管道相关知识

管道概述管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。当流体的流量已知时，管径的大小取决于允许的流速或允许的摩擦阻力(压力降)。流速大时管径小，但压力降值增大。因此，流速大时可以节省管道基建投资，但泵和压缩机等动力设备的运行能耗费用增大。此外，如果流速过大，还有可能带来一些其他不利的因素。因此管径应根据建设投资、运行费用和其他技术因素综合考虑决定。管子、管子联接件、阀门和设备上的进出接管间的联接方法，由流体的性质、压力和温度以及管子的材质、尺寸和安装场所等因素决定，主要有螺纹联接、法兰联接、承插联接和焊接等四种方法。螺纹联接主要适用于小直径管道。联接时，一般要在螺纹联接部分缠上氟塑料密封带，或涂上厚漆、绕上麻丝等密封材料，以防止泄漏。在1.6兆帕以上压力时，一般在管子端面加垫片密封。这种联接方法简单，可以拆卸重装，但须在管道的适当地方安装活接头，以便于拆装。法兰联接适用的管道直径范围较大。联接时根据流体的性质、压力和温度选用不同的法兰和密封垫片，利用螺栓夹紧垫片保持密封。在需要经常拆装的管段处和管道与设备相联接的地方，大都采用法兰联接。承插联接主要用于铸铁管、混凝土管、陶土管及其联接件之间的联接，只适用于在低压常温条件下工作的给水、排水和煤气管道。联接时，一般在承插口的槽内先填入麻丝、棉线或石棉绳，然后再用石棉水泥或铅等材料填实，还可在承插口内填入橡胶密封环，使其具有较好的柔性，容许管子有少量的移动。焊接联接的强度和密封性最好，适用于各种管道，省工省料，但拆卸时必须切断管子和管子联接件。城市里的给水、排水、供热、供煤气的管道干线和长距离的输油、气管道大多敷设在地下，而工厂里的工艺管道为便于操作和维修，多敷设在地上。管道的通行、支承、坡度与排液排气、补偿、保温与加热、防腐与清洗、识别与涂漆和安全等，无论对于地上敷设还是地下敷设都是重要的问题。地面上的管道应尽量避免与道路、铁路和航道交叉。在不能避免交叉时，交叉处跨越的高度也应能使行人和车船安全通过。地下的管道一般沿道路敷设，各种管道之间保持适当的距离，以便安装和维修；供热管道的表面有保温层，敷设在地沟或保护管内，应避免被土压坏和使管子能膨胀移动。管道可能承受许多种外力的作用，包括本身的重量、流体作用在管端的推力、风雪载荷、土壤压力、热胀冷缩引起的热应力、振动载荷和地震灾害等。为了保证管道的强度和刚度，必须设置各种支(吊)架，如活动支架、固定支架、导向支架和弹簧支架等。支架的设置根据管道的直径、材质、管子壁厚和载荷等条件决定。固定支架用来分段控制管道的热伸长，使膨胀节均匀工作；导向支架使管子仅作轴向移动，为了排除凝结水，蒸汽和其他含水的气体管道应有一定的坡度，一般不小于千分之二。对于利用重力流动的地下排水管道，坡度不小于千分之五。蒸汽或其他含水的气体管道在最低点设置排水管或疏水阀，某些气体管道还设有气水分离器，以便及时排去水液，防止管内产生水击和阻碍气体流动。给水或其他液体管道在最高点设有排气装置，排除积存在管道内的空气或其他气体，以防止气阻造成运行失常。管道如不能自由地伸缩，就会产生巨大的附加应力。因此，在温度变化较大的管道和需要有自由位移的常温管道上，需要设置膨胀节，使管道的伸缩得到补偿而消除附加应力的影响。对于蒸汽管道、高温管道、低温管道以及有防烫、防冻要求的管道，需要用保温材料包覆在管道外面，防止管内热(冷)量的损失或产生冻结。对于某些高凝固点的液体管道，为防止液体太粘或凝固而影响输送，还需要加热和保温。常用的保温材料有水泥珍珠岩、玻璃棉、岩棉和石棉硅藻土等。为防止土壤的侵蚀，地下金属管道表面应涂防锈漆或焦油、沥青等防腐涂料，或用浸渍沥青的玻璃布和麻布等包覆。埋在腐蚀性较强的低电阻土壤中的管道须设置阴极保护装置，防止腐蚀。地面上的钢铁管道为防止大气腐蚀，多在表面上涂覆以各种防锈漆。各种管道在使用前都应清洗干净，某些管道还应定期清洗内部。