)。

一臺設(shè)備、一批管道工程，在投資選材前，必要時進(jìn)行可行性研

究，即經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，擬選用的材料可制定數(shù)個方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)

技術(shù)分析，有些材料初始投資略高，但是使用可靠，平時維修費

用省；有的材料初始投資似乎省，但在運行中可靠性差，平時維

修費用高，全壽命周期費用高。

(2)常用材料的應(yīng)用限制

常用材料限制條件見表1,常用材料使用溫度范圍見表2。

(3)管道常用金屬材料名稱及規(guī)格

常用鋼管名稱、標(biāo)準(zhǔn)、牌號及主要用途見表3。

二、API標(biāo)準(zhǔn)和管線鋼

早在1926年，美國石油學(xué)會(API)發(fā)布API-5L標(biāo)準(zhǔn)，最

初只包括A25、A、B三種鋼級，以后又發(fā)布了數(shù)次，見表4。

表4Api發(fā)布的管線鋼級

注：1972年API發(fā)布U80、U100標(biāo)準(zhǔn)，以后改為X80、

X100o

2000年以前，全世界使用X70,大約在40%,X65、X60

均在30%,小口徑成品油管線相當(dāng)數(shù)量選用X52鋼級，且多為

電阻焊直管(ERW鋼管)。

我國冶金行業(yè)在十余年來為發(fā)展管線鋼付出了極大的辛勞,

目前正在全力攻關(guān)X70寬板，上海寶山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公

司等X70,X80化學(xué)成分、力學(xué)性能分別列于表5?表9。表5武

鋼X80卷板性能表6X70級鋼管的力學(xué)性能表7X70級鋼

管彎曲性能檢測結(jié)果表8X70級鋼管的夏比沖擊韌性表9

高強度輸送管的夏比沖擊韌性

我國目前在輸油管線上常用的管型有螺旋埋弧焊管

(SSAW)、直縫埋弧焊管(LSAW)、電阻焊管(ERW)。直

徑小于152mm時則選用無縫鋼管。

我國20世紀(jì)60年代末至70年代，螺旋焊管廠迅速發(fā)展，

原油管線兒乎全部采用螺旋焊鋼管，“西氣東輸”管線的一類地區(qū)

也選用螺旋焊鋼管。螺旋焊鋼管的缺點是內(nèi)應(yīng)力大、尺寸精度差,

產(chǎn)生缺陷的概率高。據(jù)專家分析認(rèn)為，應(yīng)采用“兩條腿走路”的方

針，一是對現(xiàn)在螺旋焊管廠積極進(jìn)行技術(shù)改造，還中大有前途的；

二是大力發(fā)展我國直縫埋弧焊管制管業(yè)。

ERW鋼管具有外表光潔、尺寸精度高、價格較低等特點，

在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用。

三、鋼管

1.低壓和中壓鍋爐用無縫鋼管(GB3087—1999)

①低壓和中壓鍋爐用無縫鋼管牌號、尺寸規(guī)格與用途，見

表10。

②鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能，見表11和表12。

3.低壓液體輸送用焊接鋼管(GB/T3091—2001)

(1)牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能

牌號、化學(xué)成分(熔煉分析)應(yīng)符合GB/T700中Q215A、

Q215B、Q235A、Q235B和GB/T1591中Q295A、Q295B、

Q345A、Q345B的規(guī)定，力學(xué)性能應(yīng)符合表17的規(guī)定。

(2)制造方法

鋼管用電阻焊或埋弧焊方法制造。

(3)工藝試驗

①彎曲試驗公稱外徑D不大于60.3mm的電阻焊鋼管應(yīng)

進(jìn)行彎曲試驗，鍍鋅管彎曲半徑為8D,非鍍鋅管彎曲半徑為6D,

且彎曲角均為90%

②壓扁試驗公稱外徑D大于60.3mm的電阻焊鋼管應(yīng)進(jìn)

