[发明专利]一种天然气管道延性断裂止裂方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种X100及其以上级别天然气管道延性断裂止裂方法。

背景技术

为了提高管道运输的经济性，天然气管道的发展趋势是高压、大口径、大壁厚、大输量，采用的钢管也随之向高钢级(高强度级别)方向发展。世界范围内，目前正在建设的长输天然气管道普遍采用X70及其以下级别的钢管，X80级别钢管已开始大规模使用，更高级别的超高强度(X100、X120)钢管也已进行了试应用。我国天然气管道用管线钢管近年来发展非常快，X70级别钢管在西气东输一线、陕京二线、川气东送等管道工程的成功应用，缩短了我国与世界先进水平的差距。目前正在建设的西气东输二线管道工程，大规模采用X80级别的钢管，西段两千多公里已建成通气，东段两千多公里也即将完工，其压力、管径、壁厚、长度等综合参数在世界上也是史无前例的，使我国高钢级管线钢管的应用在世界上实现了从“追赶者”到“领跑者”的跨越。X80级别管线钢管的成功应用，使X100级别管线钢管的工程应用已提到我们的议事日程上来。随着管道钢级的提高，其应用技术难度增大，防止天然气管道延性裂纹长程扩展(即止裂)就是其中需要解决的技术难题之一。

随着管线钢材料韧性的提高，高压天然气管道一般呈延性断裂特征。天然气管道一旦开裂，其减压速度很慢，而钢管裂纹扩展的速度很快，为了保证管道安全，要求钢管必须有足够的韧性，使裂纹扩展的速度小于管道的减压波速度，从而实现延性裂纹的止裂。但是随着管道压力和钢管强度级别的提高，依靠钢管材料韧性来止裂难度越来越大。研究表明，对于X100强度级别的管道，在有些情况下(如管道的压力、管径、壁厚相对较小)依靠提高钢管的韧性可以止裂，而在有些情况下(如管道的压力、管径、壁厚相对较大)依靠钢管的韧性不能止裂，对于X120及其以上强度级别的管道，依靠钢管的韧性不能止裂。在钢管韧性不能止裂或可靠止裂的情况下必须采取其他外部措施进行止裂，目前采用的方法是在管道的外部每隔一定距离加上金属或非金属止裂环。这种止裂方法不仅需要使用止裂环，增加现场连接作业工序，而且我国目前尚没有止裂环应用的技术和经验，世界范围应用也不广泛。

发明内容

本发明的目的是采用X100及其以上高强度级别钢管的管道，每隔一定的间距，连接2根或多根强度级别较低的高韧性止裂钢管，提高管道的止裂能力，防止管道长程裂纹的扩展，从而保证管道的运行安全。

高压天然气管道一旦开裂并长程扩展，将造成巨大灾害和损失。随着管道运行压力的提高，管径、壁厚的增大以及管线钢管强度级别的提高，防止天然气管道延性裂纹扩展(即止裂)所需的韧性越来越高，而随着管线钢管强度级别的提高，提高韧性愈来愈困难，依靠高强度钢管本身的韧性难以有效止裂。

两组强度级别相对较低钢管之间为正常的X100或其它更高级别的钢管，其间距为50～100根钢管，长度600～1200米。根据具体的管道安全性要求，该间距可以缩短或加大。大量使用的强度级别较高的钢管，对其韧性不必提出过高的要求，而少量使用的强度级别相对较低，壁厚和韧性较高的钢管，其壁厚按与主管道相同的承压能力进行设计计算，其韧性可以按现有成熟的计算模型、经验公式或实验结果进行确定，对其提出防止延性裂纹止裂的较高韧性要求。

强度级别相对较低的钢管采用螺旋缝埋弧焊管或直缝埋弧焊管。采用螺旋缝埋弧焊焊管，两根连接管环焊缝焊接对口时，两根钢管管端螺旋缝环向间距的间距应大于100mm；或采用直缝埋弧焊焊管，两根连接管环焊缝焊接对口时，两根钢管管端直缝环向间距应大于200mm或者三分之一管周长，防止裂纹沿着连续两根钢管韧性较差的焊缝或热影响区部位扩展。

X80及其以下强度级别钢管在天然气管道中大量应用，其韧性的确定是一项成熟技术，目前有许多计算模型、经验公式和全尺寸实物爆破试验结果，ISO 3183：2007《石油天然气工业-管道输送系统用钢管》和API Spec 5L：2007(第44版)《管线钢管规范》两项标准对此有推荐方法。而X100及其以上级别钢管目前尚没有大量应用，其天然气管道钢管韧性如何确定尚无成熟技术和经验，依靠钢管本身的韧性不能止裂或可靠止裂。本发明的效果是在管道结构不变，不采用其它止裂环结构，减少止裂环施工工序，仅在正常强度级别相对较高(X100及其以上级别)的管道中间每隔一定间距连接2根或多根强度级别相对较低(X80及其以下)、厚壁、高韧性钢管。采用该发明技术可以有效解决X100及其以上级别管道的止裂问题，推动超高强度级别管线钢管的工业应用。即使强度级别较高的管道有一定的止裂能力，采用该技术也可以进一步提高其止裂能力，从而提高管道的安全可靠性。