为了清洗方便，在管道上设置有过滤器或吹洗清扫孔。在长距离输送石油和天然气的管道上，须用清扫器定期清除管内积存的污物，为此要设置专用的发送和接收清扫器的装置。当管道种类较多时，为了便于操作和维修，在管道表面上涂以规定颜色的油漆，以资识别。例如，蒸汽管道用红色，压缩空气管道用浅蓝色等。为了保证管道安全运行和发生事故时及时制止事故扩大，除在管道上装设检测控制仪表和安全阀外，对某些重要管道还采取特殊安全措施，如在煤气管道和长距离输送石油和天然气的管道上装设事故泄压阀或紧急截断阀。它们在发生灾害性事故时能自动及时地停止输送，以减少灾害损失。管道金属材料一、管道金属材料的选用1.压力管道金属材料的特点压力管道涉及各行各业，对它的基本要求是“安全与使用”，安全为了使用，使用必须安全，使用还涉及经济问题，即投资省、使用年限长，这当然与很多因素有关。而材料是工程的基础，首先要认识压力管道金属材料的特殊要求。压力管道除承受载荷外，由于处在不同的环境、温度和介质下工作，还承受着特殊的考验。（1）金属材料在高温下性能的变化①蠕变钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续产生塑性变形的现象，称为蠕变。钢材蠕变特征与温度和应力有很大关系。温度升高或应力增大，蠕变速度加快。例如，碳素钢工作温度超过300～350℃，合金钢工作温度超过300～400℃就会有蠕变。产生蠕变所需的应力低于试验温度钢材的屈服强度。因此，对于高温下长期工作的锅炉、蒸汽管道、压力容器所用钢材应具有良好的抗蠕变性能，以防止因蠕变而产生大量变形导致结构破裂及造成爆炸等恶性事故。②球化和石墨化在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹杂于铁素体中，其渗碳体会从片状逐渐转变成球状，称为球化。由于石墨强度极低，并以片状出现，使材料强度大大降低，脆性增加，称为材料的石墨化。碳钢长期工作在425℃以上环境是地，就会发生石墨化，在大于475℃更明显。SH3059规定碳钢最高使用温度为425℃，GB150则规定碳钢最高使用温度为450℃。③热疲劳性能钢材如果长期冷热交替工作，那么材料内部在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹而不断扩展，最后导致破裂。因此，在温度起伏变化工作条件下的结构、管道应考虑钢材的热疲劳性能。④材料的高温氧化金属材料在高温氧化性介质环境中（如烟道）会被氧化而产生氧化皮，容易脆落。碳钢处于570℃的高温气体中易产生氧化皮而使金属减薄。故燃气、烟道等钢管应限制在560℃下工作。（2）金属材料在低温下的性能变化当环境温度低于该材料的临界温度时，材料冲击韧性会急剧降低，这一临界温度称为材料的脆性转变温度。常用低温冲击韧性（冲击功）来衡量材料的低温韧性，在低温下工作的管道，必须注意其低温冲击韧性。（3）管道在腐蚀环境下的性能变化石油化工、船舶、海上石油平台等管道介质，很多有腐蚀性，事实证明，金属腐蚀的危害性十分普遍，而且也十分严重，腐蚀会造成直接或间接损失。例如，金属的应力腐蚀、疲劳腐蚀和晶间腐蚀往往会造成灾难性重大事故，金属腐蚀会造成大量的金属消耗，浪费大量资源。引起腐蚀的介质主要有以下几种。①氯化物氯化物对碳素钢的腐蚀基本上是均匀腐蚀，并伴随氢脆发生，对不锈钢的腐蚀是点腐蚀或晶间腐蚀。防止措施可选择适宜的材料，如采用碳钢-不锈钢复合管材。②硫化物原油中硫化物多达250多种，对金属产生腐蚀的有硫化氢（H2S）、硫醇（R-SH）、硫醚（R-S-R）等。我国液化石油气中H2S含量高，造成容器出现裂缝，有的投产87天即发生贯穿裂纹，事后经磁粉探伤，内表面环缝共有417条裂纹，球体外表面无裂纹，所以H2S含量高引起应力腐蚀应值得重视。日本焊接学会和高压气体安全协会规定：液化石油中H2S含量应控制在100×10-6以下，而我国液化石油气中H2S含量平均为2392×10-6，高出日本20多倍。