行壓扁試驗。

③液壓試驗液壓試驗壓力值見表18。

(4)焊縫余高

鋼管壁厚不大于12.5mm時，焊縫余高不大于3.0mm；鋼

管壁厚大于12.5mm時-，焊縫余高不大于3.5mm。

(5)鋼管長度

電阻焊(ERW)鋼管通常長度4?12m；埋弧焊(SAW)

鋼管通常長度3?12m。

(6)彎曲度

公稱外徑不大于168.3mm的鋼管，應(yīng)平直或按供需雙方協(xié)

議規(guī)定的彎曲度指標(biāo)；公稱外徑大于168.3mm的鋼管，彎曲度

不大于鋼管全長的0.2%。

(7)管端

壁厚大于4mm的鋼管，管端可加工坡口30。+5。0。，留根

1.6mm±0.8mm,管端斜度小于或等于5mm。

(8)外形尺寸和質(zhì)量

①公稱外徑不大于168.3mm的鋼管，其公稱口徑、公稱外

徑、公稱壁厚及理論質(zhì)量應(yīng)符合表19的規(guī)定。

②公稱外徑大于168.3mm的鋼管，其公稱外徑、公稱壁厚

及理論質(zhì)量應(yīng)符合表20的規(guī)定。

4.鍋爐用無縫鋼管

(1)鋼管規(guī)格

鍋爐用無縫鋼管分熱軋(擠壓、擴(kuò)管)和冷拔(軋)兩種，

執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB5310-1995o

①外徑、壁厚和理論質(zhì)量，見表21和表22。

②外徑和壁厚的允許偏差，見表23。

③鋼管通常長度為4?12mm。壁厚s415mm時-，彎曲度

不得大于1.5mm/m；15VsW30mm時一，彎曲度不得大于

2.0mm/m；s>30mm時，，彎曲度不得大于3.0mm/m。集箱管總

彎曲度不得大于12mm。

(2)鋼管的牌號和化學(xué)成分

鋼管的牌號和化學(xué)成分見表24。

(3)鋼管的熱處理制度

鋼管的熱處理制度見表25。

①當(dāng)熱軋15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG>

12Cr2MoG.12Cr1MoVG鋼管的終軋溫度符合表中規(guī)定的正火

溫度時，可以熱軋代替正火。

管道焊接技術(shù)

國內(nèi)外油氣管道焊接技術(shù)發(fā)展綜述

中國石油天然氣管道局科學(xué)研究院薛振奎隋永莉

0引言

我國的油氣資源大部分分布在東北和西北地區(qū)，而消費市場

絕大部分在東南沿海和中南部的大中城市等人口密集地區(qū)，這種

產(chǎn)銷市場的嚴(yán)重分離使油氣產(chǎn)品的輸送成為油氣資源開發(fā)和利

用的最大障礙。管輸是突破這一障礙的最佳手段，與鐵路運輸相

比，管道運輸是運量大、安全性更高、更經(jīng)濟(jì)的油氣產(chǎn)品輸送方

式，其建設(shè)投資為鐵路的一半，運輸成本更只有三分之一。因此，

我國政府已將“加強輸油氣管道建設(shè)，形成管道運輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)

