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1、第四章管道器材及其选择一般管道系统都是由管子、管件（法兰、弯头、大小头、三通等）和阀件等部分组成的。通过这三部分便可实现输油气工艺流程（包括油库工艺流程）、石油炼制和石油化工以及其它工艺流程所需的管线系统，完成预定的输送要求。当进行管路设计时，除工艺流程和水力计算（有时还有热力计算）外，首要的问题便是选择管材及其相应的配件，如果选择不当可能会带来不良后果，造成泄漏甚至更严重的灾害。另外，随着装置或系统的大型化、功能的复杂化，管道器材的选用对于装置或系统的建设费用和安全性有着很大影响。在各类石油炼制和石油化工装置所用的工程材料中，配管器材约占10。据统计，配管器材费用中的比率大致为：管子22.0
2、；管连接件（弯头、三通、大小头等）7.5；阀门 53.0；法兰 12.0；螺栓 3.0；其它 2.5。在输油气管道（网）和城市管网建设中，管道器材所占比例更高，甚至达到综合工程的 50以上。如何正确选定管道器材，对于输油气系统、油库系统、城市管网系统以及石油炼制和石油化工装置建设的经济性和安全性是举足轻重的。因此必须对管材和配件有一定的了解和认识。第一节管材一、 管子的分类管子的品种、型号、规格繁多，可按用途、材质和形状进行分类，如图4.1 所示。输送用及传热用：普通配管、压力配管、高温、高压、高温耐热、低温、耐腐蚀等用管按用途分结构用：普通结构、高强度结构、机械结构等用管特殊用：油井用、试锥
3、用、高压瓦斯容器用无缝钢管管子按材质分铁管：铸铁管碳素钢：普通钢管、高压钢管、高温钢管金属管钢管低合金钢：低温用钢管、高温用钢管合金钢：奥氏体钢管铜及铜合金：铜管、铝黄铜、铝砷高强度黄铜、铜镍蒙乃尔合金、耐蚀耐热镍基合金有色金属管铅管、铝管、钛管橡胶管：橡胶管、橡胶衬里管非金属管塑料管：聚氯乙稀、聚乙烯、聚四氟乙烯其他：石棉管、混凝土管、玻璃陶瓷管（玻璃管、玻璃衬里管）按形状分： 套管（双层管）、翅片管、各种衬里管其他： 特殊用管图 4.1管子的分类二、钢管的种类和规格一般工业中最经常使用的是钢管。因此，本书主要对钢管进行介绍。1.钢管的标准与种类各国均有国家或协会（学会）标准或生产厂家标准对
4、钢管的种类、型号、规格和应用范围做出规定。例如日本工业标准JIS、日本石油学会标准JPI、美国材料与试验协会标准ASTM 、美国国家标准ANSI 、美国石油学会标准API 、德国标准DIN 、英国标准BS、法国标准 NF 等。中国国家标准GB 规定的管子常用的几种钢管类型如表4.1 所示。钢管按照制造方法可分为无缝钢管和焊接钢管。围范度温用使及料材管钢用常产国1.4表无钢锈不用器换交热、炉锅69231BG有尚种钢此（ 1）无缝钢管（ SML ）：采用热加工的方法制造的不带焊缝的钢管称为无缝钢管。根据需要，有的无缝钢管还经冷精整和热处理加工成所要求的形状、尺寸和性能。中国将无缝钢管按不同用途分为
5、输送流体用无缝钢管（表4.1 中 GB8163-87 ）、高压锅炉无缝钢管（表 4.1 中 GB 531085）、化肥设备用高压无缝钢管（表4.1 中 GB 647986）、石油裂化用无缝钢管（表 4.1 中 GB 9948 88）等。按制造工艺又可分为热轧、热扩、冷拔无缝钢管。（ 2）焊接钢管：采用钢板（带）经常温（或加热）成型，然后在成型边缘进行焊接而制成的钢管称为焊接钢管。焊接方式可分为连续炉焊、电阻焊、埋弧焊和金属及气体保护电弧焊。焊接钢管中按成型方法可分为螺旋焊缝钢管（ SSAW ）和直焊缝钢管。中国生产用于天然气输送用管主要有螺旋缝埋弧焊钢管和直缝电阻焊钢管。直焊缝钢管使用钢板直接
