基于线路设计角度的西气东输二线管道安全性分析与对策.pdf

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1、石油天然 气学报 ( 江汉石油学院学报 )2 0 1 3 年 8 月 第 3 5 卷 第 8 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y( J J P I )A u g 2 0 1 3 V o 1 3 5 N o 8 基 于线路设计角度 的西气 东输 二线管道 安全性分析 与对 策 郑 照东 ，杨光 ( 中国石油天然气管道局国 事 业部， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要从设计角度对 西气东输二线 的管道安全性进行论述 ，并主要 从气质组分 和钢管 韧性控制要 求、在 故障条件下如何控制管体 的腐蚀 、钢管 强度指

2、标 范围要求 、管道通 过活 动断裂 带时对钢 管性 能及 焊接 的 一些要求 以及在高地 区等 级的管道壁 厚如何选择 和施 工过程 中主要 的质 量控制 因素等方 面进行 了分析 并 制定 出了相应对策 。 关键词西 气东 输二线工程；安全性 ；气质组分 ；腐蚀 ；管道壁 厚 中图分类号T E 8 8 l 文献标 志码A 文章编号1 0 0 0 9 7 5 2( 2 0 1 3 )0 8 0 3 0 7 0 4 0 西 气东 输二 线工 程 可行性 研 究项 目于 2 0 0 7年 2月 2 8日正 式 启 动 ；该 工程 区域跨 度 大 ，经 过 新疆 、 甘肃、宁夏 、陕西 、河南 、

3、湖北 、江西、广东 、广西 、浙江 、江苏 、上海 、四川、香港共 1 4个 省、特 区和直辖市 ，管道沿途地形、地质、地貌情况复杂 ，气候区域跨度大 ；工程气源涉及来 自土库曼斯坦 、 哈萨克斯坦等方 向的国外气和新疆气 田、陕西气田、四川气 田等的国内气 ，气质复杂 ；工程大部分采用 大壁 厚 AP I 5 I X 8 0钢 ，活 动 断裂带 穿 越段采 用 特殊 的大 变形 钢 。上述 因素都 对 工程 的安全 性 提 出 了严 峻 的挑 战 ，笔者 基 于管 道线路 设 计角 度就 工程 的安 全性 作初 步探 讨 。 影响管道安全 的关键 因素 资 料统 计显 示 ，导致 在 役 管

4、 道 发 生 破 坏 的关 键 因 素 有 如 下 几 点 ： 钢 管 材 料 因素 ； 焊 接 因 素 ； 腐 蚀 因素 ；施 工 因素 ； 地质 灾 害 因素 ；人 为破 坏 因素 。虽然 近些 年来 ，对 管道 建设 过程 中相关 关键 因素 的考量 日臻 完善 ，但 面 对新 的管 道材 质 ，在某 些方 面研 究 尚有不 足之 处 ，可能 会对 管道 的安 全 造成 隐患；下面就基于线路设计角度对影响工程安全性 的相关方面作深入探讨 。 2 气质组分和钢管韧性控制 要求 同样 材质 和 壁厚 的管 道 ，同样 的内压 力 ，但 气 质组 分不 同 ，管道 韧 性要 求 并 不 同 ，

5、这 主 要有 如下 2 个方 面 原 因 ： 气质 组分 不 同 ，气体 的可 压缩 性就 不 同 ，管 道 发生 开裂后 气体 的膨 胀 比率不 同 ，裂纹 扩 展 的驱 动力就 不 同 ；根 据 国外最 近试 验 记 录 ，当管 道 中重 烃化 合 物体 积 分 数达 到 一 定 限制 ，如 C 以 上烃 类物 质体 积分 数超 过 6 V oo 以后 ，管道 发生 开 裂时 ，由于液相 重 烃化 合 物 的存 在 ，使 得裂 缝 区域 压力 泄放 异 于正 常情 况 ，即在 1 h内管 内压 力趋 于一 个较 高 的数值 ，学术 上 叫 “ 上 平 台现象 ” 。这 样 ，就 明显 地增