略列入了“十五”發(fā)展規(guī)劃。根據(jù)有關(guān)方面的規(guī)劃，未來10年內(nèi)，

我國將建成14條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五

氣庫”，總長超過萬公里的油氣管輸格局。這預(yù)示著我國即將迎

來油氣管道建設(shè)的高峰期。

我國正在建設(shè)和計劃將要建設(shè)的重點天然氣管道工程有：西

氣東輸工程，全長4176公里，總投資1200億元，今年9月正

式開工建設(shè)，2004年全線貫通；澀寧蘭輸氣管道工程，全長950

公里，已于2000年5月開工建設(shè)，目前已接近完工，天然氣已

送到西寧；忠縣至武漢輸氣管道工程，全長760公里，前期準(zhǔn)備

工作已獲得重大進(jìn)展，在建的11條隧道已有4條貫通；石家莊

至涿州輸氣管道工程，全長202公里，已于2000年5月開工建

設(shè)，目前已接近完工；石家莊至邯鄲輸氣管道工程，全長約160

公里；陜西靖邊至北京輸氣工程復(fù)線；陜西靖邊至西安輸氣管道

工程復(fù)線；陜甘寧至呼和浩特輸氣工程，全長497公里；海南島

天然氣管道工程，全長約270公里；山東龍口至青島輸氣管道工

程，全長約250公里；中俄輸氣管道工程，中國境內(nèi)全長2000

公里；廣東液化天然氣工程，招商引資工作已完成，計劃2005

年建成。在建和將建的輸油管道有：蘭成渝成品油管道工程，全

長1207公里，已于去年5月開工建設(shè)；中俄輸油管道工程，中

國境內(nèi)長約700公里；中哈輸油管道工程，中國境內(nèi)長800公

里。此外，由廣東茂名至貴陽至昆明長達(dá)2000公里的成品油管

線和鎮(zhèn)海至上海、南京的原油管線也即將開工建設(shè)。除主干線之

外，大規(guī)模的城市輸氣管網(wǎng)建設(shè)也要同期配套進(jìn)行。

面對如此巨大的市場，如此難得的發(fā)展機遇，對管道施工技

術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。在同樣輸量的情況下，建設(shè)一條高壓大口徑

管道比平行建兒條低壓小口徑管道更為經(jīng)濟(jì)。例如一條輸送壓力

為7.5MPa,直徑1400mm的輸氣管道可代替3條壓力5.5MPa,

直徑1000mm的管道，但前者可節(jié)省投資35%,節(jié)省鋼材19%,

因此，擴(kuò)大管道的直徑已成為管道建設(shè)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。

在一定范圍內(nèi)提高輸送壓力可以增加經(jīng)濟(jì)效益。以直徑1

020mm的輸氣管道為例，操作壓力從5.5MPa提高至U7.5MPa,

輸氣能力提高41%,節(jié)約材料7%,投資降低23%。計算表明，

如能把輸氣管的工作壓力從7.5MPa,進(jìn)一步提高到10?

12MPa,輸氣能力將進(jìn)一步增加33?60%。美國橫貫阿拉斯加

的輸氣管道壓力高達(dá)11.8MPa,輸油管道達(dá)到8.3MPa,是目前

操作壓力最高的管道。

管徑的增加和輸送壓力的提高，均要求管材有較高的強度。

近年來，在保證可焊性和沖擊韌性的前提下，管材的強度有了很

大提高。由于管道敷設(shè)完全依靠焊接工藝來完成，因此焊接質(zhì)量

在很大程度上決定了工程質(zhì)量，焊接是管道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而

管材、焊材、焊接工藝以及焊接設(shè)備等是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因

素。

1我國石油天然氣管道建設(shè)初期焊接工藝應(yīng)用情況

我國在70年代初開始建設(shè)大口徑長輸管道，著名的“八三”

管道會戰(zhàn)建設(shè)了大慶油田至鐵嶺、由鐵嶺至大連、由鐵嶺至秦皇

島的輸油管道，解決了困擾大慶原油外輸問題。

該管道設(shè)計管徑cp720mm,鋼材選用16MnR,埋弧螺旋焊

管，壁厚6?11mm。焊接工藝方案為：手工電弧焊方法，向上

焊操作工藝；焊材選用J506、J507焊條，焊前烘烤400℃、1

小時，（p3.2打底、（p4填充、蓋面；焊接電源采用旋轉(zhuǎn)直流弧焊

機；坡口為6CTV型，根部單面焊雙面成型。

東北“八三”會戰(zhàn)所建設(shè)的管道已運行了30年，至今仍在服

役，證明當(dāng)年的工藝方案正確，并且施工質(zhì)量良好。

80年代初開始推廣手工向下焊工藝，同時研制開發(fā)了纖維

素型和低氫型向下焊條。與傳統(tǒng)的向上焊工藝比較，向下焊具有

速度快、質(zhì)量好，節(jié)省焊材等突出優(yōu)點，因此在管道環(huán)縫焊接中

得到了廣泛的應(yīng)用。

90年代初開始推廣自保護(hù)藥芯焊絲半自動手工焊，有效地

克服了其他焊接工藝方法野外作業(yè)抗風(fēng)能力差的缺點，同時也具

有焊接效率高、質(zhì)量好且穩(wěn)定的特點，現(xiàn)成為管道環(huán)縫焊接的主

要方式。

管道全位置自動焊的應(yīng)用已探索多年，現(xiàn)已有了突破性進(jìn)