6、冲压成形、对缝、内外壁焊接、端部胀管整形而成。直缝管的焊缝长度等于管长，焊缝对口后容易保证焊缝质量，适合于标准尺寸大量生产。但这种制管方法灵活性差，管径受板宽和成型模具尺寸的限制。螺旋焊缝钢管采用钢带经螺旋形卷制成形，然后焊接而成，与直缝管相比，钢管的直径和长度调整容易。可以用较窄的钢带卷制较大直径的钢管，就钢管主应力来讲，螺旋焊缝方向与带钢轧制方向基本一致，从受力状态分析，螺旋缝管较直缝管有利，避开了主应力方向，焊缝所受拉应力比直缝管小，对钢管的失稳扩展有止裂能力，但螺旋管焊缝有应力集中现象，焊缝比直缝管焊缝长，焊缝质量不如直缝管好控制。中国由于螺旋焊缝钢管生产历史较长，输气管线的大口径钢管
7、几乎全部采用螺旋焊缝管。二十世纪九十年代初，宝鸡石油钢管厂引进了德国直缝电阻焊制管机组，开始生产直缝电阻焊钢管，质量也不断提高，已开始用于输气管线上。“ 西气东输 ”工程大量研究论证表明：由于生产技术和成本的限制，一般无缝钢管只用于 DN200mm 以下的小口径管线；对于DN400mm 以上的大口径管线一般均采用有缝管，而螺旋焊缝管只能用于一类地区（荒漠、山区等人烟稀少地区），不能用于二、三、四类地区；直缝钢管（包括高频直缝管ERW 和双面埋弧直缝焊管LSAW ）用于天然气管道优越性明显， 残余应力状态好、几何尺寸精度高、外防腐效果好以及适合于作内涂层减阻。在“ 西气东输 ” 管线上大量采用中
8、国生产的1016 毫米管材X-70 制成的螺纹管，这对管材制造技术水平是一个严峻的考验。2.钢管规格（ 1） 管子直径与壁厚管道设计所需要的钢管尺寸规格主要为管长、管径、壁厚和每米管长的理论质量、管子的直径与壁厚决定管道单位长度的容积、单个焊缝的工作量和材料消耗量，而单根管子长度决定管道工程的焊接工作量和相应的安装技术措施。对于选定的管材，壁厚确定后，也就给定了道的承压能力。一般无缝钢管的口径较小。热轧无缝钢管的口径为32 450mm，壁厚为2.5 11mm，单根管长为3 12.5m。中国产部分钢管尺寸规格见表4.2。输油管道设计时所选择的壁厚，在任何情况下，不得小于根据刚性要求（运输、装卸和
9、安装）确定的最小壁厚。对此，设计规范中有明确的规定。（ 2）管子的尺寸公差对管子尺寸的要求主要有管子的椭圆度、直度和管子的端面平整度等。管子的这三种尺寸公差对管子的强度影响较小，但它们直接影响管道的组装对口和焊接质量。GB9711 88 规定：管端外径偏差为2.4 0.8mm；管子直度小于0.2管长；管子端面应垂直于管子中心线，不垂直切口偏斜长度最大不超过1.5mm；管子端部应切成30 35 倒角，钝边高度为（1.6 0.8mm）；当 D508mm 时，管子椭圆度为1.0 D。管子椭圆度对外压稳定的影响较大。管径越大，对管子椭圆度的要求越严格。海底管道受水压的作用，对椭圆度有更高的要求。3.钢
