高压力大口径输油气管道钢管壁厚的选择

对于油气长输管道系统,合理选用线路钢管,不仅对管输系统的安全运行至关重要,而且可以节省管道建设投资。描述了相关标准选择钢管壁厚的传统原则以及高等级地区钢管壁厚的选择原则。分析了在人烟稀少地区采用0.8的强度设计系数选取管道壁厚的可行性;鉴于厚壁钢管生产难度的限制,研究了在高等级地区降低输气管道壁厚的实用性问题以及材料可用厚度的断裂力学限定问题。通过对管道断裂力学的限定分析,结合工程实例计算验证,得出高压力大口径管道在选用不同钢级钢管时理论壁厚的参考值。     

管径1524 mm的X90螺旋埋弧焊管研发

采用高压力、大口径、高钢级管道进行长距离的天然气输送已成为管道工业的重要发展趋势。X90管线钢管的应用将提高管道输送量,减小钢管有效壁厚,降低管道建设成本。采用低C、高[Mn+Nb]、高[Mo+Cr]的合金化成分设计及纯净钢冶炼技术与控轧控冷技术,开发出以粒状贝氏体为主的壁厚20.3 mm的X90热轧卷板;通过焊接工艺试验研究,优化设计出壁厚20.3 mm的X90管线钢管的焊接工艺;通过制管成型参数的优化设计,实现了高强度、大口径螺旋埋弧焊管的低残余应力控制。测试结果表明:试制开发的管径1 524 mm、壁厚20.3 mm的X90螺旋埋弧焊管的各项性能指标均达到相关技术规范要求,为X90高强度大口径钢管在中国的建设应用做好技术储备。(图6,表11,参26)     

基于验证试验法的X80钢级大口径三通设计

为了更科学、准确地确定长输管道用X80钢级大口径三通的壁厚等设计参数,通过一系列X80三通的实物爆破试验开展验证试验法研究,采用三通塑性成型主支管壁厚减薄系数K值,建立了大口径三通壁厚设计计算公式,确定了系列X80钢级大口径三通壁厚等设计参数,形成了西气东输三线工程用X80三通技术条件.研究结果表明,推荐的X80大口径三通壁厚与采用面积补强方法确定的壁厚相比大幅减小,不仅节约了原材料成本,降低了产品生产难度,而且有利于进一步提高产品质量,为今后管道工程用大口径三通的设计和制造提供依据.     

现行设计系数对中俄东线OD 1422mm管道的适用性

中俄东线天然气管道工程是大口径(OD 1 422 mm)、高压力输气管道,涉及新工艺、新管材的应用,按照目前我国管道设计标准规定的设计系数确定的管道壁厚能否保证管道安全运行,是其设计过程中的技术难题之一。利用我国天然气管道可靠性设计与评价技术研究成果,结合中俄东线OD 1 422 mm管道途经地区等级、管材性能、建设及运行维护参数,依据现行设计系数计算得到中俄东线天然气管道工程的3种管道壁厚分别为21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm。基于可靠性方法对管道失效概率进行计算分析,得到极端极限状态下管道失效概率分别为1.27×10~(-7)次/(km·a)、3.66×10~(-10)次/(km·a)、3.53×10~(-15)次/(km·a),均满足中俄东线天然气管道目标可靠度要求,表明按现有设计系数计算得到的管道壁厚对OD 1 422 mm管道设计是适用的,能够保障管道建成后安全平稳运行。     

高钢级大口径油气管道在役自动焊工艺

随着长输油气管道建设朝高压力、大口径、高钢级、大壁厚方向发展,油气管道在役焊接涉及的开孔三通、修复套筒等管件的壁厚也随之增大,采用手工电弧焊进行油气管道维修焊接效率低,且焊接质量难以保证,因此亟需实现油气管道在役焊接的机械化施工。从焊接工艺的选择、焊接试验过程、焊接材料选择、保护气体的影响以及焊接工艺评定试验等方面,开展了油气管道在役焊接自动焊工艺研究。通过自动焊技术在中国高钢级、大口径天然气管道B型套筒在役焊接中的现场工程应用,论证了在役焊接自动焊工艺的可行性。最后,提出了在役油气管道自动焊技术推广的建议。(图2,表1,参20)     

