城市高壓燃氣廠站管道材料低溫韌性探討

摘要

通過對比國內外標準規(guī)范，分析城市高壓燃氣廠站在低溫運行條件下管道材料韌性的重要性，得出對韌性指標值的要求。

摘　要：通過對比國內外標準規(guī)范，分析城市高壓燃氣廠站在低溫運行條件下管道材料韌性的重要性，得出對韌性指標值的要求。

關鍵詞：高壓燃氣管道材料；低溫；韌性；沖擊功；夏比沖擊試驗；落錘撕裂試驗

Discussion on Low Temperature Toughness of Pipe Material in High Pressure City Gas Station

Abstract：Through comparison of domestic and foreign standards，the importance of pipe material toughness in high pressure city gas station operated at low temperature is analyzed，and the requirements for toughness index value are achieved．

Keywords：high-pressure gas pipe material；low temperature；toughness；impact energy；Charpy impact test；drop weight tear test

1　概述

城市高壓燃氣廠站工藝設施主要采用地上敷設，直接與大氣環(huán)境接觸，東北和西北很多地區(qū)的極端最低氣溫可達到-30℃以下，最冷月平均氣溫低于-20℃。長輸管道輸氣站把設計壓力為10.0MPa的高壓天然氣調壓成不高于4.0MPa的高壓A天然氣輸配給城市天然氣門站，受節(jié)流效應的影響，城市天然氣門站中的天然氣輸送溫度有時會下降到-20℃以下。在這樣的低溫運行條件下，材料的脆性增加，斷裂危險性加大，為確保廠站安全運行，不僅要求管道具有一定的強度，還應有足夠的韌性[1]。下面就城市高壓燃氣廠站內的管道在低溫環(huán)境下材料的韌性指標進行分析。

2　標準規(guī)范對材料低溫韌性的要求

2.1　對于管材的要求

GB 50028－2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(以下簡稱GB 50028－2006)第6．5．13條規(guī)定：

“站內工藝管道應采用鋼管。燃氣管道設計壓力大于0.4MPa時，其管材性能應分別符合現行國家標準《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件》GB／T 9711、《輸送流體用無縫鋼管》GB／T 8163的規(guī)定。”

根據該規(guī)范(GB 50028－2006)要求，城市高壓燃氣廠站用管道一般選用的管材為直縫高頻電阻焊鋼管(ERW)、直縫埋弧焊鋼管(LSAW)和無縫鋼管(SMLS)。

燃氣用管道材料主要性能一般包括強度、韌性、可焊性、延性和耐蝕性，而在低溫環(huán)境下或輸送低溫介質(一般0℃以下)時，鋼管的壁溫低于0℃，要求鋼管應具有良好的低溫沖擊韌性。

韌性是指含裂紋的金屬材料在破斷前吸收能量和塑性變形的能力，它是金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力，韌性指標是在低溫環(huán)境下或輸送低溫介質時的一個非常重要的指標。

對于燃氣用管道材料，韌性指標主要包括夏比沖擊韌性值和落錘撕裂韌性值，這兩項指標可以分別通過夏比V型缺口沖擊試驗和落錘撕裂沖擊試驗獲得。

夏比沖擊試驗主要適用于外直徑不小于114.3mm的輸送鋼管斷裂韌性的測定，沖擊試驗對象可以是管體，也可以是焊縫。管體的基本特性一般由夏比V型缺口試樣的斷口剪切面積和沖擊功來表示，控制該韌性指標是為了在燃氣管道中避免脆性開裂，并控制延性斷裂的擴展。

落錘撕裂試驗主要適用于外直徑不小于508mm且鋼級不低于L360級輸送鋼管斷裂韌性的測定，沖擊試驗的對象是管體。該指標與沖擊試驗的溫度和沖擊試驗采用的試件大小緊密相關。因此，當出現沖擊韌性的指標時，一般需標注試驗溫度和試件的大小。因試驗溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗3種。若按試樣缺口形狀又可分為“V”形缺口和“U”形缺口沖擊試驗2種。目前，鋼管一般多采用“V”形缺口沖擊試驗。沖擊試驗是用一定尺寸(10mm×10mm×55mm)和形狀的試樣(長度方向的中間處有“U”形或“V”形缺口，缺口深度為2mm)，在規(guī)定試驗機上受沖擊負荷打擊下自缺口處折斷的試驗。

燃氣管線鋼韌性值的高低將直接關系管道的安全性，韌性值高的鋼管抵御外力破壞能力強，失效時阻止裂紋擴展能力也較強。管線鋼應提出韌性要求[2]，在國外標準和國內管線鋼標準中都已有明確規(guī)定。

