城市燃气管网应用ERW钢管及其防腐问题.docx

一、天然气改变能源结构的重要意义
　　我国陆上及海上天然气资源丰富。2002年5月25日结束的“西气东输工程初步设计审查会”上，按照通过的设计方案排定的时间表，2003年12月30日陕西靖边至上海段建成投产，2004年12月30日新疆轮南至靖边管道建成投产，并联通到上海，同时，从2003年起俄气南供，进口LNG，近海气登陆，煤层气开发等，相继排上议事日程。21世纪将是天然气世纪。在这次会上，国家计委负责人已明确主干网和城市燃气管网同时规划，同时施工，同时通气。
　　目前，政府和各界人士对天然气的利用给予高度重视，城市对环境保护的要求，城市能源的供应向清洁、高效方向发展。大气质量与城市使用的能源有直接关系，而天然气是城市燃气的理想气源，提高城市利用天然气水平，对改善大气质量有重要作用，管道燃气将得到进一步的发展。
　　二、天然气同人工煤制气在管网输配上的区别
　　随着城市燃气气源将很快地由人工煤制气为主向天然气为主的方向发展过程，许多城市面临着气源的更新和转换，这就提出了一个输配管网的改扩建及新建输配管网如何适用的问题。
　　由于天然气与人工煤气成份不同，它不含有重碳氢化合物和水，同时由于使用天然气，管道压力提高，许多城市原有人工煤气管网不适用天然气。根据一些城市气源转换的情况，从人工煤气转换为天然气输配管网可能出现的问题主要是：1、铸铁管道接口漏气，此问题是转换后频次发生最多也是最严重的问题，国内沈阳、锦州等市已发生天然气泄漏事故，主要原因是人工煤气中存在水蒸汽、粉尘及碳氢化合物对管道接口中的橡胶圈、油麻有湿润作用，橡胶圈、油麻丝受潮而饱和膨胀，增加了接口的密封性，既使有小漏气点也会堵住。管道使用天然气后，接口填料收缩，从而发生泄漏。2、室内镀锌管道漏气，由于丝扣填料采用麻丝白漆，转换后由于麻丝白漆因失水而影响密封性能，产生漏气。3、管道内杂质飞扬，由于管道内原介质为人工煤气，人工煤气内存在冷凝水和气，会产生铁锈，而且管道施工期间难免有泥砂存留，在冷凝水和芳香烃的作用下粘附在管底，转换后管道内逐渐变干，铁锈、泥土随燃气流动在管内飞扬，这些灰尘及杂质会堵塞下游的管道，且会影响阀门、调压器、压缩机、使之失灵。
　　三、ERW钢管的无缝化特点
　　直缝高频电阻焊管(Electric Resistance Welding，简称为ERW)与无缝钢管最大的区别在于ERW有条焊缝，这也是ERW钢管质量的关键所在。现代化的ERW钢管生产工艺和设备，由于国际上，尤其是美国等多年的不懈努力，使得ERW钢管的无缝化已经有了比较满意的解决。有人把ERW钢管的无缝化分为几何无缝化和物理无缝化。几何无缝化就是清除ERW钢管的内外毛刺。由于内毛刺清除系统的结构和刀具的不断改进和完善，大中口径的钢管内毛刺的清除已有了较好的处理。内毛刺可控制在-0.2mm～+O.5mm左右。物理无缝化是指焊缝内部的金相组织与母材之间存在差别而导致焊缝区域机械性能下降，需要采取措施使其均匀化、一致化。ERW钢管的高频焊接热过程，造成了管坯边缘附近温度分布梯度，并形成了熔化区、半熔化区、过热组织、正火区、不完全正火区、回火区等特征区域。其中过热区组织由于焊接温度在1000℃以上，奥氏体晶粒急剧长大，在冷却条件下会形成硬而脆的粗晶相，此外温度梯度的存在会产生焊接应力。这样，就形成了焊缝区域力学性能比母材低的情况，物理无缝化就是通过焊缝局部常规热处理工艺即采用中频感应加热装置将焊缝区域加热到AC3(927℃)，然后进行60m长度、速度在20m/分的空冷过程，需要时再水冷。这种方法的使用达到了消除应力、软化和细化组织、提高焊接热影响区综合机械性能之目的。目前，世界上先进的ERW机组已普遍采用此方法对焊缝进行处理，已获得较好的效果。优质的ERW钢管不仅无法辩出焊缝，而且焊缝系数达到1，实现了焊缝区域组织与母材的匹配。