6、 大 了裂 纹扩 展 的驱 动力 ，管 道更 不容 易发 生止 裂 。 而西 气东 输 二线 工程 输送 气体 来 源多 ，其 中 国外气 有来 自土 库曼 斯坦 、哈萨克 斯坦 等方 向气 源 ，国 内气有来 自新疆气田、陕西气 田、四川气 田等气源 ，气质复杂 ，根据其组分中甲烷体积分数的不同，可 以将其分为 3类 ，分别是贫气 、富气和介于两者之间的中性气 。根据 目前得到的信息 ，各个气源气质组 收稿 日期2 0 1 3 0 62 3 作者简介郑照东 ( 1 9 6 9一 ) ，男 ，1 9 9 5 年 大学毕业 ，高级工程 师，现 主要从事 焊接工程方面的工作 。 学兔兔 w w w

7、 .x u e t u t u .c o m3 0 8 油气管 遂工程 2 0 1 3 年 8 月 根据 不 同的气质 组分 ，参考 相关 研究 成果 ，提 出初 步 的韧性 控制方 案见 表 2 。 表 2 不 同气质对钢管质量控制要求 表 2中数 据相 对保 守安全 的数 据 ，即 提 出 的韧性 要 求数 值 相 对偏 高 ；由于 国 内钢 厂 对 X 8 0钢 的 研 究 尚不 十分成 熟 ，椐 笔者 分析认 为 ：根 据 国 内正 在讨 论 制 定 的规 范来 看 ，国 内钢厂 生 产 的 X 8 0钢 其 屈 服 强度 、抗拉 强度 、屈 强 比以及断 裂韧性 是合格 的 ，但是

8、国外 厂家 的产 品强度 区间更 窄 ，断裂韧 性最 小 值更高 ，相对于国外产品，国内产品不能说是严格意义上的 X 8 0钢，就国内厂家的技术实力 ，不能生 产出质量稳定 的满足中性气输送要求 的 X8 0钢。而西气东输工程二线项 目建设 的一个重要原则是：力 争 1 0 0 采 用 国产钢 管 。为 了尽 可能 达到上 述 目标 ，考 虑如 下解决 方案 。 方案 1 ：气质净 化在 气体 进入 管道前 ，对 管输气 体净 化处 理 ，分 离 出其 中高碳 组分 气 体 ，使 管 输 气 体达 到贫气 的水 平 。 方案 2 ：提 高钢 材韧 性水 平 加 强 国内炼钢 企业 的冶金 水平

9、 和钢板 制 造工 艺水 平 ，提 高 钢材 的韧 性 水 平 ，使之 符合 中性气 甚至 富气 的输送要 求 。 方案 3 ：降低 管道 开裂控 制水平 表 2中 的数 据是 基于 管道一 旦开 裂 ，钢管本 身 的韧 性水 平可 以保 证裂纹 在扩 展 2 0 m 后 止裂 的断裂 控制 原则 。如果将 2 0 m 的止 裂长度 增加 为 4 0 m 左 右 ，则 一类 地 区 的 中 性气输送钢管韧性水平可以降低到国内厂商可以满足要求的钢管。考虑管道在一类地区发生破坏时 ，开 裂长度 一定 范 围 内的增 加对 周 围危害程 度 的影响较 小 ，可 以采取稍 微宽 松 的开裂控 制原 则

10、 。 方案 4 ：人 为增加 钢管壁 厚 将地 区等 级水 平定 为 2级 以上 ，维 持 2 0 m 止 裂 的管 道 开裂 控 制原 则 不变 。 综 合 以上分 析 ，结合 工程 的实 际特 点及 经济 因素 ，方案 3更合 理 。 3 管道上游处理设施故障条件下管体的腐蚀控制 管道建成后运行多年 ，上游处理设施难免会发生故障，这将会导致气体组分 中的 H。 s和 C O 。 体积 分数增加 ，已经不符合文献 1 中规定的二类 以上气体组分要求 ，这样会对管体产生腐蚀 ；如何防止 西气东输二线管道发生类似情况或者从设计角度提出类似情况出现时的技术解决方案 ，是设计 的责任所 在 ，笔 者