展，成功地用西氣東輸管道工程，其效率、質(zhì)量更是其他焊接工

藝所不能比的，這標(biāo)志著我國油氣管道焊接技術(shù)已達(dá)到了較高水

平。

2管道施工用鋼管

2.1管線鋼的發(fā)展歷史

早期的管線鋼一直采用C、Mn、Si型的普通碳素鋼，在冶

金上側(cè)重于性能，對化學(xué)成分沒有嚴(yán)格的規(guī)定。自60年代開始,

隨著輸油、氣管道輸送壓力和管徑的增大，開始采用低合金高強

鋼（HSLA）,主要以熱軋及正火狀態(tài)供貨。這類鋼的化學(xué)成分:

C<0.2%,合金元素W3?5%。隨著管線鋼的進(jìn)一步發(fā)展，至IJ60

年代末70年代初，美國石油組織在API5LX和API5LS標(biāo)準(zhǔn)中

提出了微合金控軋鋼X56、X60、X65三種鋼。這種鋼突破了傳

統(tǒng)鋼的觀念，碳含量為0.1-0.14%,在鋼中加入40.2%的Nb、V、

Ti等合金元素，并通過控軋工藝使鋼的力學(xué)性能得到顯著改善。

到1973年和1985年，API標(biāo)準(zhǔn)又相繼增加了X70和X80鋼，

而后又開發(fā)了X100管線鋼，碳含量降到0.01-0.04%,碳當(dāng)量相

應(yīng)地降到0.35以下，真正出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的多元微合金化控

軋控冷鋼。

我國管線鋼的應(yīng)用和起步較晚，過去已鋪設(shè)的油、氣管線大

部分采用Q235和16Mn鋼?！傲濉逼陂g，我國開始按照API標(biāo)

準(zhǔn)研制X60、X65管線鋼，并成功地與進(jìn)口鋼管一起用于管線敷

設(shè)。90年代初寶鋼、武鋼又相繼開發(fā)了高強高韌性的X70管線

鋼，并在澀寧蘭管道工程上得到成功應(yīng)用。

2.2管線鋼的主要力學(xué)性能

管線鋼的主要力學(xué)性能為強度、韌性和環(huán)境介質(zhì)下的力學(xué)性

能。

鋼的抗拉強度和屈服強度是由鋼的化學(xué)成分和軋制工藝所

決定的。輸氣管線選材時，應(yīng)選用屈服強度較高的鋼種，以減少

鋼的用量。但并非屈服強度越高越好。屈服強度太高會降低鋼的

韌性。選鋼種時還應(yīng)考慮鋼的屈服強度與抗拉強度的比例關(guān)系一

屈強比，用以保證制管成型質(zhì)量和焊接性能。

鋼在經(jīng)反復(fù)拉伸壓縮后，力學(xué)性能會發(fā)生變化，強度降低,

嚴(yán)重的降低15%,即包申格效應(yīng)。在定購制管用鋼板時必須考

慮這一因素。可采取在該級別鋼的最小屈服強度的基礎(chǔ)上提高

40-50MPao

鋼材的斷裂韌性與化學(xué)成分、合金元素、熱處理工藝、材料

厚度和方向性有關(guān)。應(yīng)盡可能降低鋼中C、S、P的含量，適當(dāng)

