输气管道工程用钢管、弯管介绍及选用

侯彦峰+齐卫东

摘要：当前世界特别是中国对天然气的需求大幅度快速增长，为了满足此种需求而需建设大输量的输气管道，对天然气管道提高输量的途径即是高压大口径，所以对钢管、弯管的设计选用提出更高要求。本文对输气管道工程用钢管、弯管做了简单介绍，对输气管道的设计选用程序和原则做了阐述。

关键词：输气管道 管型 钢级 热弯弯管 冷弯弯管

在输气管道工程中， 钢管的费用约占整个管道建设总费用的1/3左右，对整个工程的投资影响巨大。设计贯穿整个工程，设计中钢管、弯管及管件的选用是否合理，对整个工程来说至关重要。根据管道输的介质、管道途径地区自然条件、管径及设计压力等因素，结合几种常用钢管的优缺点及规范要求确定管型，进而完善弯管设计，才能做到工程设计选材合理、经济、安全。

1 输气管道选用程序和原则

1.1 输气管道选用程序

输气管道的选用一般是先根据下游用户用气需求、用气压力、管线长度、沿线高差等资料，然后经过工艺计算，确定最佳管径和设计压力。在管径和压力确定的基础上，再进行管材的选用设计。

1.2 管材设计选用原则

管材设计选用中应遵循以下原则：①输气管道多为高压输送，一旦发生大泄漏，后果不堪设想，因此，应将保证管道安全可靠、生产技术先进、价格经济合理放在首位。②应满足管道输送介质的特性、设计压力、环境温度、铺设方式以及所在地区等级的要求。对于不同工程，其管道输送介质、设计压力和途经地区自然条件不同，钢管的选用及其技术要求要有所不同。③钢管选用要考虑采购需求。国内钢管生产工艺和技术经过多年的发展，如今规格和种类都非常齐全，除特殊需求外，国内的钢管均能满足工程需要。因此管材选用时应结合国情，立足国内产品，综合考虑国内的生产和供货能力，以便快速地采购到所需的钢管。

2 输气管道用钢管

2.1 钢管分类

输气管道用钢管包括线路用钢管和站场用钢管；从管型上分有螺旋缝埋弧焊钢管、直缝埋弧焊钢管和直缝高频电阻焊钢管、无缝钢管；从钢级的使用上有B～X120的钢管。国内从B～X80都有批量生产的能力，并在管道工程中都有运用。

2.2 各管型的优缺点

①无缝钢管。优点：无缝焊、安全可靠，外形尺寸精度高，制作弯头质量好，小管径及小壁厚生产能力大。缺点：椭圆度大、壁厚偏差大、生产成本高、对于小管径的钢管，组对、焊接时不好控制。②直缝高频电阻焊钢管。优点：焊接时不需填充金属，并且加热速度快，使得热影响区小；外型尺寸精度高，适于做冷弯管和热煨弯管；价格便宜，在塑性、韧性等方面具有优良的性能。缺点：控制不好时，易产生未焊透的缺陷；受工艺过程的限制，钢管的外径和壁厚不能太大；高压力要慎用。③螺旋缝埋弧焊钢管。优点：在国内外油气管道工程中的应用已有相当长的历史；焊缝与管道轴线方向成一定的角度，焊缝避开了主应力方向，焊缝的止裂能力较直缝管好；焊管韧性的薄弱处避开了主应力，整体刚度好于直缝埋弧焊管；制造工艺简单、成本低。缺点：不能生产厚壁钢管，弯管性能较差；不宜用来制作热煨弯管；外型尺寸的精度相对较低，残余热应力较大。④直缝埋弧焊钢管（UOE）。优点：残余应力小、焊缝长度短、焊缝质量容易保证、成型质量好，外型尺寸精度高，一般来讲质量要优于螺旋缝埋弧焊管；能够生产厚壁钢管、弯管性能较好、生产效率也较高。缺点：价格一般比螺旋缝埋弧焊钢管高，且定货周期要长。相比于JCOE管，焊缝应力比较集中。⑤直缝埋弧焊钢管（JCOE）。优点：焊缝避开了主应力方向，相对于UOE管，生产速度较快。目前国内成型的生产设备较多。能够生产厚壁钢管、弯管性能较好。缺点：相比于UOE管，残余应力较大，成品率较低，椭圆度大，屈强比相对较大。