11、考虑 的解 决方案 如下 。 1 ) 气源地增加 备 用处理设 备 由于是 系统 问题 ，这样 当然会 大 大增加 上游 企业 的投资 。 2 )选 用可 以抗低度 H s和 C O 的钢材 由于 气体组 分 中的 H。 S和 C O 体 积分数 增加 的短 时特性 ， 可 以考 虑采用对 H。 S和 C O 腐 蚀有 相 当抵 抗 能力 的钢材 。 3 )钢管壁厚选择时考虑适当的腐蚀余量 同样基于气体组分中的 H S和 C O 。 体积分数增加的短时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 3 5卷第 8期 郑照东 等 ：基 于线路设计角度的西气 东输 二线管道安全

12、性分析与对策 特性 ，可以在钢管壁厚选择时考虑适当的腐蚀余量来解决钢管腐蚀 问题 ，一般要增加 2 ram 左右的腐蚀 余 量 ，但 钢 管投 资要 相应 增加 约 1 0 左 右 。笔 者参 与 设 计 的 利 比亚 西 部 管道 项 目就 是采 取 这 一思 路 来 解 决 这一 问题 的 。 4 钢管强度指标范围要求 西气 东 输二 线工 程钢 管 的强 度指 标要 求见 表 3 。根据 最新 信 息 ，为 了提 高 产 品合 格率 ，各 个 钢板 生 产厂家实际生产的产 品其最低屈服强度大大高于规定的最小屈服强度，譬如屈服强度大于 6 3 0 MP a ，则 钢管 实 际上 强度 等级

13、 达 到 了 X9 0钢级 。而相 关 的计 算 和研 究 都 是 基 于 X 8 0钢 级进 行 的 ，这 会 给相 关 工 作 带来 很大 困难 。 表 3 西气东输二 线工程钢管的强度指标 注 ： 为 。 根据国外工程资料和相关的咨询公司规定 ，实际供货钢管的最高屈服强度数值不能 比规定最小屈服 强 度数 值 高 I O O MP a( 规 范要 求为 1 0 3 MP a ) 。该 规定 是从 焊接 工艺 的角 度考 虑 的 ，是 为 了便 于选 取适 配 的焊接 材料 。 而根据规定 ，合乎不带套管穿越铁路公路要求 的 X 8 0钢级 的最小抗拉强度应该不小于 9 0 p s i(

14、约 6 2 5 MP a ) ；对 比国 内二 线钢 管标 准 和上 述 美 国已建 X 8 0管 道 的强 度 范 围数 值 可 以看 得 出 ， 国 内生产 厂 家 的生产 工艺 成熟 度还 是有 明显 的差距 。 对于需要 1 0 0 高匹配焊接的专用大变形钢 ，国内钢厂产品的这一问题 已经给焊接工艺的制定提出 了严峻的挑 战。根据 目前焊接工艺方面的研究进展 ，二线穿越活 动性地震断裂带用的 X S O钢级大变形 钢 ， 由于 国 内厂家 目前 可 以提 供 的产 品屈服 钢管 强度 范 围过 大 ，国际 上现有 成 熟 的半 自动焊接 用药 芯焊 丝 达 不到 和钢 管 高强 匹配

15、的要 求 ，通过 活 动性 断裂 带 的钢管 不得 不采 用全 自动 焊接 或者 手工 电弧 焊 。而 国外 同类 钢材 价格 则成 倍增 加 。 5 管道通过活动断裂带时对钢管性能及焊接要求 在大 变形 钢 出现 之前 ，管 道焊 接焊 缝 强度 高匹 配指 的是 ：焊 缝金 属 的屈服 强度 高于 管材规 定 最低屈 服极限；对应于文献 2 ，则操作层面的控制原则是 ：断裂不发生在焊缝 ；如果断裂发生在焊缝 ， 则焊缝断裂时的抗拉强度要大于或者等于钢管规定最低抗拉强度 。 实际焊接工艺制定时 ，只要保证焊缝 的屈服强度 高于管体母材规定最小屈服强度数 值 3 O 5 0 MP a 即可容

