管道用管

管道运输所用的管子，是管道的主体部分。现代管道用管主要是钢管。建设一条长距离管道,其投资的30%左右，所用钢材的90%左右用于管子。由于海洋和北极区油、气田的开发，以及油品管道、天然气管道、固体料浆管道的输送工艺的发展，对管道的管材性能要求日益提高，制管工艺也日趋完善。

概述 1865年建成第一条输油管道,用的是直径2英寸的熟铁管。从1887年开始，输油管道采用钢管。早期钢管是用锻制法对焊或搭焊制成的，后来出现了无缝钢管和电焊钢管。20世纪20年代末期，开始应用具有高抗拉强度的薄壁钢管。这种薄壁钢管大大地降低了管道单位长度的用钢量，并为制造大管径钢管和提高管道输送工作压力创造了条件。

目前应用的管道钢管主要有螺旋缝钢管、直缝钢管和无缝钢管三种。螺旋缝钢管是由成卷的带钢在制管机上连续卷制焊接而成的，其纵向焊缝为螺旋形。这种制管工艺适用于制造薄壁钢管。直缝钢管主要用"UO"法制造，即将单张钢板在液压机上先冲压，使钢板的横截面成"U"字形,再经冲压成"O"字形,然后经焊接、胀圆成管，其纵向焊缝是一条直线。无缝钢管一般由铸锭或实心棒材先行穿孔，再经扩孔或拉拔而成;也可用挤压法，即在一步工序中直接由铸锭或实心棒材制成。无缝钢管一般用于较小口径高压管道，如输送成品油、液化石油气和乙烯等的管道。钢管的强度等级通常按美国石油学会 (API)标准划分，并按管材的屈服极限标注为X60、X70等。 X后面的数字表示管材规定的最低屈服极限，单位为千磅每平方英寸。这个管材标准是管道工程最通用的标准。1926年美国石油学会发布API-5L标准，其中包括一般碳素钢管。1947年发布API-5LX标准,其中包括X42、X46、X52三种管材。1964年发布API-5LS标准，将螺旋缝钢管标准化。1967~1970年四年中,API-5LS和API-5LX两项标准中,增加了管道建设所常用的X56、X60和X65等管材。

管径的选择 管道输送中，管径的变化对压力降或输量的影响最大。确定合理的管径是管道设计最优化的主要指标之一。管径的选择一般是将输油(气)站和管道的建设费、操作费、维修费、折旧费，以及利润率和偿还期等因素，表示为管径的函数;计算各项费用之和对管径的一阶导数求出综合费用的最小值，从而确定合理的管径值。合理的管径随输油、气管道建站的费用上升而增大,所以加大管径以减少中间加压站数,可节约投资。管径与输量的0.25~0.4次方成正比,并随流体性质及不同时期或地区各项费用的不同而变化。近年来,管道消耗的动力和燃料费用上涨，管道直径在选择方面出现增大的趋势，油管和气管道目前最大直径分别达到1220毫米和1420毫米。

管壁厚度的确定 管道钢管的壁厚 (d)通常根据管道运行的内压力(p)所引起的环向应力来确定,可按下式计算:式中D为管道直径;嗘为焊缝系数;【σ】为许用应力;C为壁厚裕量(包括腐蚀裕量和管材负公差等)。不同钢号和不同直径的管子存在壁厚的最小值，以保证其刚度。对受外载作用的大直径管、薄壁管、海洋管道和水下穿越管道还应进行稳定性校核。为了节省投资，长距离管道根据沿线压力变化，可分段选取不同钢号和不同壁厚的管子。海洋管道和水下穿越管道，由于存在着承受外压力和要求增加管重，以及不易维修等问题，所以管壁厚度须大于相同直径和内压的陆上管道。

埋地管道纵向应力分析 由于纵向应变受土壤与管表面之间摩擦力的约束，埋地管道的直管段部分会产生以下三种纵向应力。①泊松效应应力:管子受内压时,其直径涨大而引起纵向收缩。收缩受到约束时，管道纵向即受到拉应力。其值为μσ，其中μ为泊松比(钢管μ值约为0.30);σ为环向应力。②温度应力:管道操作温度高于安装温度时，管子在投产后受热伸长。这一伸长受到约束时，管道纵向承受压应力。其值为ɑEΔT，其中ɑ为管材的热胀系数;E为弹性模量;ΔT为管道操作温度与安装温度的差值。如果操作温度低于安装温度，管道纵向承受拉应力。③内压引起的纵向应力:在管道的弯头或阀门处，由于内压作用产生纵向力。此纵向力传到管壁上，产生拉应力，其值为0.5σ。对于埋地管道，此纵向力随着离远弯头或阀门而逐渐被土壤的摩擦力所平衡。

埋地管道纵向应力如下图。 A处有一清管器收发筒，管道经弯头入土，在弯头处破坏了土壤与管表面之间摩擦力的连续性,形成自由端。管道在B点受到土壤反力的约束。由B向C，土壤与管表面间的摩擦力逐渐积累，约束力逐渐增加,到C点时管子的纵向位移完全被约束住，即纵向位移为零。C点以后称为嵌固段;纵向应变不受约束的管段称为自由段;自由段和嵌固段之间称为过渡段，即图中BC部分。 管道在嵌固段所受纵向应力σL最大，可按下式计算:式中负号表示压应力。一般对σL不必单独校核，但对σL和σ的组合应力，应按强度理论进行校核。

管道断裂 管道在试压或运行中可能发生断裂破坏。输气管道或以气体为试压介质的管道发生的断裂现象危害最为严重。断裂的起裂与钢管的缺陷大小、管材和焊缝韧性的高低，以及应力水平等因素有关。为防止起裂，应保证管材和焊缝的韧性，对管道应严格进行无损探伤检查，以排除超过容许范围的缺陷。

管道起裂后会产生两种裂纹失稳扩展，即脆性断裂失稳扩展和延性断裂失稳扩展。由于长输管道难以完全避免起裂，因此控制失稳扩展是非常重要的。

脆性断裂发生在延性- 脆性转变温度以下。起裂时，脆性断裂的扩展速度同破裂面中剪切面积所占百分比有关。剪切面积所占百分比越大，则扩展速度就越低。破裂时，管中介质减压波的速度超过钢管的断裂扩展速度，则裂纹尖端的应力由于压力降低而迅速减小，从而可达到止裂。对于这种断裂，一般采用在某一温度下，对管道进行落锤撕裂试验(DWTT)加以检验。控制试件破裂面中剪切面积不低于某一百分比，也可达到止裂。1960年美国的一条直径为30英寸的管道，在气压试验时发生脆性断裂，撕裂长度达13公里。

延性断裂发生在延性- 脆性转变温度以上。这种断裂能够扩展相当长的距离，预防这种断裂，要求管材的韧性大于某一最低值。这个最低值不是固定值，而是与钢管尺寸及应力大小有关;管径越大，应力越高，则最低值越高。随着管道直径的增加和工作应力的提高，管材往往难以达到要求的最低韧性指标，为此，近年来正在研究和使用各种止裂装置如止裂环。

随着管道运输的发展，钢管材质获得非常迅速的改进。20世纪70年代以来，管材使用的普通碳钢已逐渐被掺入铬、钼、铌、钒、铜、铝和稀土元素的低碳合金钢取代，制管技术也广泛采用热处理工艺和控制轧制等级等新技术。