2.3 管型的选择

设计中钢管选用的步骤一般是先选择管型，再确定钢级。管型的选择应结合项目实际情况（管输介质、管径、设计压力、沿途的自然状况）、国内生产、运用情况和钢管价格等因素综合考虑。

①管径：管径的标准尺寸应该参照ISO4200。管径一般指管道外径，用D表示。管径采用1系列。标准管外径如下：10.2；13.5；17.2；21.3；26.9；33.7；42.4；48.3；60.3；76.1；88.9；114.3；139.7；168.3；219.1；273；323.9；355.6；406.4；457；508；610；711；813；914；1016；1067；1118；1219；1422。在工程运用中比较常见的不同管型对应的管径有：a无缝钢管：D114.3～D273；b直缝高频电阻焊钢管：D219.1～D406.4；c埋弧焊钢管：D406.4及以上。②壁厚：壁厚根据《输气管道工程设计规范》GB50251-2003或《城镇燃气设计规范》GB50028-2006中计算公式计算而来。然后向上圆整，选取设计壁厚。设计壁厚不小于规范中规定的最小壁厚。在城镇燃气管道设计中，为保证管道与建筑物的安全距离，往往加大壁厚。在长输管道设计中，在人为活动频繁的区域，往往通过增加地区等级系数，从而加大管道壁厚，达到提高管道安全性的目的。管道壁厚不宜过小，如果壁厚过小，在焊接时，根焊产生的电弧很容易把钢管打穿。管道壁厚不宜小于5.6mm。原规范GB/T9711中规定了标准壁厚，GB/T9711-2011中取消了标准壁厚的说法。现在，由于管道原材料——钢板生产工艺的提高，一般壁厚的钢板都能迅速生产。现在，给钢管厂家提非标壁厚时，无需增加原材料费用。对于小的管道工程，钢管用量较少，尽量选择标准壁厚，减少采购难度；对于大的管道工程，可以根据计算壁厚圆整选择壁厚。③钢级：钢材的钢级反应了钢材的强度，钢级越高强度越大。GB/T9711中钢级用LXXX表示，其中XXX为管材的最小屈服强度。在确定管径范围内选择几种常用钢级（一般是三种），然后通过技术（生产能力）、经济比选最终确定钢级。做经济比选时，必须要向有能力、有业绩的钢管厂询价，且注明价格有效期，且有效期不超过半个月。管材询价至少询两家，可研阶段可以取价格较高者，初步设计阶段应取价格平均、适中的厂家。询价应根据项目的具体位置，考虑到管材的运输，应就近选择厂家。endprint