16、易 实现 ，即大 约要保 证 焊缝 金属 的屈 服极 限 大于 等于 5 8 5 6 0 5 MP a即可 。 而穿越活动性地震断裂带用的 X 8 0钢级大变形钢的焊接 ，则必须保证管道在发生地表沉 陷、侧 向 水 冲刷 或 遇到 地震 活 动时充 分 发挥 钢管 本身 的延 性 和韧性 性 能 。 由于 管道 现场 焊接 环焊缝 力学 性 能与管 体 材料 本 身力 学性 能 差距更 明显 ，则这 时 焊接焊 缝 强度 高匹 配指 的是 ：焊 缝金 属 的屈服 强度 高于 实际供 货钢管的最高屈服极限。按照上述原则 ，则应该大于 6 9 0 MP a 。可见 ，其实现的难度要比普通钢管的焊

17、接要大得多。通过活动性地震断裂带用大变形钢管除了焊接方面的特殊要求外 ，还有表格 4的要求 。 表 4通过 活动性地震断裂带用大变形钢 管附加要求 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m油 气管 道工程 2 O 1 3 年 8 月 当管道通过活动断裂带时 ，目前的研究还不能准确给出地震的可能性、烈度等级等 ，相关研究结果 仅仅是一种机率性结果，对烈度等级 、持续时间等都难 以给出，所 以当管道不得不通过活动性地震断裂 带时 ，还需 要采取 综合 措施 对管 道加 以保护 。 6 高地区等级地区的管道壁厚选择 从促进 国内钢管产业的技术进步和为未来建设更大 口径管道做技术

18、储备的需要，在 2 0 0 7年 9月份 之前西气东输二线工程一直致力于设计一条输送压力 1 2 MP a 、直径 1 2 1 9 mm 的 X 8 0钢级管道 。虽然国 内钢板 和 钢管供货 商作 出了不懈 努 力 ，但碍 于 X8 0钢 级 的系 列技 术 障 碍 ，特别 是 国 内厂 家 即使 经 过设 备换装 也不 能生 产 3 3 mm 壁 厚 的 1 2 1 9 mm 管 道这 一 事 实 ，最后 不 得不 全 线 降低 压 力成 l 0 MP a ，直 径 改 为 1 0 1 6 ram。 虽然根据传统的管道壁厚选择原则，遵照文献 3 中要求选取。但笔者认 为，在高等级地区管道

19、的壁 厚选 择可 以另行 考虑 。 1 ) 一级地 区选 择 0 7 2的设 计 系 数 ，是 基 于 大量 统计 资料 显 示 的下 列 事 实 ：在 役管 道 的 腐蚀 损 坏 9 O 发生 在运 行压 力超过 7 2 的钢管规 定最 小屈 服强 度 的管道 上 ；当管 道 的运 行压 力 低 于 7 2 的钢 管 规定 最小 屈服 强度后 ，管 道损 坏 的机 率大 大降低 。 2 )至于 二级地 区、三级地 区和 四级地 区 的管道壁 厚 选择 原 则 ，并 没 有 严谨 的统 计 资 料或 者 试验 数 据 支持 ，只是 其他 领域设 计原 则 的类 推结 果而 已 。因此 ，在高地

20、 区等 级 区域 ，特 别是 四类地 区 ，当计算 需要壁厚钢管实际生产可实现难度很大时，可以另行考虑。 3 )单 纯 靠增加 管道 壁厚来 提高 管道 的安全 性 ，也 不 能阻止 故意破 坏 和地 质灾 害等 。 4 )笔者 参与设 计 的泰 国天然气 管道 项 目 ( 直 径 9 1 4 mm，压力 9 MP a ) ，经 过 的地 区等级 多 为三 级 ， 所 以三级 地 区计算 壁厚 是 1 4 6 8 ram，而 四级 及定 向钻穿 越大 型河流 其壁 厚仅仅 为 1 5 2 4 ram。 5 )文献 E 4 中给出的高地区等级区域钢管壁厚选择原则的建议 ，通过实际的试验验证管道壁

