1 前言
隨著“西氣東輸”一線、二線的建成輸氣，國內掀起了城市天然氣建設的高潮，今后幾年城市天然氣管網的建設將遍及全國，其建設質量的高低和人民的生命財產安全息息相關。國家和各地區為保證城市天然氣的建設和使用安全，出臺了大量的法律、法規及相關的強制性標準。這些法規、規范對城市天然氣的建設和使用做了細致的強制性規定，使設計單位在很多方面有法可依。但由于城市天然氣管線在中國發展的時間較短，城市天然氣輸送方面的標準還不夠全面。設計院在設計城市天然氣輸送管線時，不得不使用部份推薦性標準，對鋼管的技術要求一般以API-5L和GB／T9711為依據，參考一些比較著名的長輸管線的“技術規格書”，然后根據設計者自己的經驗和理解進行鋼管選型和編制鋼管采購技術條件。各城市天然氣輸送管線的建設和設計部門相互獨立，各建設部門
的建設和設計理念互不相同，有的建設和設計單位以安全性為主，而有的則以經濟性為主。由于API-5L和 GB／T971 1只是規范了各種鋼管的制造，檢驗和交貨標準，并沒有明確指出應在什么情況下使用什么鋼管，有的建設單位不清楚各種管型之間的質量差別，僅從節約投資出發，以鋼管價格為唯一指標，而有的城市則是以鋼管的安全性為主。因此出現了在同一類地區，基本類似的使用條件下，鋼管的選型各不相同，有的城市使用無縫管，有的城市使用ERW高頻焊管，有的使用螺旋埋弧焊管，有的使用直縫埋弧焊管。在對安全性和可靠性要求最為嚴格的“城市天然氣管線”的鋼管選型方面出現了一種比較混亂的局面，這個問題不解決很有可能會對廣大的城市市民的人身和財產安全構成直接的威協。
這些情況也使一些設計人員感到無所適從，或者設計人員的意見遭到建設單位的否決。本文擬從制管工藝對鋼管性能影響的角度出發，探討“城市天然氣”鋼管選型的問題，希望能給“城市天然氣”管道的設計人員和建設單位提供一點參考性建議。
2 不同的制管工藝對鋼管性能的影響
2．1天然氣輸送用的主要管型
目前城市天然氣輸送用管主要分為中、小直徑和大直徑鋼管，中、小直徑鋼管一般用于城市中心地區的輸氣。管型主要是無縫管和ERW高頻焊管，大直徑鋼管一般用于城市周邊地區的輸氣主干線，主要管型為螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管，本文主要討論上述4種目前在城市天然氣輸送時實際使用的鋼管的制造工藝及性能。
2.2中、小直徑鋼管
2．2．1無縫鋼管
無縫鋼管是在管坯上通過穿孔、拉拔工藝制造的鋼管，在管坯制成鋼管的過程中，壓縮比很小，其性能主要靠化學成分和熱處理獲得。
無縫管工藝復雜，價格相對較高。
無縫管的壁厚偏差較大，為遷就這一缺點，相關制管標準都允許無縫管有較大的壁厚公差。
由于無縫管沒有焊縫，除壁厚偏差引起的強度偏差外，管體各部位相對焊管來說性能的一致性較好，不存在危險部分。
另外無縫管廠相對來說規模較大，質量容易得到控制。無縫管的質量雖不是十分令人滿意，但比較可靠。
2．2．2 ERW焊管
ERW高頻焊管用熱軋卷板為原料經過連續多次輥軋成型，利用高頻電流將板邊熔融，并通過施加一定的擠壓力煅焊制成的，焊縫金屬與母材相同。
管線鋼熱軋卷板是用鋼坯經多次控制軋制加上快速冷卻制成的。有至少10倍的壓縮比。快速冷卻實際上是對鋼板進行了在線熱處理。因此鋼板的組織致密。晶粒細化。在高強度的同時，又具有高的韌性及良好的延伸率。
焊接后焊縫經過中頻熱處理，消除了焊接應力和焊縫區的馬氏體組織，使焊縫的綜合機械性能得到了極大改善，材質低于X65時，焊縫的強度一般都高于母材強度，焊縫的韌性也完全符合標準要求并有相當的富裕。
鋼管通過定徑，大大減小了鋼管成型和焊接應力，同時大幅度提高了鋼管的尺寸精度。
ERW焊管的圓度可輕松地控制在lmm以內，壁厚公差可控制在0.2ram～0.3ram，尺寸精度十分優秀。
ERW高頻焊管如果質量能得到有效地控制，其性能明顯優于無縫管，但ERW焊如果存在假焊，冷焊，或熱處理不到位，則焊縫質量將得不到保證，而這些缺陷僅靠對成品的無損檢測和外觀檢驗一般難以發現，鋼管質量只有靠工廠進行保證。這些因素又恰恰是ERW高頻焊管失效的主要原因。
ERW高頻焊管具有高品質和高風險的雙重性，目前其在DN500以下口徑生產工藝較為成熟，產品質量穩定，但在DN500及以上使用仍有一定的風險。