中国X80管线钢和钢管研发应用进展及展望

随着油气管道建设的快速发展,X80管线钢及钢管得到了大规模应用。回顾了中国X80高钢级管线钢及钢管的研发应用历程与主要进展,指出了面临的挑战,提出了发展建议。经过近20年的发展,建成X80油气输送管道约17 000 km,单管输气量达到380×10~8 m~3/a,X80管材生产及管道建设技术进入国际领跑者行列。形成了X80管线钢及钢管组织分析鉴别与评定、强度试验与屈强比控制、断裂与变形控制等关键技术,以及X80系列热轧板卷与大口径厚壁螺旋埋弧焊管制造技术、宽厚板与大口径厚壁直缝埋弧焊管制造技术、大应变管线钢及钢管制造技术、感应加热弯管及管件设计与制造技术。有力支撑了西气东输二线、中俄东线等重大管道工程建设。对于未来发展,提出如下建议:加强对制管用板卷或钢板的可焊性评价与控制,深化现场焊接技术及质量性能控制研究,推进高钢级管线钢及钢管在大输量管道建设中的应用,强化油气管道失效控制、完整性理论与技术的研究及应用。(参69)     

X80埋地管道应力腐蚀开裂关键影响因素研究进展

随着中国高压力、大口径、长距离X80管线钢埋地管道建设的迅猛发展,应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SCC)风险开始严重威胁管道服役安全。针对土壤环境中X80管线钢SCC关键影响因素,首先分析了交流杂散电流对X80管线钢SCC行为的影响及其机制,提出交流电与弹性应力具有协同作用,可共同促进X80管线钢的阳极溶解,并破坏钢表面致密腐蚀产物膜的状态,从而加速腐蚀。其次,综述了土壤环境中硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria,SRB)致管线钢SCC机理的研究现状,提出X80管线钢微生物致裂机理主要与细菌的生理活性、代谢产物、生物膜的形成有关。最后,提出了SRB作用下X80管线钢阴极保护电位选择的建议,同时建议将微生物因素纳入管线钢SCC评价体系。研究成果可为中国高强管线钢管道设计及安全服役提供理论基础。(图2,参46)     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。     

X80大口径三通低温断裂韧性试验

油气管道站场用管要求具有较高的低温抗断裂性能,尤其是三通等管件的壁厚较大,尺寸效应显著。为了确定低温服役的X80大口径三通的适用温度和壁厚,通过夏比冲击、落锤撕裂和三点弯曲试验研究了X80大口径三通的低温断裂韧性和尺寸效应,并利用失效评估图技术进行安全评估。结果表明：X80大口径三通具有较好的低温夏比冲击性能,但抵抗低温裂纹长程扩展的落锤撕裂性能较差。试验温度高于-20℃时,随着壁厚增大,DWTT断口剪切面积减小,在20℃、0℃和-10℃试验温度下的50％剪切面积临界壁厚分别为26mm、25mm和22mm。利用三点弯曲试验测得的低温断裂韧度计算的X80三通失效评估点均在安全区域内,而且有一定的安全裕量。（图7,表3,参12）     

长输管道全自动焊技术应用工程经济分析

长输管道全自动焊技术具有高效率、高质量和稳定性好的特点,被业内视为可胜任高强度钢、大口径、宽壁厚、高压力条件下长输管道建设发展的主流技术,但在我国长输管道建设的应用过程中,全自动焊接技术并未实现预期的效益。立足于长输管道建设基本单元的施工机组,对全自动焊接机组的管理现状进行分析;依据投入产出原理,提出全自动焊机组施工的经济焊接工程量;探讨了全自动焊检测的及时反馈对工程施工的影响。从工程经济学的角度对全自动焊接技术在长输管道建设中的应用前景予以展望。     

钢质天然气管道弯头壁厚设计

现行的输气管道相关规范规定,弯头壁厚8是弯头所连接的直管段管壁的计算厚度.分析了相关压力管道设计规范及管道和弯头的壁厚计算公式和程序,并以某工程天然气管道为例进行了壁厚计算,提出了应依据直管段最终选定壁厚来计算和确定弯头壁厚的建议.     