21、厚降 低的可行性 。由于试验过程相对简单 ，试验周期短 ，因此对于大型管道项 目，完全可以考虑 。 7 施工过程质量控制因素 除了常 规 的施 工程 序外 ，还要 在如下 几个 方面 加 以注意 。 1 )焊接对 口 文献 E s 中规定 ，现场环焊缝焊接管 口组对时母管焊缝要错开至少 1 0 0 mm。根据 管 道开 裂时 裂纹扩 展趋 向，上述规 定应 该 修正 为 ：母 管焊 缝 要错 开 至 少 1 0 0 mm，而 且尽 可 能 同方 向错 位 。 2 ) 阴极保 护据 笔者参 加 的泰 国项 目经 验 ，当不 带套 管顶 管 穿越 道 路 和定 向钻 穿 越 时 ，穿 越 后要 对

22、管体防腐层的损坏程度进行即时检测( 配电试验) ，以检测和评估穿越管段 防腐层 的完好性 ，保证管 道 运行 周期 内管 道 的完 好性 。 3 ) 热收 缩带补 口操作 采用 热收 缩带 ( 套 )对 3层 P E结 构 防腐 层 补 口时 ，底 漆 涂 敷应 该 将 管 体 原 来 3层 P E结构 进行覆 盖处 理 ，以防止 底漆 沾染从 而大 大降低 收缩 套与原 来 P E结构 的粘接 强度 。 4 )过程控制一 现场焊 口一定比例 随机抽检笔者参与的利比亚西部管道项 目，为了保证现场焊接质 量 ，要 求业 主 和监 理 可 以对 现场环 焊缝 进行最 大 0 的随机抽 检进 行破

23、坏性 试 验 ，以验 证其 力 学性 能 与焊接工艺评定的一致性。国内建设管道，例如西气东输一线工程 ，开工前设置试验段的方式进行质量 控制 ，从质量控制角度看 ，开工前 的试验段破坏性检测仅仅算是首批检验，缺少过程检验 ，难以保证现 场焊 接质量 与试 验室 焊接工 艺评定 结果 的一致 性 ，包括 组织 特性 和力学 性能 。 ( 下转 第 3 1 5页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 3 5 卷第 8 期 王玲 等 ：大型储罐呼吸阀的性能比较 段式是指阀门的开启过程分为两个阶段 ，起初 阀门随压力升高而比例开启 ，在压力升高一个不大的数值 后，阀门即在

24、压力几乎不再升高的情况下急剧开启到规定高度 。 5结语 与传 统 的重力 式 和弹簧 式 呼吸 阀相 比，除 了价 格稍 高 以外 ，先导 式 呼吸 阀无论 是在 泄放 能力还 是密 封 等 级上 都有 着显 著 的优势 。因此 ，在 AP I S T D 6 2 0标 准 中 ，对 大 型储 罐 用 呼 吸 阀 的使用 作 出了新 的 规定 ：在 低压 工况 下推 荐使 用先 导式 呼 吸 阀以取代 传统 的重 力式 和 弹簧式 呼 吸阀 。 参考文献 1 张丽娜 ，陈保东 ，王立志 呼吸阀的工作特性和新型呼吸阀的开发U油气储 运，2 0 0 1 ，2 0 ( 1 1 ) ：4 6 44 8

25、 2 陈德 民 石油化工 自动控制设计手册 M北京 ：化学工业出版社 ，2 0 0 0 编辑 萧雨 ( 上接 第 3 1 O页) 参考文献 1 GB T 1 3 6 1 1 ，城市燃气分类 s 2 A PI 1 1 0 4 ( S Y T 9 4 0 7 9 ) ，钢质管道焊接及 验收 E s 3 GB 5 0 2 5 1 2 O O 3 ，输气管道工程设计规范 s 4 GB 5 0 0 2 8 -2 0 0 6 ，城镇燃气设计规范 E s r 5 GB 5 0 3 6 9 -2 0 0 6 ，油气长输管道工程施工及验发规定 s 编辑 宋换新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m