天然气的输送动脉长输管道

  [中国石油报2023-12-21]
  编者按：近期，寒潮来袭，北方多地出现大风降温和雨雪天气。中国石油牢记习近平总书记“站好岗、供好气”的重大嘱托，坚决当好能源保供“顶梁柱”。
  天然气保供一直是人们热议的话题，其运输方式包括管道输送、槽车运送和船舶运送。
  由于气田大多集中在荒漠、极地冻土带、山地、海洋等地区，从产地到使用地的距离往往非常遥远，因此，管道输送成为目前天然气长距离、大规模、不间断输送最常用、最经济、最合理的方式。
  本期《石油科普》聚焦天然气长输管道的管材选用时需要考虑的因素，以及技术上已取得的突破。
  ①天然气长输管道常用什么材质？
  与传统的煤炭、石油等能源相比，天然气不仅热值高，而且更加环保、低碳。为了将天然气从遥远的产地经济、高效、安全、平稳地输送到用户终端，近40年来，高压管道输送技术发展迅速。目前，全世界天然气管道总长度已超过150余万公里，我国天然气管道总里程也已突破10万公里。
  天然气的密度约为空气的0.6倍，是一种低密度气体，常温常压下体积庞大。为提高输送效率、节约输送成本、降低泄漏风险、减少装卸过程中的损耗，天然气需要压缩成高压状态进行输送。
  高压天然气易燃易爆，大规模、长距离、不间断输送时，管道要承受很高的内压。此时，任何部位的破裂或泄漏，都可能造成重大经济损失，甚至引发公共安全事故。因此，天然气长输管道在设计和运行中，需要通过合理选择管道材质、提高管道输气量等措施，确保输送的安全性和经济性。
  天然气管道的材质必须具备可靠性和耐久性。钢管因具有强度高、密封和抗老化性能好、能承受较大的压力和温度变化等优点，成为天然气长输管道最常用的材质。钢管的耐久性主要取决于制造工艺、防腐处理和施工质量。尽管钢管的价格相对较高，但其使用寿命长、维护费用低、安装工艺简单，总体来看经济性较好。
  非金属及复合材料管材也可用于天然气管道。非金属及复合材料管材轻便、易安装、耐腐蚀，但强度低、易老化，因此，主要用于天然气输送支线的低压管道。
  ②管线钢和钢管有哪些主要特性？
  一般情况下所说的管线钢是指用于生产高频焊管、螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管的板卷（钢带）和钢板。
  随着管道输送压力和管径的提高，20世纪60年代起，高强管线钢（X56、X60、X65、X70等）在低合金高强度钢基础上发展起来，这些钢突破了传统钢的强化和轧制技术。在钢中加入微量元素（总量不大于0.2%）的铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）等合金元素，并通过控制轧制工艺，使钢的综合力学性能得到明显改善。高强度管线钢是高技术、高附加值的产品，其生产几乎应用了冶金领域所有工艺技术的新成就。由此可见，天然气长输管道的用材在一定程度上代表了一个国家冶金工业的水平。
  天然气长输管道运行环境恶劣、地质条件复杂、线路长、维护难、易发生断裂失效等问题，因此，管线钢应具备高强度、高韧性、可焊接、耐严寒低温、抗断裂等良好性能。
  选用高强度管线钢或增加管线钢管的壁厚，可以使天然气管道承受更高的输送压力，从而提高天然气输量。虽然同管径钢管采用微合金高强钢的价格比普通钢高约5％～10％，但可使钢管自重减少约1/3，制造和焊接过程更容易，运输和敷设费用也更低。实践证明，采用高强度管线钢管的成本仅为同样压力、同样管径普通钢管成本的1/2左右，并且管壁减薄、管道脆性断裂的可能性也随之减少。因此，一般均选择提升钢管强度来增加管道输量，而不是加大钢管的壁厚。
  管线钢的强度指标主要有抗拉强度和屈服强度。屈服强度较高的管线钢，可以减少输气管道钢材的用量，但屈服强度过高会降低钢管的韧性，导致钢管出现撕裂、崩裂等现象，并引发安全事故。在要求高强度的同时，必须综合考虑管线钢的屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）。合适的屈强比可保证钢管在具有足够强度的同时具备足够的韧性，从而提高管道结构的安全性。