　　同时ERW钢管具有因采用热轧卷板作为原料，壁厚均匀可控制在±0.2mm左右，钢管二端按美国APl标准或GB/T9711.1标准，修端打坡口，定尺长度交货等优点。近几年来，各天然气管网工程和煤气公司已广泛采用ERW钢管作为城市管网的主要管材。
　　四、城市燃气管网选用管材的比较
　　目前城市燃气管网主要用ERW钢管、铸铁管和聚乙烯(PE)管，从安全性和经济性来考虑，也就是确保工程质量、安全供气和用管对燃气介质的适应性以及降低工程造价方面，ERW钢管是首选。当然，要因地制宜，具体分析，综合判断。
　　1、关于铸铁管
　　铸铁管的优点是耐腐蚀，但缺点较多。一次性安装较方便，但留下的隐患多，今后维护很麻烦，接口漏气；承压能力低；抗接强度及抗冲击能力低，性碎；消耗金属多，而且单位价格较高。
　　2、关于聚乙烯(PE)管
　　(1)一般燃气管网其用量时，当居民小区在1.1万户左右时，其燃气管网中压主干管口径一般都在φ300左右。
　　(2)“PE”管对燃气最高使用压力有限制，一般在0.1-0.4Mpa；而ERW钢管允许输送气体压力最低可达7.2Mpa(φ323.9*7.9 L245)。
　　(3)“PE”管虽然其伸长率是比钢管高，但拉伸强度仅为钢管的1/5，承受压力以及承受由于基础沉降而对PE管产生的剪切力、弯曲力、拉力远远不如钢管。
　　(4)此外，“PE”管在不同温度下的允许工作压力，其制约太大，使用时将增加不少费用。如对于SDR11在-20℃<t≤0℃时，允许工作压力为0.1Mpa，而0℃<t≤200℃则为0.4Mpa；这样，在0℃附近，按《聚乙烯燃气管道工程技术规程》的要求将相差0.3Mpa，使现场的工程技术人员很难掌握这个尺度。由于对环境温度的限制，施工时就增加了难度。
　　3、ERW钢管作为城市燃气管网的首选管材，主要优缺点是：
　　(1)强度大(承载能力大)；
　　(2)壁厚均匀，比同口径的铸铁管轻；由于输送压力高，可以比同流量的铸铁管的口径小一个档次，因而，总重量降低，节约了金属降低了造价；
　　(3)在价格上比球墨铸铁管便宜；当φ160以上时，价格比“PE”管便宜；
　　(4)拉伸强度不仅大于球墨铸铁管，而且是“PE”管的4倍；
　　(5)塑性好，抗震、耐应力开裂性；
　　(6)ERW直缝焊管内壁光滑，摩擦阻力小，避免了燃气杂质沉淀，管道输送能力得到提高；
　　(7)适应温差范围大，施工方便，焊接接口严密。能适应输送煤气、液化石油气混空气以及天然气。
　　(8)但是，钢管一般来说，抗腐蚀能力差，要采取防腐措施。
下面就城市燃气管网所用三种管材在综合性能、综合造价等方面作一比较：　
(1)综合性能比较 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表一
　　　项　　目
　　　　　ERW钢管
球墨铸铁管
聚乙烯(PE)管
抗拉强度　(Nmm2)
　　　　　400
　　　　　　　≥420
　　　　　　18-20
弯曲强度　(Nmm2)
　　　　　400
　　　　　　　≥590
　　　　　　70
延伸率　(%)
　　　　　18
　　　　　　　≥10
　　　　＞600(断裂伸长率)
弹性模量　(N/mm2)
　　　　　20*104
　　　　　　　15-17*104
0.9*104
硬度
　　　　　140HBS
　　　　　　　230HBS
50D-70D
耐腐蚀性
　　　　　差
　　　　　　　较好
　　　　　　好
使用年限　(年)
　　　　　25-50
　　　　　　　≥50
　　　　　　　≥50
施工强度
　　　　　较小
　　　　　　　较小
　　　　　　小

