城市高压燃气厂站管道材料低温韧性探讨_技术研究

摘要

通过对比国内外标准规范，分析城市高压燃气厂站在低温运行条件下管道材料韧性的重要性，得出对韧性指标值的要求。

摘　要：通过对比国内外标准规范，分析城市高压燃气厂站在低温运行条件下管道材料韧性的重要性，得出对韧性指标值的要求。

关键词：高压燃气管道材料；低温；韧性；冲击功；夏比冲击试验；落锤撕裂试验

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

城市高压燃气厂站工艺设施主要采用地上敷设，直接与大气环境接触，东北和西北很多地区的极端最低气温可达到-30℃以下，最冷月平均气温低于-20℃。长输管道输气站把设计压力为10.0MPa的高压天然气调压成不高于4.0MPa的高压A天然气输配给城市天然气门站，受节流效应的影响，城市天然气门站中的天然气输送温度有时会下降到-20℃以下。在这样的低温运行条件下，材料的脆性增加，断裂危险性加大，为确保厂站安全运行，不仅要求管道具有一定的强度，还应有足够的韧性[1]。下面就城市高压燃气厂站内的管道在低温环境下材料的韧性指标进行分析。

2　标准规范对材料低温韧性的要求

2.1　对于管材的要求

GB 50028－2006《城镇燃气设计规范》(以下简称GB 50028－2006)第6．5．13条规定：

“站内工艺管道应采用钢管。燃气管道设计压力大于0.4MPa时，其管材性能应分别符合现行国家标准《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》GB／T 9711、《输送流体用无缝钢管》GB／T 8163的规定。”

根据该规范(GB 50028－2006)要求，城市高压燃气厂站用管道一般选用的管材为直缝高频电阻焊钢管(ERW)、直缝埋弧焊钢管(LSAW)和无缝钢管(SMLS)。

燃气用管道材料主要性能一般包括强度、韧性、可焊性、延性和耐蚀性，而在低温环境下或输送低温介质(一般0℃以下)时，钢管的壁温低于0℃，要求钢管应具有良好的低温冲击韧性。

韧性是指含裂纹的金属材料在破断前吸收能量和塑性变形的能力，它是金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，韧性指标是在低温环境下或输送低温介质时的一个非常重要的指标。

对于燃气用管道材料，韧性指标主要包括夏比冲击韧性值和落锤撕裂韧性值，这两项指标可以分别通过夏比V型缺口冲击试验和落锤撕裂冲击试验获得。

夏比冲击试验主要适用于外直径不小于114.3mm的输送钢管断裂韧性的测定，冲击试验对象可以是管体，也可以是焊缝。管体的基本特性一般由夏比V型缺口试样的断口剪切面积和冲击功来表示，控制该韧性指标是为了在燃气管道中避免脆性开裂，并控制延性断裂的扩展。

落锤撕裂试验主要适用于外直径不小于508mm且钢级不低于L360级输送钢管断裂韧性的测定，冲击试验的对象是管体。该指标与冲击试验的温度和冲击试验采用的试件大小紧密相关。因此，当出现冲击韧性的指标时，一般需标注试验温度和试件的大小。因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验3种。若按试样缺口形状又可分为“V”形缺口和“U”形缺口冲击试验2种。目前，钢管一般多采用“V”形缺口冲击试验。冲击试验是用一定尺寸(10mm×10mm×55mm)和形状的试样(长度方向的中间处有“U”形或“V”形缺口，缺口深度为2mm)，在规定试验机上受冲击负荷打击下自缺口处折断的试验。

燃气管线钢韧性值的高低将直接关系管道的安全性，韧性值高的钢管抵御外力破坏能力强，失效时阻止裂纹扩展能力也较强。管线钢应提出韧性要求[2]，在国外标准和国内管线钢标准中都已有明确规定。

