摘　要：通過對(duì)比國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，分析城市高壓燃?xì)鈴S站在低溫運(yùn)行條件下管道材料韌性的重要性，得出對(duì)韌性指標(biāo)值的要求。

關(guān)鍵詞：高壓燃?xì)夤艿啦牧希?/span>  低溫；  韌性；  沖擊功；  夏比沖擊試驗(yàn)；  落錘撕裂試驗(yàn)

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?xì)鈴S站工藝設(shè)施主要采用地上敷設(shè)，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(dá)到-30℃以下，最冷月平均氣溫低于-20℃。長輸管道輸氣站把設(shè)計(jì)壓力為10.0MPa的高壓天然氣調(diào)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(yīng)的影響，城市天然氣門站中的天然氣輸送溫度有時(shí)會(huì)下降到-20℃以下。在這樣的低溫運(yùn)行條件下，材料的脆性增加，斷裂危險(xiǎn)性加大，為確保廠站安全運(yùn)行，不僅要求管道具有一定的強(qiáng)度，還應(yīng)有足夠的韌性[1]。下面就城市高壓燃?xì)鈴S站內(nèi)的管道在低溫環(huán)境下材料的韌性指標(biāo)進(jìn)行分析。

2　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)材料低溫韌性的要求

2.1　對(duì)于管材的要求

GB 50028－2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50028－2006)第6．5．13條規(guī)定：

“站內(nèi)工藝管道應(yīng)采用鋼管。燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力大于0.4MPa時(shí)，其管材性能應(yīng)分別符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件》GB／T 9711、《輸送流體用無縫鋼管》GB／T 8163的規(guī)定。”

根據(jù)該規(guī)范(GB 50028－2006)要求，城市高壓燃?xì)鈴S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?xì)庥霉艿啦牧现饕阅芤话惆◤?qiáng)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(zhì)(一般0℃以下)時(shí)，鋼管的壁溫低于0℃，要求鋼管應(yīng)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(duì)外來沖擊負(fù)荷的抵抗能力，韌性指標(biāo)是在低溫環(huán)境下或輸送低溫介質(zhì)時(shí)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

對(duì)于燃?xì)庥霉艿啦牧?，韌性指標(biāo)主要包括夏比沖擊韌性值和落錘撕裂韌性值，這兩項(xiàng)指標(biāo)可以分別通過夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)和落錘撕裂沖擊試驗(yàn)獲得。

夏比沖擊試驗(yàn)主要適用于外直徑不小于114.3mm的輸送鋼管斷裂韌性的測(cè)定，沖擊試驗(yàn)對(duì)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(biāo)是為了在燃?xì)夤艿乐斜苊獯嘈蚤_裂，并控制延性斷裂的擴(kuò)展。

落錘撕裂試驗(yàn)主要適用于外直徑不小于508mm且鋼級(jí)不低于L360級(jí)輸送鋼管斷裂韌性的測(cè)定，沖擊試驗(yàn)的對(duì)象是管體。該指標(biāo)與沖擊試驗(yàn)的溫度和沖擊試驗(yàn)采用的試件大小緊密相關(guān)。因此，當(dāng)出現(xiàn)沖擊韌性的指標(biāo)時(shí)，一般需標(biāo)注試驗(yàn)溫度和試件的大小。因試驗(yàn)溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗(yàn)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(yàn)2種。目前，鋼管一般多采用“V”形缺口沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)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(yàn)機(jī)上受沖擊負(fù)荷打擊下自缺口處折斷的試驗(yàn)。

燃?xì)夤芫€鋼韌性值的高低將直接關(guān)系管道的安全性，韌性值高的鋼管抵御外力破壞能力強(qiáng)，失效時(shí)阻止裂紋擴(kuò)展能力也較強(qiáng)。管線鋼應(yīng)提出韌性要求[2]，在國外標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)管線鋼標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于Ø406．4mm)的管子按操作時(shí)的環(huán)向應(yīng)力為40％SMYS(規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度)至80％SMYS設(shè)計(jì)時(shí)，或管徑小于NPSl6的管子按操作時(shí)的環(huán)向應(yīng)力為72％SMYS至80％SMYS設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)規(guī)定斷裂韌性指標(biāo)或其他方法以控制裂紋擴(kuò)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(qiáng)度小于等于360MPa的鋼級(jí)，平均夏比沖擊功不小于27J，單個(gè)試件的夏比沖擊功不小于20J；最小屈服強(qiáng)度大于360MPa的鋼級(jí)，平均夏比沖擊功不小于40J，單個(gè)試件的夏比沖擊功不小于30J。試驗(yàn)溫度為管道最低工作溫度。

管線鋼管分為PSL1和PSL2兩個(gè)質(zhì)量級(jí)別，這兩個(gè)級(jí)別鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、無損檢驗(yàn)等指標(biāo)要求不同，PSL1鋼管對(duì)無損檢驗(yàn)、沖擊性能沒有要求，PSL2鋼管在化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊性能、無損檢驗(yàn)等指標(biāo)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(duì)PSL2鋼管夏比沖擊試驗(yàn)在0℃下試驗(yàn)的具體要求，L450鋼級(jí)和L485鋼級(jí)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(gè)試件的夏比沖擊功不小于30J；L450鋼級(jí)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(gè)試件的夏比沖擊功不小于20J。在附錄G中，規(guī)定了L555級(jí)及以下鋼級(jí)的PSL2焊接鋼管的斷裂韌性值計(jì)算的具體方法，但都是試驗(yàn)溫度在0℃下的試驗(yàn)結(jié)論，對(duì)于更低溫度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有給出結(jié)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(yīng)為-10℃、0℃和-20℃、設(shè)計(jì)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(yàn)免除條件，但是涉及的管線鋼鋼級(jí)只到L290級(jí)，不包含L290級(jí)以上管線鋼材料。

2.2　對(duì)于管件的要求

城市高壓燃?xì)鈴S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(zhì)時(shí)，管件的韌性指標(biāo)仍然要作為一項(xiàng)重要指標(biāo)。

GB／T 12459－20054鋼制對(duì)焊無縫管件》第7．5節(jié)和GB／T 13401－2005《鋼板制對(duì)焊管件》第7．5節(jié)中，對(duì)16MnDR,09Mn2VDR等低溫用鋼要求必須做低溫夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)要求和試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合GB 150．2－2011的規(guī)定，沒有對(duì)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(yàn)最高溫度的要求。

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

3　分析和建議

對(duì)于國內(nèi)城市高壓燃?xì)鈴S站，通常設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa或4.0MPa，站內(nèi)管材和管件的選取一般為管線鋼，首先應(yīng)明確廠站的設(shè)計(jì)溫度，建議根據(jù)管道的最低運(yùn)行溫度確定設(shè)計(jì)溫度。如果確定的設(shè)計(jì)溫度低于-20℃，需對(duì)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(yàn)溫度按照歷年來最冷月的月平均最低溫度減3℃確定，對(duì)于L450鋼級(jí)以下的管線鋼，平均夏比沖擊功不應(yīng)小于27J，對(duì)于L450鋼級(jí)和L485鋼級(jí)的管線鋼，平均夏比沖擊功不應(yīng)小于40J。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鴻鵬，李顏強(qiáng)．門站調(diào)壓節(jié)流引起管道低溫的分析[J]．煤氣與熱力，2009，29(1)：B01-B04．

[2]周廷鶴．天然氣低溫運(yùn)行的危害分析及應(yīng)對(duì)措施[J]．煤氣與熱力，2013，33(6)：A22-A25．

本文作者：朱林  楊炯  車軒  李巖

作者單位：北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司