添加V、Nb、Ti、Ni等合金元素，采用控制軋制、控制冷卻等

工藝，使鋼的純度提高，材質(zhì)均勻，晶粒細(xì)化，可提高鋼韌性。

目前采取方法多為降C增Mno

管線鋼在含硫化氫的油、氣環(huán)境中，因腐蝕產(chǎn)生的氫侵入鋼

內(nèi)而產(chǎn)生氫致裂紋開裂。因此輸送酸性油、氣管線鋼應(yīng)該具有低

的含硫量，進(jìn)行有效的非金屬夾雜物形態(tài)控制和減少顯微成份偏

析。管線鋼的硬度值對HIC也有重要的影響，為防止鋼中氫致

裂紋，一般認(rèn)為應(yīng)將硬度控制在HV265以下。

2.3管線鋼的焊接性

隨著管線鋼碳當(dāng)量的降低，焊接氫致裂紋敏感性降低，為避

免產(chǎn)生裂紋所需的工藝措施減少，焊接熱影響區(qū)的性能損害程度

降低。但由于焊接時管線鋼經(jīng)歷著一系列復(fù)雜的非平衡的物理化

學(xué)過程，因而可能在焊接區(qū)造成缺陷，或使接頭性能下降，主要

是焊接裂紋問題和焊接熱影響區(qū)脆化問題。

管線鋼由于碳含量低，淬硬傾向減小，冷裂紋傾向降低。但

隨著強度級別的提高，板厚的加大，仍然具有一定的冷裂紋傾向。

在現(xiàn)場焊接時由于常采用纖維素焊條、自保護(hù)藥芯焊絲等含氫量

高的焊材，線能量小，冷卻速度快，會增加冷裂紋的敏感性，需

要采取必要的焊接措施，如焊前預(yù)熱等。

焊接熱影響區(qū)脆化往往是造成管線發(fā)生斷裂，誘發(fā)災(zāi)難性事

故的根源。出現(xiàn)局部脆化主要有兩個區(qū)域，即熱影響區(qū)粗晶區(qū)脆

化，是由于過熱區(qū)的晶粒過分長大以及形成的不良組織引起的，

多層焊時粗晶區(qū)再臨界脆化，即前焊道的粗晶區(qū)受后續(xù)焊道的兩

相區(qū)的再次加熱引起的。這可以通過在鋼中加入一定量的Ti、

Nb微合金化元素和控制焊后冷卻速度獲得合適的t8/5來改善韌

性。

2.4西氣東輸管道工程用鋼管

西氣東輸管道工程用鋼管為X70等級管線鋼，規(guī)格為①1

016mmx14.6?26.2mm,其中螺旋焊管約占80%,直縫埋弧焊

管約占20%,管線鋼用量約170萬噸。

X70管線鋼除了含Nb、V、Ti外，還加入了少量的Ni、Cr、

Cu和M。，使鐵素體的形成推遲到更低的溫度，有利于形成針狀

鐵素體和下貝氏體。因此X70管線鋼本質(zhì)上是一種針狀鐵素體

型的高強、高韌性管線鋼。鋼管的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和

表2。

3焊接工藝

3.1現(xiàn)場焊接的特點

由于發(fā)現(xiàn)和開采的油氣田地處邊遠(yuǎn)地區(qū)，地理、氣候、地質(zhì)

條件惡劣，社會依托條件較差，給施工帶來很多困難，尤其低溫

帶來的麻煩最大。

現(xiàn)場焊接時，采用對口器進(jìn)行管口組對。為了提高效率，一

般是在對好的管口下放置基礎(chǔ)梁木或土堆，在對前一個對接口進(jìn)