(2)较大口径管道综合造价比较 　　　　　　　　　　　　　　表二
口径(mm)
种类
管道外径*壁厚(mm)
造价(元/m)
φ150
　球墨铸铁管
　　　　φ169*6.3
　　　　　　257

　无缝钢管
　　　　φ159*8
　　　　　　226

　ERW钢管
　　　　φ168.3*8
　　　　　　223

　PE管
　　　　φ160*14.6
　　　　　　193
φ200　　
　球墨铸铁管
　　　　φ220*6.4
　　　　　　333

　无缝钢管
　　　　φ219*8
　　　　　　319

　ERW钢管
　　　　φ219*8
　　　　　　292　　

　PE管
　　　　φ220*18.2
　　　　　　302
φ300
　球墨铸铁管
　　　　φ322.8*7.2
　　　　　　496

　无缝钢管
　　　　φ325*8　
　　　　　　472

　ERW钢管
　　　　φ323.9*8
　　　　　　425

　PE管
　　　　φ315*28.6
　　　　　　774
φ400
　球墨铸铁管
　　　　φ425.6*8.1
　　　　　　645

　无缝钢管
　　　　φ426*8
　　　　　　808

　PE管
　　　　φ400*36.4
　　　　　　1220

注：a、管材费用按价格计，管件及阀门费用按管材费用的15％计；
　　b、钢管按采用两层防腐胶带防腐考虑；
　　c、未考虑障碍处理费、路面恢复及农田赔偿费等；
　　d、其它费率按江苏省有关费用定额计取；　
　　e、以上为2000年的单位价格。
　　五、ERW钢管是城市燃气管网的首选管材
　　根据最近城建部修编的《城镇燃气设计规范》规定，将输送燃气压力P分为七个等级。见表三。
名称
　　　　　　　　　　　　压力(MPa)
高压燃气管道
　　A
　　　　　　　　　　　　2.5＜P≤4.0
　　B
　　　　　　　　　　　　1.6＜P≤2.5
次高压燃气管道
　　A
　　　　　　　　　　　　0.8＜P≤1.6
　　B
　　　　　　　　　　　　0.4＜P≤0.8
中压燃气管道
　　A
　　　　　　　　　　　　0.2＜P≤0.4
　　B
　　　　　　　　　　　　0.005＜P≤0.2
低压燃气管道
　　　　　　　　　　　　P≤0.005