ASME B31．8－1999《输气和配气管道系统》第841．11(C)条规定：

“如管径等于或大于NPSl6(相当于Ø406．4mm)的管子按操作时的环向应力为40％SMYS(规定的最小屈服强度)至80％SMYS设计时，或管径小于NPSl6的管子按操作时的环向应力为72％SMYS至80％SMYS设计时，应规定断裂韧性指标或其他方法以控制裂纹扩展。”

GB／T 24259－20094石油和天然气工业管道输送系统》第8．1．5条规定，输气管道中采用的公称直径大于150mm的碳素钢，其最小屈服强度小于等于360MPa的钢级，平均夏比冲击功不小于27J，单个试件的夏比冲击功不小于20J；最小屈服强度大于360MPa的钢级，平均夏比冲击功不小于40J，单个试件的夏比冲击功不小于30J。试验温度为管道最低工作温度。

管线钢管分为PSL1和PSL2两个质量级别，这两个级别钢管的化学成分、力学性能、无损检验等指标要求不同，PSL1钢管对无损检验、冲击性能没有要求，PSL2钢管在化学成分、力学性能、冲击性能、无损检验等指标上的要求均高于PSL1钢管。GB／T 9711—2011《石油天然气工业管道输送系统用钢管》第9．8节和9．9节中，提出了对PSL2钢管夏比冲击试验在0℃下试验的具体要求，L450钢级和L485钢级的公称直径大于700mm且小于等于1200mm的管线钢，平均夏比冲击功不小于40J，单个试件的夏比冲击功不小于30J；L450钢级以下且公称直径小于等于700mm的管线钢，平均夏比冲击功不小于27J，单个试件的夏比冲击功不小于20J。在附录G中，规定了L555级及以下钢级的PSL2焊接钢管的断裂韧性值计算的具体方法，但都是试验温度在0℃下的试验结论，对于更低温度的试验数据没有给出结果。

GB 150．2－2011《压力容器第2部分：材料》(以下简称GB 150．2－2011)第5．1．3条规定：

“GB／T 8163中10、20和Q345D钢管的使用温度下限相应为-10℃、0℃和-20℃、设计压力不大于4.0MPa，钢管壁厚不大于10mm；”

GB／T 20801．2－2006《压力管道规范工业管道第2部分：材料》第8．1．3条虽然规定了碳钢的最低使用温度和冲击试验免除条件，但是涉及的管线钢钢级只到L290级，不包含L290级以上管线钢材料。

2.2　对于管件的要求

城市高压燃气厂站用管件一般包括弯头(管)、三通、变径管、封头、汇气管等。在低温环境下或输送低温介质时，管件的韧性指标仍然要作为一项重要指标。

GB／T 12459－20054钢制对焊无缝管件》第7．5节和GB／T 13401－2005《钢板制对焊管件》第7．5节中，对16MnDR,09Mn2VDR等低温用钢要求必须做低温夏比冲击试验，试验要求和试验结果应符合GB 150．2－2011的规定，没有对管线钢制作的管件提出韧性要求。

SY／T 5257－2012《油气输送用钢制弯管》第8．4．3条中，规定了不同壁厚平均夏比冲击功试验最高温度的要求。

SY／T 0510－2010《钢制对焊管件规范》附录E1．3．4中，规定了抗拉强度小于655MPa碳素钢及低合金钢标准试件冲击功值的要求，同时也给出了冲击韧性试验温度确定的方法。

3　分析和建议

对于国内城市高压燃气厂站，通常设计压力为2.5MPa或4.0MPa，站内管材和管件的选取一般为管线钢，首先应明确厂站的设计温度，建议根据管道的最低运行温度确定设计温度。如果确定的设计温度低于-20℃，需对工艺管道和管件材料的冲击韧性值提出要求，冲击韧性的试验温度按照历年来最冷月的月平均最低温度减3℃确定，对于L450钢级以下的管线钢，平均夏比冲击功不应小于27J，对于L450钢级和L485钢级的管线钢，平均夏比冲击功不应小于40J。