2．3大直徑焊管
2．3．1螺旋埋弧焊管
螺旋埋弧焊管(以下簡稱螺旋焊管)，是用三輥將鋼帶按螺旋線方向進行卷曲，在卷曲的同時用填充金屬進行內焊和外焊。由于這種工藝是在成形的同時進行焊接，屬于動態焊接狀態，在熔敷金屬凝固前焊點位置就離開了擠壓輥，鋼管在成型應力的作用下對焊縫產生了拉應力。而這種拉應力是產生焊接熱裂紋的充分條件，在焊接高材質鋼管時，鋼管母材本身就具備了產生熱裂紋的必要條件，這兩個條件加在一起，就形成了產生熱裂紋的充要條件，這時就極易產生熱裂紋。生產線焊縫檢驗是采用當量缺陷報警的方法進行判斷的。如果缺陷的當量大于標定值時，工廠可以檢出，但如果缺陷當量小于標定值時，則作為合格品出廠了。這些微裂紋在今后的使用中。很有可能會擴大成為危害管道安全的大裂紋，甚至使鋼管完全失效。
國外一些先進的螺旋焊管工廠，為了解決這一問題，采用了予精焊工藝，這樣就避免了焊縫在焊接時的拉應力作用。
螺旋焊管無法進行擴徑，因此成品鋼管存在著較大的拉應力，這種拉應力成為管線應力腐蝕的力學條件。
螺旋焊管在弧面焊接，熔敷金屬會產生流淌，焊縫形狀為內馬鞍、外脊背的形狀，焊縫和母材之間存在較大的局部應力，這又進一步加強了應力腐蝕的力學條件。
另外螺旋焊管的尺寸精度較差，為解決這問題，有的工廠對螺旋焊管進行管端擴徑，這樣雖然解決了現場對接的問題，但管體尺寸仍未得到改善。
除此之外，螺旋焊管還存在焊縫長，容易偏焊，無損檢測跟蹤難度大等不利因素。
2．3．2直縫埋弧焊管
直縫埋弧焊管(以下簡稱直縫焊管)是用成型機將平扳卷(壓)成圓型，通過予焊或機械夾持方法將焊接位置固定。然后在水平位置進行內、外多絲焊接。熔敷金屬在靜態凝固，因此消除了產生熱裂紋的充分條件，焊縫質量穩定可靠，焊后鋼管進行整體擴徑，使成型應力得到了釋放，焊接時熔池處于水平位置，多絲焊時各焊絲各司其職，焊縫可以和母材平滑過渡，局部應力小的多，為減慢應力腐蝕創造了有利條件。
直縫焊管有各種不同的成型方式(女HUOE、JCOE等)和擴徑方式(如水壓、機械)，不同的方式也會對焊管的使用性能產生一定的影響，管理水平不同，焊管質量也會產生巨大的差異，但是總體來說，直縫焊管的質量可靠性和尺寸精度要遠遠高于螺旋焊管。
2．3．3性能比較
螺旋焊管和直縫焊管在承壓能力方面并無大的差別，主要是在安全性和可靠性方面存在較大的差異，同時在應力腐蝕方面也存在有一定的差別，直縫管明顯要優于螺旋管。螺旋焊管由于設備投資較小，卷板價格比平板價格便宜許多，尤其是螺旋焊管可用較窄鋼卷生產較大直徑的焊管，因此螺旋焊管的價格明顯低于直縫焊管。
3 城市天然氣管線的安全屬性及對鋼管選型的要求
(1)城市天然氣輸送管線與長輸管線的同一性和特殊性
由于歷史和經濟上的原因，原石油部主管長輸管線和油田集輸管線的設計及施工。經過多年的實踐，原石油部的管道局，管材研究所和管道學院等一些大專院校對長輸管線的使用安全性進行了系統的研究，積累了比較完善的經驗。因此比較兩種管線的異同，對充分利用已有的研究成果，更好地進行“城市天然氣”管線的建設有十分重要的意義。
(2)無論長輸管線、集輸管線還是“城市天然
氣”管線都屬于“天然氣輸送”管線，因此城市天然氣輸送管線的設計選型不應該自成體系，而應該遵循
“天然氣輸送”管線的一般規則。
(3)城市天然氣管線和長輸管線的差別主要是
“城市天然氣”管線比長輸管線應該具有更高的安全性和可靠性。
(4)長輸管線輸送路線長，為減少壓力損失，提高輸送流量，往往采取盡可能高的輸送壓力，由于管道距離長，鋼管的成本占管線建設成本的比例較大，因此長輸管線建設節省成本的一個重要措施是盡量降低鋼管采購成本，在能使用螺旋管的場合盡量使用螺旋管。但由于螺旋管和直縫管在安全性和可靠性方面存在的明顯差異。因此一般國內的長輸管線規定僅在I類、Ⅱ類地區可以使用螺旋管，在III類、Ⅳ類地區必須使用直縫管。一些重要的工程，例如： “西氣東輸”工程，其二類地區也使用直縫管。
(5)“城市天然氣”管線全部都處在III類、Ⅳ類地區，隨著中國城市化進程的快速進展，今天的III類地區很快就會變成Ⅳ類地區，因此城市天然氣管線都應該按Ⅳ類地區考慮。