行焊接的同時一，開始下一個對接準(zhǔn)備工作。這將產(chǎn)生較大的附加

應(yīng)力。同時由于鋼管熱脹冷縮的影響，在碰死口時最容易因附加

應(yīng)力而出問題。

現(xiàn)場焊接位置為管水平固定或傾斜固定對接，包括平焊、立

焊、仰焊、橫焊等焊接位置。所以對焊工的操作技術(shù)提出了更高、

更嚴(yán)的要求。

當(dāng)今管道工業(yè)要求管道有較高的輸送壓力和較大的管線直

徑并保證其安全運行。為適應(yīng)管線鋼的高強化、高韌化、管徑的

大型化和管壁的厚壁化出現(xiàn)了多種焊接方法、焊接材料和焊接工

藝。

3.2管道施工焊接方法

國外管道焊接施工經(jīng)歷了手工焊和自動焊的發(fā)展歷程。手工

焊主要為纖維素焊條下向焊和低氫焊條下向焊。在管道自動焊方

面，有前蘇聯(lián)研制的管道閃光對焊機，其在前蘇聯(lián)時期累計焊接

大口徑管道數(shù)萬公里。它的顯著特點就是效率高，對環(huán)境的適應(yīng)

能力很強。美國CRC公司研制的CRC多頭氣體保護(hù)管道自動

焊接系統(tǒng)，由管端坡口機、內(nèi)對口器與內(nèi)焊機組合系統(tǒng)、外焊機

三大部分組成。到目前為止，已在世界范圍內(nèi)累計焊接管道長度

超過34000km。法國、前蘇聯(lián)等其他國家也都研究應(yīng)用了類似

的管道內(nèi)外自動焊技術(shù)，此種技術(shù)方向已成為當(dāng)今世界大口徑管

道自動焊技術(shù)主流。

我國鋼質(zhì)管道環(huán)縫焊接技術(shù)經(jīng)歷了兒次大的變革，70年代

采用傳統(tǒng)焊接方法，低氫型焊條手工電弧焊上向焊技術(shù)，80年

代推廣手工電弧焊下向焊技術(shù)，為纖維素焊條和低氫型焊條下向

焊，90年代應(yīng)用自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊技術(shù)，到今天開始全

面推廣全位置自動焊技術(shù)。

手工電弧焊包括纖維素焊條和低氫焊條的應(yīng)用。手工電弧焊

上向焊技術(shù)是我國以往管道施工中的主要焊接方法，其特點為管

口組對間隙較大，焊接過程中采用息弧操作法完成，每層焊層厚

度較大，焊接效率低。手工電弧焊下向焊是80年代從國外引進(jìn)

的焊接技術(shù)，其特點為管口組對間隙小，焊接過程中采用大電流、

多層、快速焊的操作方法來完成，適合于流水作業(yè)，焊接效率較

高。由于每層焊層厚度較薄，通過后面焊層對前面焊層的熱處理

作用可提高環(huán)焊接頭的韌性。手工電弧焊方法靈活簡便、適應(yīng)性

強，其下向焊和上向焊兩種方法的有機結(jié)合及纖維素焊條良好的

根焊適應(yīng)性在很多場合下仍是自動焊方法所不能代替的。

自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用

到管道施工中的，主要用來填充和蓋面。其特點為熔敷效率高,

全位置成形好，環(huán)境適應(yīng)能力強，焊工易于掌握，是目前管道施

工的一種重要焊接工藝方法。

隨著管道建設(shè)用鋼管強度等級的提高，管徑和壁厚的增大，

在管道施工中逐漸開始應(yīng)用自動焊技術(shù)。管道自動焊技術(shù)由于焊

接效率高，勞動強度小，焊接過程受人為因素影響小等優(yōu)勢，在

大口徑、厚壁管道建設(shè)的應(yīng)用中具有很大潛力。但我國的管道自

動焊接技術(shù)正處于起步階段，根部自動焊問題尚未解決，管端坡

口整形機等配套設(shè)施尚未成熟，這些都限制了自動焊技術(shù)的大規(guī)