国内抗大变形管线钢研究及应用进展

随着国内长输油气管道的建设和发展,适用于地震断裂带等大应变地区的高强度抗大变形管线钢得到有效开发和应用。基于目前国内对抗大变形管线钢的研究成果,分析和总结了抗大变形管线钢的设计基础(拉伸应变、压缩应变)和典型特点(双相组织、低的屈强比、高的均匀延伸率和形变强化指数、典型的拱顶型应力-应变曲线),从轧制工艺、化学成分、组织性能、焊接工艺、腐蚀性能等方面分别探讨了抗大变形管线钢的研究进展及其影响因素,概述了目前国内相关标准要求、钢厂和钢管厂加工制造水平以及抗大变形管线钢的研究应用现状,研究成果有利于抗大变形管线钢的应用和推广。     

我国长输油气管道自动焊技术应用现状及展望

介绍了国内外长输油气管道自动焊技术和设备发展应用的历史,从机组设备和人员配置、焊接设备与工艺、焊接材料、操作工、标准及管理规定等方面阐述了我国管道自动焊技术的应用现状,对比分析了国内外管道自动焊技术应用在管理理念、设备应用、工程应用、施工组织、人员素质和标准判别等方面的差异,提出了今后我国管道自动焊应用技术的发展趋势。指出应该将自动焊作业及其上下游的相关工作作为一个技术体系统一协调与管理,并在该技术体系内追求各专业的技术进步及相关管理人员专业知识的提升。随着管道建设用钢管强度等级的不断提高,以及管径和壁厚的不断增大,管道自动焊接头的综合性能更优良,安全可靠性更高,其应用范围将会越来越广泛。     

盾构竖井内大口径管道预制安装设计及施工

中俄东线天然气管道黑龙江盾构穿越工程需要在竖井内安装直径1 422 mm、壁厚39 mm、曲率半径为5倍直径的热煨弯管,但在竖井内无法采用分段焊接安装的常规方法。基于此,设计了针对盾构竖井内安装大口径管道的技术方案。该方案在地面对盾构竖井内的热煨弯管和直管采用自动化焊接工艺形成一个大S弯管,再采用"穿洞法"吊装安装就位。所有焊缝经外观检查合格,并采用射线检验和超声波检验,16道口无损检测均满足中俄两国标准的要求,全部合格。该技术的成功应用实现了竖井内大口径管道和弯管一次吊装就位,解决了狭小空间无法使用全自动焊接的安装技术难题,可为今后此类盾构、顶管竖井内安装大口径管道提供参考。(图7,表1,参20)     

小断面盾构隧道内大口径管道曲线敷设技术

盾构法是管道穿越江河普遍采用的施工方法。以中俄东线天然气管道黑龙江盾构穿越工程中的管道安装为例,介绍了适用于大口径管道的曲线敷设技术。盾构隧道设计轴线为4%下坡段+弹性敷设段+平巷段+弹性敷设段+4%上坡段,安装直径1 420 mm、壁厚33.4 mm的K65直缝埋弧焊钢管。由于竖井操作空间有限,因此管道牵引过程不可逆。采用轨道小车运输管道+牵引的安装方式,小车面临悬空、脱轨及管道被卡风险,安装极为困难。采用小断面盾构隧道内大管径管道曲线敷设技术,解决了管道牵引系统的设计制造、管道小车在隧道曲线段的脱轨与悬空、竖井内S形管道穿针式吊装的技术难题,为今后此类盾构、顶管隧道内安装大口径管道提供了参考。     

国内外管道壁厚设计差异

各个国家在进行管道壁厚设计时所遵循的壁厚规范是不同的,在同一工况下设计的壁厚有所差异。为了保证壁厚计算的精确性,需要对各个国家的壁厚设计进行对比分析。主要介绍了美国、加拿大、英国、德国、欧洲、澳大利亚、俄罗斯及中国在管道壁厚设计规范的主要区别,列出了各个规范中采用的主要计算公式,分析了各个规范有关设计压力、管径、韧性和安全系数的定义和取值规定,对所有计算公式进行分类总结,并对计算结果进行了比较。同时对各个国家选用的壁厚设计规范进行评价和分类总结,便于工程设计人员合理分析使用。经比较发现,虽然公式形式略有不同,但均可回归到理论的壁厚计算公式。     