目前Ⅳ類地區是分類的******別，實際上很多城市的人口密度早已大大超過了Ⅳ類地區的標準。城市天然氣管道能否安全進行，直接關系到千家萬戶數以億計人民的生命和財產安全。
城市天然氣管線的特殊性還在于其往往在馬路旁邊安裝，汽車等重物長期碾壓和震動會造成地面的不均勻沉降，這就要求鋼管具有很好的縱向塑性和韌性。另外城市管道經過區域情況復雜，管道有時要通過遂道或在建筑物下面埋設，一旦有微小泄漏無法立即散發，當聚集到一定濃度后遇到明火，就會發生爆炸，這種案例屢有發生。
(6)“城市天然氣”管線的路徑不長，鋼管采購費用相對建設管道時的拆遷費用，影響交通造成的損失，和對人民的生活產生的困擾來說只占很小的比例，因此更沒有必要過分計較鋼管采購的少許費用差異而犧牲管道的整體安全性能。
4 城市天然氣管線的鋼級選擇要求
根據API 5L國際標準，一個完整的鋼級表述應包含兩個內容：一個是強度等級，指鋼管應滿足的最低屈服強度；一個是交貨狀態，主要有3種交貨狀態，即M(熱機械軋制)、N(正火)或Q(調質)。M表示原料鋼板應采用控軋或TMCP軋制工藝。TMCP~藝是從上世紀60年代開始發展起來的新工藝，可以在低碳和不增加合金含量的情況下，使鋼材的強度、韌性獲得提高，大大改善鋼材的可焊性，并提高鋼材的性價比，因此現代天然氣管線幾乎全部采用TMCP工藝，如中國西氣東輸一線的X70和二線的X80全部采用M狀態交貨。N表示正火狀態，在60年代以前的管線使用較多，鋼級****只能到X60。Q表示調質狀態，在高鋼級無縫鋼管工藝中應用較多，對于厚壁抗酸鋼管也大多采用調質工藝。
管線設計除充分考慮其安全性外，還要考慮其經濟性。由于管線在單位時間的輸送量與輸送壓力梯度和管道直徑的平方根成正比，因此提高管道輸送壓力和增加管徑是現代管道建設的發展方向，有資料認為，對于干線管道的管徑********直徑為1 422mm。但如果選用一般強度等級的鋼材，鋼管要設計得相當厚，其經濟性則不能體現，所以干線鋼管的鋼級往往比較高，比如西氣東輸一線采用X70，西氣東輸二線采用X80，正在規劃的西氣東輸三線據說要采用X90或x100，這其中許多技術問題需要解決，比如焊接性問題。
對于不同強度等級的管線鋼，其組織結構是有區別的。X60及以下鋼級一般組織為鐵素體+少珠光體組織，晶粒尺寸15～20；X65、X70一般為針狀鐵素體，晶粒尺寸5一10；X80、X100、x120一般為低碳貝氏體組織，晶粒尺寸1～5。隨著管線鋼強度等級的升高，其可焊性變差，為解決可焊性問題，基本上都采用低碳或超低碳的合金設計。
對于城市天然氣管線而言，設計壓力相對不高，安全問題應是最主要的問題。適用于城市天然氣管網的鋼級主要應是X52、X56、X60、X65，對城市管線的支干線可適當考慮到X70，這些鋼級可焊性較好，施丁方便，運用成熟，對于-X80及以上鋼級則沒必要考慮。
5 總結
（1）不同類別的鋼管其安全性和可靠性存在明顯的差異，管道的安全性和安全系數有一定的關系，同一條鋼管安全系數越高，相對來說越安全，在同一安全系數的條件下，質量穩定，性能好的鋼管具有更高的安全性能。“城市天然氣”輸送管線應始終將安全性作為第一要素考慮，尤其是管道建設單位，切不可為了省很少的一點鋼管采購費用而犧牲管道的安全性能。
(2)城市天然氣管線DN500以下鋼管可采用 ERW鋼管，小口徑鋼管也可采用無縫鋼管，DN500及以上鋼管建議采用直縫雙面埋弧焊鋼管。支干線用管鋼級選用建議在X70及以下，其他管網用管建議在 X65及以下。
(3)城市天然氣管道選型原則應按壓力與地區類別作為選型依據，在條件許可的情況下，可適當提高一些設計壓力標準，為后續的安全運行與升壓運行留有一定空間。考慮目前國內城市化進程速度很快，地區類別確定應按照就高不就低原則，最好按Ⅳ類地區考慮。
(4)在城市天然氣輸送管線中選型中，應參考長輸管線的研究成果，這雖然不是強制性規定，但都是世界各國管道行業專家，匯集了各國管道失效的案例，通過對失效概率的統計，建立失效與風險控制模型，總結出來的寶貴經驗。充分利用這些寶貴的經驗，對保證“城市天然氣”輸送的安全性有著積極的指導作用。
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