模應(yīng)用。

目前自動焊根焊主要采用ST

高壓、超高壓天然氣管道焊接技術(shù)發(fā)展趨勢

_xz_、-

一、刖a

隨著石油天然氣及石油化工工業(yè)的發(fā)展，以西氣東輸工程為

標(biāo)志，我國的長輸管道建設(shè)高峰期已經(jīng)到來。長輸油氣管道越來

越向大口徑、高壓力輸送方向發(fā)展。長輸管道下向焊技術(shù)自20

世紀(jì)60年代引進(jìn)我國以來，經(jīng)過兒十年的發(fā)展，目前已具有成

熟的手工下向焊技術(shù)，正在普及半自動氣體保護(hù)焊技術(shù)。全自動

氣體保護(hù)焊技術(shù)與下向焊技術(shù)的結(jié)合作為高壓管道焊接技術(shù)的

發(fā)展趨勢，將會在全國長輸管道建設(shè)中大力推廣。由于在“西氣

東輸”上海I-VI標(biāo)段工程中已經(jīng)成功應(yīng)用了手工下向焊技術(shù)及

自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的焊接工藝，已有較為完善的施工作

業(yè)規(guī)范，因此本文不再贅述。而對于STT技術(shù)半自動氣體保護(hù)

焊及全自動氣體保護(hù)焊在上海地區(qū)的燃?xì)夤艿乐胁⑽催M(jìn)行工程

實踐或焊接試驗，因此本文對這兩種焊接工藝進(jìn)行具體論述，為

上海地區(qū)承接今后的高壓燃?xì)夤艿拦こ烫峁┘夹g(shù)參考。

二、STT技術(shù)C02氣體保護(hù)半自動下向焊技術(shù)

STT型C02半自動焊是以STT焊接技術(shù)進(jìn)行管道的根焊，

根焊的保護(hù)氣體采用的是C02。采用藥芯焊絲（如林肯的

NR207）進(jìn)行自動送絲的手工焊接的焊接工藝。STT是“Surface

TensionTransfer”的英文縮寫，即表面張力過度的意思，是一種

焊接熔敷金屬過渡機理。（采用這種工藝的填充蓋面焊與我公司

采用的半自動焊的填充蓋面技術(shù)雷同，本文不再展開，所描述的

主要為STT根焊技術(shù)。）

1工藝特點：在壓力管道的焊接中STT焊是一種廉價、高效

的焊接方法。傳統(tǒng)的C02氣保護(hù)焊不能從根本上解決焊接飛濺

大、焊縫成形不理想的問題。而采用波形控制技術(shù)的STT型C02

半自動焊機，保證了焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，干伸長變化

影響小，顯著降低了飛濺，減輕了焊工勞動強度。

2工藝原理：由于STT技術(shù)的熔滴過渡是依靠液態(tài)金屬的表

面張力來實現(xiàn)的，有其自身特別的采用動態(tài)控制的一種焊接方

法。因此在焊道上產(chǎn)生的熔池很小且很集中以其優(yōu)異的性能拓寬

了C02半自動焊在長輸管道施工中的應(yīng)用領(lǐng)域。

3工程實例：中國石油天然氣管道局曾在蘇丹Muglad石油

開發(fā)項目首次使用了STT型C02半自動下向焊技術(shù)進(jìn)行管道打

底焊接，中原石油勘探局建筑集團(tuán)公司正在施工的陜京管線復(fù)線

京-石管線工程使用了STT型半自動下向焊技術(shù)。

4焊接參數(shù)見表1。

5焊接設(shè)備:目前，根據(jù)筆者了解，STT焊接設(shè)備目前僅有

林肯公司一家。

三、全自動氣體保護(hù)下向焊技術(shù)