2.4 钢管设计选用应注意的问题

①几何尺寸偏差直接影响到管道焊接质量；②无缝钢管尺寸偏差一般大于焊接钢管尺寸偏差或相等；③管端尺寸偏差必须严于管体；④中石油钢管标准尺寸偏差一般严于API5L。

3 热弯弯管

3.1 定义

弯管：用以在管道中改变介质流向，且弯曲半径为母管外径数倍的两端带直段的圆弧形管段。

母管：用于制作弯管的直管。

弯曲半径：从弯管的弯曲中心到其中心轴线的距离。

中性面：母管弯制过程中弯管弧面上壁厚不变的截面（为曲面）。

制造工艺规范（MPS）：规定母管材质性能、弯制工艺、弯后热处理设备和工艺，无损检测，管端坡口型式及尺寸等内容的技术文件，包括检测及评定结果。

壁厚减薄率：母管实际壁厚最小值和管段外弧侧壁厚最小值之差与母管实际壁厚最小值比值的百分率。

3.2 弯管结构

弯管由弯曲部分（弧面）和直段构成。弧面包括受拉的外弧侧和受压的内弧侧，以及壁厚不变而形状改变的中性面。在弧面两端各有一段管形不变的直管段，即直段。

直段的长度规定：DN≤500mm时，L≥250mm

DN>500mm时，L≥500mm

3.3 对母管的要求

①母管的生产。根据管道工程的规模和弯管数量的大小确定母管的生产。②母管与管道直管的区别。母管在弯管制作过程中要经过中频感应高温加热弯制，因此其性能和金相组织均会发生变化，特别是屈服限可能下降30-40Mpa。③对母管性能和化学成分的要求。一般要求母管和与其相邻的管道直管具有相同/相近的钢级、化学成分、力学性能和尺寸偏差，且具备再加热加工的性能和不出现裂纹等缺陷的能力。

3.4 母管采用的管型

①当管道直管用无缝钢管时，则弯管的母管选用无缝钢管；②当管道直管用焊接钢管，则弯管的母管选用直缝管；③有的工程也采用螺旋焊焊管作母管，但较少。

3.5 制造工艺规范（MPS）评定程序

①制定弯管初步MPS；②弯管试制；③进行试制弯管的检测和设计验证试验（即压力爆破试验）；④编制试制报告；⑤修正初步MPS，形成正式MPS。

3.6 弯管性能要求

①总体性能要求：应与所采用的母管性能基本相同。②具体性能要求项目：弯管主要的性能要求包括：拉伸性能、冲击韧性（管外径不小于114.3mm或壁厚不小于6mm的弯管进行试验）、硬度、金相组织、晶粒度、焊管焊缝的导向弯曲试验、高频电阻焊管的压扁试验。

对处于酸性环境下的弯管还应要求按标准规定进行氢致开裂试验（HIC）和硫化物应力开裂试验（SSCC）。

3.7 对母管和弯管的具体规定

①母管不允许拼接；②母管不允许与低熔点金属（Cu、Zn、Al、Pb等）接触；③弯管焊缝位置的确定；④弯制时应连续，不允许停留、中断；⑤弯管热处理应提出要求；⑥弯管不允许切割使用。

3.8 弯管制造中主要缺陷

①弯管内外表面出现裂纹。基本上可归纳为4种裂纹：过热过烧致裂纹；低熔点金属污染裂纹；管体表面划伤致裂纹；钢板表面补焊致裂纹。②弯管性能或几何尺寸偏差不合格。

4 冷弯弯管

4.1 管型选用

冷弯管管型选用有两种方案，主要是针对螺旋缝管的选用：①与管道直管为同一管型；②全部选用直缝管。

4.2 冷弯管母管

应是已作防腐层的直管且已检验合格作为冷弯管的母管。

4.3 弯曲半径和直段长度最大弯曲角

①弯曲半径R≥18D～40D，根据管径不同选定，R的选定应考虑管道通过地区的地形、地貌和地物而定；②直段长度：一般取两端各2m；③最大弯曲角根据工程自行决定。

4.4 对冷弯管的质量要求

主要对冷弯管的防腐层和内涂层、圆度、波浪度提出要求。

5 结语

输气管道上使用何种类型的钢管至今仍是国内、外管道工程界一直在探讨和争论的一个问题。输气管道的设计必须根据工程实际情况，经过方案比选，合理选择管型和壁厚，尽可能做到最优化设计。同时我国钢管制造企业只有不断完善其管道的生产工艺，提高管道的制造水平，确保管道的综合质量，才能在当今飞速发展的长输管道行业留有一席之地。

参考文献：

[1]段常贵.燃气输配（第三版）.

[2]张振永.长输油气管道的钢管设计选用[J].焊管第29卷第2期，2006年3月.

[3]高晋.长距离输气管道工程线路钢管选型与供管方案[J].石油工程建设，2009年S1期.

[4]GB/T9711-2011石油天然气工业管线输送系统用钢管.

[5]GB 50251-2003输气管道工程设计规范.

作者简介：

侯彦峰（1984-），男，陕西铜川人，设计员，初级职称，研究方向：燃气设计；齐卫东（1987-），男，河北邯郸人，设计员，初级职称，研究方向：燃气设计。endprint