③环烷酸环烷酸是原油中带来的有机物，当温度超过220℃时，开始发生腐蚀，270～280℃时腐蚀达到最大；当温度超过400℃，原油中的环烷酸已汽化完毕。316L（00Cr17Ni14Mo2）不锈钢材料是抗环烷酸腐蚀的有效材料，常用于高温环烷酸腐蚀环境。2.压力管道金属材料的选用（1）金属材料选用原则①满足操作条件的要求首先应根据使用条件判断该管道是否承受压力，属于哪一类压力管道。不同类别的压力管道因其重要性各异，发生事故带来的危害程度不同，对材料的要求也不同。同时应考虑管道的使用环境和输送的介质以及介质对管体的腐蚀程度。例如插入海底的钢管桩，管体在浪溅区腐蚀速度为海底土中的6倍；潮差区腐蚀速度为海底土中的4倍。在选材及防腐蚀措施上应特别关注。②可加工性要求材料应具有良好的加工性和焊接性。③耐用又经济的要求压力管道，首先应安全耐用和经济。一台设备、一批管道工程，在投资选材前，必要时进行可行性研究，即经济技术分析，拟选用的材料可制定数个方案，进行经济技术分析，有些材料初始投资略高，但是使用可靠，平时维修费用省；有的材料初始投资似乎省，但在运行中可靠性差，平时维修费用高，全寿命周期费用高。（2）常用材料的应用限制常用材料限制条件见表1，常用材料使用温度范围见表2。（3）管道常用金属材料名称及规格常用钢管名称、标准、牌号及主要用途见表3。二、API标准和管线钢早在1926年，美国石油学会（API）发布API-5L标准，最初只包括A25、A、B三种钢级，以后又发布了数次，见表4。表4API发布的管线钢级注：1972年API发布U80、U100标准，以后改为X80、X100。2000年以前，全世界使用X70，大约在40%，X65、X60均在30%，小口径成品油管线相当数量选用X52钢级，且多为电阻焊直管（ERW钢管）。我国冶金行业在十余年来为发展管线钢付出了极大的辛劳，目前正在全力攻关X70宽板，上海宝山钢铁公司、武汉钢铁公司等X70、X80化学成分、力学性能分别列于表5～表9。表5武钢X80卷板性能表6X70级钢管的力学性能表7X70级钢管弯曲性能检测结果表8X70级钢管的夏比冲击韧性表9高强度输送管的夏比冲击韧性我国目前在输油管线上常用的管型有螺旋埋弧焊管（SSAW）、直缝埋弧焊管（LSAW）、电阻焊管（ERW）。直径小于152mm时则选用无缝钢管。我国20世纪60年代末至70年代，螺旋焊管厂迅速发展，原油管线几乎全部采用螺旋焊钢管，“西气东输”管线的一类地区也选用螺旋焊钢管。螺旋焊钢管的缺点是内应力大、尺寸精度差，产生缺陷的概率高。据专家分析认为，应采用“两条腿走路”的方针，一是对现在螺旋焊管厂积极进行技术改造，还中大有前途的；二是大力发展我国直缝埋弧焊管制管业。ERW钢管具有外表光洁、尺寸精度高、价格较低等特点，在国内外已广泛应用。三、钢管1.低压和中压锅炉用无缝钢管（GB3087－1999）①低压和中压锅炉用无缝钢管牌号、尺寸规格与用途，见表10。②钢管的化学成分和力学性能，见表11和表12。3.低压液体输送用焊接钢管（GB/T3091－2001）（1）牌号、化学成分和力学性能牌号、化学成分（熔炼分析）应符合GB/T700中Q215A、Q215B、Q235A、Q235B和GB/T1591中Q295A、Q295B、Q345A、Q345B的规定，力学性能应符合表17的规定。（2）制造方法钢管用电阻焊或埋弧焊方法制造。（3）工艺试验①弯曲试验公称外径D不大于60.3mm的电阻焊钢管应进行弯曲试验，镀锌管弯曲半径为8D，非镀锌管弯曲半径为6D，且弯曲角均为90°。②压扁试验公称外径D大于60.3mm的电阻焊钢管应进行压扁试验。③液压试验液压试验压力值见表18。（4）焊缝余高钢管壁厚不大于12.5mm时，焊缝余高不大于3.0mm；钢管壁厚大于12.5mm时，焊缝余高不大于3.5mm。（5）钢管长度电阻焊（ERW）钢管通