ASME B31．8－1999《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》第841．11(C)條規(guī)定：

“如管徑等于或大于NPSl6(相當于Ø406．4mm)的管子按操作時的環(huán)向應力為40％SMYS(規(guī)定的最小屈服強度)至80％SMYS設計時，或管徑小于NPSl6的管子按操作時的環(huán)向應力為72％SMYS至80％SMYS設計時，應規(guī)定斷裂韌性指標或其他方法以控制裂紋擴展。”

GB／T 24259－20094石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》第8．1．5條規(guī)定，輸氣管道中采用的公稱直徑大于150mm的碳素鋼，其最小屈服強度小于等于360MPa的鋼級，平均夏比沖擊功不小于27J，單個試件的夏比沖擊功不小于20J；最小屈服強度大于360MPa的鋼級，平均夏比沖擊功不小于40J，單個試件的夏比沖擊功不小于30J。試驗溫度為管道最低工作溫度。

管線鋼管分為PSL1和PSL2兩個質量級別，這兩個級別鋼管的化學成分、力學性能、無損檢驗等指標要求不同，PSL1鋼管對無損檢驗、沖擊性能沒有要求，PSL2鋼管在化學成分、力學性能、沖擊性能、無損檢驗等指標上的要求均高于PSL1鋼管。GB／T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管》第9．8節(jié)和9．9節(jié)中，提出了對PSL2鋼管夏比沖擊試驗在0℃下試驗的具體要求，L450鋼級和L485鋼級的公稱直徑大于700mm且小于等于1200mm的管線鋼，平均夏比沖擊功不小于40J，單個試件的夏比沖擊功不小于30J；L450鋼級以下且公稱直徑小于等于700mm的管線鋼，平均夏比沖擊功不小于27J，單個試件的夏比沖擊功不小于20J。在附錄G中，規(guī)定了L555級及以下鋼級的PSL2焊接鋼管的斷裂韌性值計算的具體方法，但都是試驗溫度在0℃下的試驗結論，對于更低溫度的試驗數據沒有給出結果。

GB 150．2－2011《壓力容器第2部分：材料》(以下簡稱GB 150．2－2011)第5．1．3條規(guī)定：

“GB／T 8163中10、20和Q345D鋼管的使用溫度下限相應為-10℃、0℃和-20℃、設計壓力不大于4.0MPa，鋼管壁厚不大于10mm；”

GB／T 20801．2－2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分：材料》第8．1．3條雖然規(guī)定了碳鋼的最低使用溫度和沖擊試驗免除條件，但是涉及的管線鋼鋼級只到L290級，不包含L290級以上管線鋼材料。

2.2　對于管件的要求

城市高壓燃氣廠站用管件一般包括彎頭(管)、三通、變徑管、封頭、匯氣管等。在低溫環(huán)境下或輸送低溫介質時，管件的韌性指標仍然要作為一項重要指標。

GB／T 12459－20054鋼制對焊無縫管件》第7．5節(jié)和GB／T 13401－2005《鋼板制對焊管件》第7．5節(jié)中，對16MnDR,09Mn2VDR等低溫用鋼要求必須做低溫夏比沖擊試驗，試驗要求和試驗結果應符合GB 150．2－2011的規(guī)定，沒有對管線鋼制作的管件提出韌性要求。

SY／T 5257－2012《油氣輸送用鋼制彎管》第8．4．3條中，規(guī)定了不同壁厚平均夏比沖擊功試驗最高溫度的要求。

SY／T 0510－2010《鋼制對焊管件規(guī)范》附錄E1．3．4中，規(guī)定了抗拉強度小于655MPa碳素鋼及低合金鋼標準試件沖擊功值的要求，同時也給出了沖擊韌性試驗溫度確定的方法。

3　分析和建議

對于國內城市高壓燃氣廠站，通常設計壓力為2.5MPa或4.0MPa，站內管材和管件的選取一般為管線鋼，首先應明確廠站的設計溫度，建議根據管道的最低運行溫度確定設計溫度。如果確定的設計溫度低于-20℃，需對工藝管道和管件材料的沖擊韌性值提出要求，沖擊韌性的試驗溫度按照歷年來最冷月的月平均最低溫度減3℃確定，對于L450鋼級以下的管線鋼，平均夏比沖擊功不應小于27J，對于L450鋼級和L485鋼級的管線鋼，平均夏比沖擊功不應小于40J。