　　《城镇燃气设计规范》中规定上：
　　压力大于0.4Mpa的燃气管道采用钢管。压力小于0.4Mpa的中压和低压燃气管道宜采用聚乙烯管，机械接口球墨铸铁管，钢管或钢骨架塑料管。
　　适用于城市输送管道中，大于0.4Mpa压力的管道采用钢管与其它材质的管道相比，具有无可争议的地位因此，ERW钢管是城市燃气管网建设的首选管材。
　　1、城市燃气管网的主干管从安全性方面比较，ERW钢管的承压能力、抗拉强度和伸长率远远大于铸铁管其抗拉强度和承压能力以及适应温差的能力远远大于“PE”管；从接口严密性来说，ERW钢管的焊接接口远远比铸铁管接口要严密得多，牢固得多；
　　2、从适应性方面比较，ERW钢管适应用于煤气、LNG、LPG、液化混空气以及天然气，而铸铁管对适应LNG及天然气的能力则差得多；ERW钢管适应温差的能力和气压的范围比“PE”管要大得多。
　　3、从经济性方面比较，ERW钢管比球墨铸铁管的单价及总价要便宜，当大于φ160以上时，ERW钢管也比“PE”管便宜(一般来说，城市煤气主干管大多数在φ300左右)。
　　4、ERW钢管耐腐蚀性不如铸铁管及“PE”管，这是要在设计和施工时务必采取好防腐措施的一个重要问题。
　　六、ERW钢管的理地防腐问题探讨。
　　增强ERW、UOE等管道的抗腐蚀性，延长管道的使用寿命，一直是管道设计者、建设者所关注的课题，经过世界上近60多年管道防腐的历史发展，其理论和技术已基本趋于成熟和稳定。有些管道已要求钢管内壁也做防腐或防锈处理，如西气东输主干管φ1016mm，X70即内壁做防锈处理。本文探讨外防腐层问题。
　　1、各种外防腐层的效能的评价
　　(1)评价外防腐层的效能的基本出发点
　　国内外文献指出：“钢管的表面条件被称为环境，这个环境可以通过管子的防腐层与四周土壤绝缘，使管子表面条件不同于四周土壤。因此管子的防腐蚀层是防止土壤侵蚀的重要屏障”。这就是评价外防腐层效能的基本出发点。英国乔顿公司论述了管道涂层系统的发展来源于两个不同的观点：欧洲的观点是使之能够抵御湿气，防止腐蚀，这就是“屏障”的观点。由这个观点产生了“PE”法保护层。而北美的观点是使之能够抗氧化性、抗化学腐蚀性和耐阴性剥离性能以防止腐蚀，这就是“粘结”的观点。由这个观点，产生了“FBE”法保护层。
　　当前国外另一种趋势是将上述两种观点即“屏障”与“粘结”合二为一，发展为一种新观点，即将欧洲的“PE”屏障保护层法与北美的“FBE”保护层法结合起来，发展成为综合型的“3PE”法保护层。这种新观点、新工艺、新方法在我国已开始推广应用。
　　(2)外防腐层的基本功能
　 有两个方面：一是使管道表面免遭土壤介质的电化学腐蚀、细菌腐蚀的基本物理保护，二是抵御土壤介质的移动蠕变应力、静应力与擦伤力等基本机械保护的方法和结构。
　　(3)城市天然气管道外防腐层选用的基本原则
　　a、良好的绝缘性能和机械性能；
　　b、良好的抗阴极剥离性能；
　　c、良好的抗水、气渗透性能；
　　d、良好的耐化学介质浸泡性能和抗老化性能；
　　e、耐低温和高温性能；
　　f、易于补口和补伤；
　　g、价棺合理。
　　2、关于城市天然气管网外防腐层选用的建议
　　城市埋地燃气管网外防腐层选用问题，可以归纳为以下几点意见：
　　(1)不存在万能型防腐层，也不存在绝对不可用的防腐层材科
　　目前国内外管道防腐层材料品种较多，在实践中也都在应用，各种防腐材料具有本身的特点和适用条件，既不存在使用子各种环境条件及工程情况的万能型防腐材料，也不存在某种防腐层绝对不能用的问题。对一项具体的管道防腐工程，只有根据管道的运行条件、土壤状况、施工环境和工艺、管道设计寿命、环保要求以及经济合理性等各方面进行全面考虑，综合、平衡，才能选出切合实际的防腐层材料。
　　(2)技术和经济可行性是选择防腐层的基本出发点
　　一条管道选用何种防腐层，其主要因素是考虑技术可行性，既要考虑满足管道运行条件和施工工艺的要求，同时还应在施工环境允许的条件下，对防腐效果相同的各种涂层进行经济比较，从中选择既满足技术性能要求而又经济的涂层。因此，技术可行性是防腐层选择的基本出发点，经济费用上高低也是衡量采用何种方式的重要因素。一般国内防腐厂防腐平均工程单价为：三层PE 86元/平方米；二层PE 82元/平方米；FBE 68元/平方米。
　　(3)防腐层选择的评价方法
　　国外选择防腐层是普遍采用独立实验室评价的方法，对各种防腐层性能作出综合的、全面的评价，以此作为选择依据。国内目前尚不具备这个条件，但有的地方采用实地调查的方法，例如渤海湾埕岛滩海土壤测试后，发现在滩海区域内含水量高，导电性好的土壤往往是低腐蚀性土壤，这和用电阻率判别腐蚀性的常规规则正好相反。埕岛的实地测试法也是一种可惜鉴的对选择防腐层的评价方法。这里介绍国外关于选择防腐材料的一些观点：
　　a、加拿大NOVA公司和Raychem公司通过多年试验研究，对于选择防腐层提出如下参考建议：“在多石段或河流穿越地段，选用机强度较高的熔结环氧树脂、挤出聚乙烯防腐层或双层、三层PE防腐层；在氯化物盐渍土壤地段，选用熔结环氧树脂、挤出聚乙烯及煤焦油瓷漆等耐氯离子腐蚀的防腐层；在沼泽地段，选用能长期耐水、耐化学腐蚀的防腐层；在碳酸盐类土壤中，选用耐碳酸根离子腐蚀的石油沥青和聚乙烯胶带；在输送介质温度高的情况下，优先选用熔结环氧树脂。”
　　b、美国腐蚀工程师学会的意见是：即使抛弃经济方面的考虑，也不可能对各种防腐层进行优劣排序，必须根据具体工程条件具体选择。
　　(4)要把建设时的一次性投资与建成后运行维修费用统一起来综合考虑
　　国内对管道外防腐层进行经济评判时，习惯于计算建设时期的一次性投资的多寡，而忽视或不考虑管线建成后所需的运转、维修以及大修费用。如果用降低防腐层性能指标来换取建设投资费用的节省，最终导致管线运行状态不良，经常维护检修等运行费用增高，总的经济综合评价不合算。简言之，无论是国内还是国外，在选择埋地钢管外防腐层材料时，一般来说应根据具体工程、环境、管道设计寿命、运行参数等加以选择，在这个基础上考虑施工方法，进行经济比较。