10、管的选择钢管的尺寸、材质、壁厚等的选定，首先从管内流速、压力损失确定经济管径；其次根据设计压力、设计温度、介质腐蚀、经济性、安全性或耐用年数（使用寿命）等因素综合考虑，选择合适的钢管材质和壁厚。选择的原则可归纳为：满足经济性和安全性。过分地考虑经济性，就很可能不安全；而过分地考虑安全性就可能造成浪费。最经济的方法是把每一根管子都根据不同的介质和使用条件详细计算选定，可是对于石油及炼制和石油化工行业来说，由于介质种类、操作参数很多，这样不但计算量大，而且还会给材料的互换、备料、保管、施工等带来麻烦，使问题复杂化。从安全性考虑，重点的地方要使用高价材料，其耐压性和耐腐蚀性都要有足够的裕量，这又会增
11、加管子成本。因此，要把管线的材料费、预制费和安装费等装置建设费和腐蚀及其他因素，与装置的寿命进行平衡、协调，才能选定合适的材料。（ 1）材质选定的基本原理低温用材料。一般碳素钢、低合金钢等铁素体钢，在低温时会表现出冷脆现象。为了保证材料的使用性能，不仅要求材料在常温时有足够的强度、韧性和加工性能以及焊接性能，而且要求材料在低温时也具有抗脆化的能力。影响材料低温脆化的因素有化学成分、冶金方法、结晶粒度、热处理、后续加工条件等。这时，特别注意的是材料的低温冲击值 k 和冷弯性必须在规定值内。高温用材料。所谓高温是指温度超过 350。在石油工业中，高温时不仅要考虑材料的腐蚀问题，而且还要同时考虑高温
12、时的强度、韧性、耐氧化性、长时阀受热的稳定性和焊接性能。一般温度越高，前三种性能指标是降低的，而焊接性能是温度越离越好。碳素钢的使用温度上限为 450。在 450左右碳素钢要产生石墨化现象，使钢的强度降低。温度超过 450，碳素钢就不能满足使用的要求。为了提高碳素钢在高温时的性能，必须加入合金元素。例如在碳素钢中加人Mo 可提高蠕变强度；加人Cr，能提高钢的高温抗氧化性等。因此，适量地添加Cr、 Mo ，成为 Cr Mo 系低合金钢，常作为耐热钢使用。从经济的角度看，在高温强度允许的情况下，有尽量少用合金钢的倾向。例如英国用减少 Cr 含量而添加 V 等。此外也有将 Cr 含量增加至 5、 9
13、，以提高耐氧化性能，这主要用于化学工业上。在碳素钢中加人其他元素，如 Ni 也能提高钢的高温性能。耐腐蚀用材料。金属腐蚀现象或所谓的耐腐蚀性是根据腐蚀性介质的种类、浓度、温度、压力、流速等等环境条件，以及金属本身的性质，即含有成分、加工性、热处理等诸因素的差异而分别有不同的腐蚀状态和腐蚀速度。例如不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，可是因为使用条件或腐蚀环境的不同，也可能发生意想不到的腐蚀事故。因此，对耐腐蚀介质和耐腐蚀材料要充分地了解，才能选择合适的耐腐蚀用材料。腐蚀现象的种类有：全面（均匀）腐蚀、局部腐蚀（晶阀腐蚀、孔腐蚀、阀隙腐蚀、应力腐蚀等） 、氧化或腐蚀性气体腐蚀、静电腐蚀等。一般以下面的腐
14、蚀率（一年内材料浸在流体中的表面腐蚀深度）作为选定材料的标准：腐蚀率（ mm/a）使用范围0.005可以充分使用0.05 0.005可以使用0.5 0.05尽量不要使用0.5不使用另外，尽管碳素钢的耐用寿命有时只有 2 5 年，但由于价格比不锈钢便宜很多，若采用在一定期阀更换的方针也是经济的。对于腐蚀严重的地方，不管常温或高温，都应使用奥氏体不锈钢。由于奥氏体不锈钢的高温强度较高，所以在高温高压且腐蚀严重的场所，使用是合适的。耐热用材料。要求耐氧化性、耐气体腐蚀性、具有高温强度、不易产生高温脆化和热冲击性能等性能。（ 2）钢管的适用范围中国产钢管的适用范围见表4.1。日本钢管的适用范围见表4.3 和表 4.4。表 4.3 JI