全自動氣體保護(hù)焊是采用全自動焊機和保護(hù)氣體進(jìn)行管道

焊接的一種焊接工藝，一般采用僦氣或C02為保護(hù)氣體。

1工藝特點：由于熔化極氣體保護(hù)焊時焊接區(qū)的保護(hù)簡單，

焊接區(qū)域易于觀察，生產(chǎn)效率高，焊接工藝相對簡單，便于控制,

容易實現(xiàn)全位置焊接。但其對管道坡口、對口質(zhì)量要求高，即要

求管子全周對口均勻；對坡口型式要求嚴(yán)格，當(dāng)管壁壁厚較厚時,

確定工藝時采用復(fù)合型或U型坡口，不能僅考慮減少工作量，更

重要的是要考慮到坡口對焊接質(zhì)量的保證，小角度V型坡口雖然

簡化了施工程序，但從保證質(zhì)量角度分析，復(fù)合型坡L或U型

坡口更優(yōu)；此外是受外界氣候的影響較大，這也是氣體保護(hù)焊的

普遍問題；而氣源問題在東部地區(qū)如上海周邊則較容易解決。

2.工藝原理：管道全自動氣體保護(hù)焊技術(shù)使用可熔化的焊

絲與被焊金屬之間的電弧為熱源來熔化焊絲和鋼管，在焊接時間

向焊接區(qū)域輸送保護(hù)氣體以隔離空氣的有害作用，通過連續(xù)送絲

完成焊接。該工藝可實現(xiàn)全位置多機頭同時工作，打底焊可從管

內(nèi)部焊接，也可以管外部焊接，焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)一般在控制

臺或控制面板上。

3工程實例：鄭州-義馬煤氣管道工程（東段）鋼管材質(zhì)為

16Mn,直徑426mm,焊絲為H08Mn2SiA,焊絲直徑1.0mm。在

“西氣東輸”工程中，全自動氣保護(hù)焊也得到大范圍的應(yīng)用。

4焊接參數(shù)：應(yīng)當(dāng)注意的是，因每條焊道焊接參數(shù)不同，整

個焊縫的焊接參數(shù)應(yīng)根據(jù)管材規(guī)格及現(xiàn)場條件，通過焊接試驗合

格后方可應(yīng)用于生產(chǎn)。表2為采用藥芯焊絲+氣保護(hù)焊的全自動

焊的參數(shù)實例

5焊接設(shè)備：有英國的NOREAST全自動焊機、加拿大RMS

自動外焊機、PIPELINER全自動焊機。

6綜合分析：在半自動氣體保護(hù)焊或全自動焊接中，根焊依

然是關(guān)鍵的工序。在在高壓燃?xì)夤艿朗┕ぶ邪胱詣託怏w保護(hù)焊中

采用STT根焊+手工焊填充、蓋面。在高壓燃?xì)夤艿朗┕ぶ锌刹?/p>

用的全自動焊接技術(shù)有：外焊、內(nèi)焊、STT技術(shù)根焊以及外焊內(nèi)

銅襯墊根焊強制成型加外自動焊。全自動焊的熱焊可采用藥芯焊

絲+氣保護(hù)焊、實芯焊絲十氣保護(hù)焊、熔化極氨弧焊等工藝。根

據(jù)以上分析和各種焊接方法的應(yīng)用情況，在一般情況下，長輸管

道焊接應(yīng)以自保護(hù)半自動焊為主，像西氣東輸這樣的管道工程，

由于上海地區(qū)這樣的平坦地段宜推廣應(yīng)用自動焊，手工傳統(tǒng)焊接

方法及手工下向焊接方法為輔。

四、總結(jié):

管道采用STT氣保護(hù)根焊+自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊以及

全自動氣體保護(hù)焊技術(shù)以其焊接質(zhì)量高，焊接速度快等優(yōu)點，在

國外已經(jīng)普及，而在國內(nèi)則處于推廣階段。在平坦地區(qū)以及作業(yè)

環(huán)境比較好的條件下具有廣闊的應(yīng)用前景，我公司應(yīng)加強對于這

兩種焊接工藝的調(diào)研和試驗，為公司在高壓、超高壓管道施工作

好充分的技術(shù)裝備，以迎接天然氣市場發(fā)展所帶來的巨大市場。

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[2]《城鎮(zhèn)高壓、超高壓天然氣管道工程技術(shù)規(guī)程》

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工藝》

[4]API1104-99WeldingofPipelines&felatedfacilities

中壓蒸汽管道設(shè)計的探討

摘要：結(jié)合工程實例，討論了中壓蒸汽管道材質(zhì)的選取、蠕變

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復(fù)合保溫層

DiscussiononDesignofMediumPressureSteam