中俄水体穿越管道工程规范对比与应用

对比分析了俄罗斯CП108-34-97《水下穿越工程规定汇编》和中国GB50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》。在适用范围上,前者是针对某一条管道水体穿越工程的企业标准;后者是国内油气管道穿越工程的通用标准。在安全理念上,前者以相对安全距离要求保障事故后的人员和财物安全;后者以管道强度要求保证管道运行安全、预防事故发生。在设计安全性方面,前者计算的钢管穿越壁厚不足后者计算壁厚的70%,更强调以节省投资为前提的材料潜能的发挥。中亚天然气管道水体穿越工程,综合应用两国规范,有效保证了管道工程设计施工的科学性和安全性。     

输油管道应用防渗毯效果评价

为全面系统地评价防渗毯材料在输油管道中的应用效果,解决穿越环境敏感区域管道渗漏防护难题,结合防渗毯材料在管道工程中的实际应用,将管道发生事故时的油品泄漏原理、管道阴极保护影响、穿越及水工保护实施技术,与防渗毯材料的技术性能指标、试验检测数据进行对比,从材料性能、实施可靠性、使用寿命及经济性方面进行综合评价。结果表明:防渗毯材料不具有普遍适用性,对于小口径、低压力管道,可以作为有效的防渗措施之一,而对于大口径、高压力管道,则需要单独核算后应用。同时,提供了输油管道防渗防护的评价方法,为将来其他类似保护区的施工防护提供了借鉴。     

无缝管壁厚误差对承载能力的影响

包钢白云鄂博铁精矿矿浆管道工程采用直径为355.6×15.5mm的X65级无缝钢管,为了获得壁厚误差对承载能力的影响规律,基于俞茂宏统一强度理论,利用解析方法计算管道的弹性极限解和塑性极限解,并进一步分析材料强度参数和拉压比对管道极限承载力的影响,以及塑性极限和弹性极限之间的裕度。结果表明:解析解中包含壁厚与外径的平方比,能够更准确地反映壁厚和外径对弹性极限承载能力的影响;管道的弹性极限承载能力满足设计压力16MPa和试验压力28.2MPa的要求,最小壁厚14.3mm满足安全要求;提高钢管的韧性,可以改善管道的承载能力;管道从弹性极限到塑性极限仅有约8%的裕度。充分考虑钢管壁厚误差,以弹性极限作为设计准则的管道更加安全可靠。     

一种改进的CRLP最大许用操作压力设计方法

与传统管线钢管相比,复合材料增强管线钢管(CompositeReinforcedLinePipe,CRLP)具有承压能力高和质量轻等优势,但对其压力设计的研究尚不充分。CSAZ662-2015《油气管道系统》和GB/T35185—2017《石油天然气工业用复合材料增强管线钢管》中最大许用操作压力的设计思路不同,且设计结果差别较大。针对此问题,基于组合薄壁圆筒模型对承压CRLP进行分析,对最大许用操作压力下材料的名义许用应力和真实许用应力进行了区分,进而导出真实许用应力的显式表达形式,并以此作为设计安全裕度的评价指标。分析表明:现有规范和标准中的设计公式均无法保证管线钢和复合材料的真实许用应力为常量,对应两种设计方法,各组分材料的真实许用应力均随CRLP规格差异而发生变化,并且随着试压/预应力处理的历程而改变。基于上述分析和CRLP极限状态下的承载特征,提出一种改进的压力设计方法。新方法优先保证复合材料的真实许用应力为常量,并可由设计系数直接确定;在最大许用操作压力的计算中,考虑了加载历程的影响,物理意义明确。算例表明,其设计安全裕度较现有方法更为合理,对于CRLP压力设计的改进有参考价值。