  高压输气管道一旦发生断裂失效，压缩气体将迅速膨胀并释放大量能量，引发爆炸、火灾等严重后果。为最大限度避免此类事故的发生，管道设计应从以下两个方面慎重考虑断裂控制方案：一是钢管应始终在韧性状态下工作，即管材的韧脆转变温度必须低于管线的服役环境温度，确保钢管不发生脆性断裂事故。二是发生延性断裂后，要在1至2根管长范围内止裂，以避免裂纹长程扩展造成更大的损失。天然气长输管道是通过环焊工艺，将钢管一根一根连接起来的。野外恶劣的施工环境对环焊质量影响较大，易在焊缝处产生裂纹，并使焊缝及热影响区的韧性下降，增加管道破裂的可能。因此，管线钢本身具有优异的可焊性，对保证管道的焊接质量和整体安全性至关重要。
  近年来，随着天然气的开发、开采向沙漠、山区、极地和海洋等地区延伸，长输管道往往要经过冻土带、滑坡带、地震带等地质和气候条件十分复杂的地区。为防止服役期间因地面塌陷、移动等引起钢管变形，位于地震和地质灾害多发区的输气管道，应采用基于应变设计的抗大变形管线钢管。穿越架空区、永久冻土区、高海拔或高纬度低温区的非埋地管道，常年经受高寒考验，应选用具有优良抗低温脆断能力的管线钢管；受到地下水和高导电性土壤腐蚀的埋地管道，应加强管道内外的防腐处理。
  ③高强度管线钢的关键制造技术有哪些？
  合金设计是获得高性能管线钢的重要基础。现代管线钢以低碳或超低碳为特征，碳含量通常在0.12%以下，通过加入锰、铌、钒、钛等合金元素，改善管线钢的综合性能。
  管线钢的质量控制需从炼钢开始，合适的冶金工艺流程是提高钢材内部和表面质量的关键。随着高强度管线钢的开发，高的冷却速率和低的终冷温度已成为提高X80及以上级别管线钢、厚壁管线钢强韧性的关键技术。
  在此基础上，通过调整钢板轧制工艺加速冷却开始温度和冷却速率，控制制管成型、焊接和防腐过程工艺参数，国内钢铁和制管企业已成功生产出“强、韧、塑”综合性能优异，适用于地质断裂带、冻土沉降等地质灾害高发地区的大变形管线钢和钢管。
  高钢级、大口径、高压力螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管是我国已建和在建天然气长输管道使用的主要管材。以板卷（钢带）为原料的螺旋焊管，可以用不同宽度的钢带生产同一直径的钢管，也可以使用一种宽度的钢带生产不同直径的钢管。这种生产方式具有钢管尺寸精度较高，生产连续性好、效率高，生产线占地面积小、投资少等优点。
  直缝埋弧焊管采用钢板为原料，经过成型、焊接、精整制成，成型工艺有UOE成型、JCOE成型等。其中，UOE成型工艺具有生产效率高、成品质量好等优点，并且可以生产出直径和壁厚大、长度长的钢管，是目前世界上应用最多、最成熟、质量被普遍认可的大口径直缝埋弧焊管生产工艺。
  在天然气长输管道系统中，为了满足输送介质分流、变向，以及减缓地层错动等给管道带来的附加外力，管道线路、阀室、站场中需要安装大量与干线管性能相匹配的弯管、三通等结构件。
  目前，天然气输送管道用弯管大都采用中频感应加热成型和水冷方式进行制造；高强度大口径三通则采用宽厚板通过热拔工艺来生产。与管线钢管的制造方式不同，弯管、三通等管件制造过程中，管线钢材料需要经过二次加热，材料的性能变化很大，材料的成分设计和热加工工艺需要特殊对待。
  ④管道材料的发展将迎来哪些新机遇？
  随着我国能源结构不断向低碳转型，天然气在我国一次能源消费结构中的地位愈发重要。大口径、高压力、高钢级管材在今后相当长一段时间内，仍将是天然气长输管道工程的必然选择。作为其中的佼佼者，X80管线钢和钢管也将继续成为大输量管线建设的首选。
  由中国石油组织攻关形成的X90管线钢与钢管及其应用配套技术，是第三代大输量高强度天然气管道建设重大科技专项成果之一。随着研究开发的进一步深入，X90、X100等管线钢有望在未来的天然气管道项目中得到应用。到那时，一条管道的年输气量或将达500亿立方米。
  近年来，围绕“双碳”目标，二氧化碳管道运输与封存、天然气管道掺氢与纯氢输送等新技术，对管道材料的耐蚀性、低温韧性和氢脆敏感性等都提出了更高要求，输送管道的材料发展将迎来新的机遇。
  我国管线钢和钢管的生产及应用起步较晚，20世纪80年代以前，国内油气管道主要采用国产A3钢、16Mn钢和从日本进口的TS52K钢（相当于X52钢级），输送压力基本在4兆帕以下，比发达国家滞后约40年。
  1980年至1985年，我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线铺设。
  20世纪90年代初，以宝武钢铁集团和宝鸡钢管为代表的国内钢铁和制管企业开始对管线钢及钢管技术进行攻关，并尝试应用于天然气管道工程。
  陕京一线
  1997年9月10日建成投产。全长1098公里，采用X60管线钢管，设计压力6.4兆帕，设计年输量36亿立方米，是我国当时陆上距离最长、管径最大、所经地区地质条件最为复杂、自动化程度最高的输气管道。
  陕京二线
  2005年7月正式通气。全长935公里，采用X70钢级钢管，设计压力10兆帕，设计年输量170亿立方米。首次实现“双管线”“多气源”供气，发展成为我国第一个含有管道、增压站和地下储气库在内的长距离、自动化的高压输配气系统。
  陕京三线
  2011年正式投产通气，全长896公里，使用X70钢管，设计压力10兆帕、年输量150亿立方米。这是向北京及环渤海地区供应天然气的又一重要通道。
  陕京四线
  2017年建成，在地质灾害地区采用国产X80大变形管线钢管，总用量达5000吨。标志着我国已全面掌握了高强度管线钢的尖端制造技术，摆脱特殊性能管线钢依赖进口的被动局面。
  西气东输一线
  2001年开工建设。大部分采用我国自主研制的X70管线钢管，这也是X70首次大规模应用于国内天然气管道工程，设计压力10兆帕，设计年输量120亿立方米。
  中俄东线
  2017年动工建设，应用中国石油组织研发的直径达1422毫米的X80管线钢管，并实现100%国产化。管道设计压力12兆帕，年输气量为380亿立方米，管道输气量进一步提升。
  中缅天然气管道工程
  国内段2010年开工建设，全长1727公里，年输量120亿立方米，主要采用X80钢管。在地质灾害地区首次使用我国于2010至2013年成功研制的X70大变形管线钢管，总重量达5.9万吨，单个管道工程大变形钢管用量为世界之最。
  西气东输二线
  2008年动工兴建，绝大部分采用国产X80钢管铺设、输送压力为12兆帕，年输量提升至300亿立方米。西气东输三线所用管材与西气东输二线相同，管材100%实现国产化。
  截至目前，我国X80天然气管道里程在全球占比达50%以上，并具备了X52至X100钢级管线钢及钢管的生产能力，使我国在高压天然气管道应用关键技术方面的国际领跑地位更加稳固。
  管线钢管内外防腐材料示意图
  外层
  采用聚乙烯材料，涂敷厚度约3至4.5毫米。这层像“铠甲”一样的防腐材料，起到机械式保护作用，防止钢管在运输、施工、运营等过程中因受到外力等影响而发生变形。
  管线钢管
  内壁涂层
  采用双组份液体环氧涂料，涂敷厚度约100微米，主要用于减少天然气输送时的阻力。
  底层
  材料为环氧粉末，涂敷厚度约150微米。这一防腐层对于埋地钢管来说是至关重要的，可防止钢管受到腐蚀侵害。环氧粉末是极性材料，与钢管的黏结力很强。
  中间层
  材料为胶粘剂，涂敷厚度约为170微米。由于外层的聚乙烯是非极性材料，不能与底层环氧粉末黏结，所以中间涂敷胶粘剂，将底层与外层防腐材料粘为一个整体。
  本版文字：本报记者陈青
  技术支持：张伟卫、李为卫、王鹏、吉玲康（工程材料研究院）