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钢管的应用及其防腐
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
简介： 简单介绍了城市燃气管道的种类和材料。重点介绍了几种不同材质的钢管及其适用范围，并对其进行了比较。详细介绍了埋地钢管的土壤腐蚀类型及比较常见的防腐方法。最后指出了城市燃气管道中存在的一些问题和解决途径。0 前言近十余年，我国的城市燃气事业蓬勃发展，设计、施工和管理等各方面技术都有了很大进步。尤其是今年来，不少城市发展城市燃气事业，对节约能源、保护环境、提高人民生活水平和促进社会经济发展都有重要意义。现代化的城市燃气输配系统是复杂的综合设施，其主要部分是燃气管网。燃气管网敷设造价约占项目总造价的60%~70%，其中管材费用约占管网敷设造价的60%以上[1]。用于输送燃气的管材种类很多，主要有钢管、铸铁管和PE塑料管等三类。我们必须根据燃气性质、系统压力和施工要求来选用，并应满足机械强度、抗腐蚀、抗震和气密性等基本要求。1 钢管的应用钢管是燃气工程中应用最多的管材。其主要优点是：强度高、韧性好、承载应力大，抗冲击性和严密性好，可塑性好，便于焊接和热加工，壁厚较薄、节省金属。但其耐腐蚀性较差，需要有妥善的防腐措施。燃气工程中使用的钢管一般由优质低碳钢（Q235）或低合金钢（16Mn）制成。1.1 钢管的选材用于城市燃气管道的钢管主要有无缝钢管和焊接钢管两大类。无缝钢管的强度很高，但受生产工艺和成本的限制，一般是DN200以下的小口径钢管。焊接钢管种类较多，按焊接方式可分为直缝焊接钢管和螺旋缝焊接钢管两类。其中，直缝焊接钢管（以下简称直缝管）又包括直缝双面埋弧焊（LSAW）钢管和高频电阻焊（ERW）钢管等几种。螺旋缝焊接钢管（以下简称螺旋管）则是螺旋缝双面埋弧焊（HSAW）钢管。将直缝管和螺旋管的制造工艺进行比较，则前者的优势在于：① 螺旋管的制造工艺决定其残余应力要大于直缝管，因直缝管采用整体扩径工艺，残余应力接近零，而螺旋管不能做到这一点；② 螺旋管焊缝错边量大多在1.1~1.2mm范围内，标准要求错边量要小于壁厚的10%，对于薄壁管，错边量很难达到标准要求，而直缝管不存在此问题；③ 与直缝管相比，螺旋管焊缝流线较差，应力集中现象严重；④ 螺旋管热影响区大于直缝管，而热影响区是焊管质量的关键；⑤ 螺旋管几何尺寸精度差，给现场施工，如对口、焊接带来一定困难；⑥ 同样管径，螺旋焊管可能达到的厚度远小于直缝管，如直缝管板厚一般为6~25mm，最厚可达45mm，而螺旋管壁厚最大只能达到18mm；⑦ 直缝管焊缝比螺旋管缩短60%，焊缝缺陷出现概率低；⑧ 直缝管母材为单张控轧钢板，可进行100%无损探伤，而螺旋管母材为热轧钢板卷，不能做到100%的无损探伤；⑨ 直缝管采用先成型后焊接的工艺，在焊接前有条件检查成型缝的质量，焊缝的间隙、坡口、错边等可检测处理，而螺旋管采用边成型边焊接的工艺，即使在焊接进程中发现有错边、开缝等缺陷也很难随时停机处理，可见直缝管的焊接质量要优于螺旋管[2]。因此，直缝管的工艺质量综合性能要忧于螺旋管。目前国内直缝管的生产情况是：公称直径DN400及其以下为高频电阻焊钢管，公称直径DN400以上为直缝双面埋弧焊钢管。对于直缝双面埋弧焊钢管，按成型工艺的不同，共有UOE、JCOE、HME、RBE和PFP等五种成管方式，以前两者最为常见。由于UOE成型焊接钢管生产线的成型设备技术含量高，生产效率高，成型工艺较简单，成型好，成型后焊接应力小；且由于生产中采用水压整体扩径，可有效消除钢管内应力，提高了管材的强度和尺寸精度，所以质量优于JCOE成型焊接钢管。但是，螺旋管用卷板制管，造价比用钢板卷制的直缝钢管低廉。而且，螺旋管的焊缝在管子上形成的线条比直缝管均匀，焊缝避开了主应力方向。所以螺旋管在城市燃气输配管网中也还是有一定应用。1.2 钢管的选用城市燃气管道包括输气干管、分配管道、用户引入管和室内燃气管道，各管道都有不同的用途。按输气压力的不同，又可分为低压（不高于0.01MPa）、中压（0.01~0.4MPa）、次高压（0.4~1.6MPa）和高压（1.6~4.0MPa）。一般来说，管道压力越高，管道漏气的可能性越大，对管道的质量要求也越高；但采用较高压力的管道，则可以减少整个管网的初投资。不同用途、不同压力和不同直径的管道，就必须有不同材质和不同工艺。城市燃气管网中，高压、次高压管道和输气干管一般都选用钢管，但是也存在着钢管类型的选用问题。近年来，直缝管在压力较高的管道中呈现出逐渐取代螺旋管的趋势。目前，高频电阻焊（ERW）钢管比螺旋管价格还要低，而且质量可靠性高于螺旋管，有着良好的性价比，应用越来越广泛。有一种取法是管道外径￠≤406mm采用直缝电阻焊ERW钢管，￠＞406mm采用直缝双面埋弧焊钢管（UOE成型工艺）[3]。中低压管道方面，PE管柔韧性好、耐腐蚀、管道内壁光滑等优点，使得PE80材质PE管成为小直径中低压燃气管网的主要管材。而在国外，高密度的PE100材质PE管由于在价格和维护成本方面具有钢管无法比拟的优势，已成为埋地中低压燃气管道管材的首选[1]。但当管道管径较大、大于PE管的经济界限管径时，则应选用钢管。例如，DN200以上的中压管道是以选用直缝电阻焊ERW钢管为主。城市里人口积聚、车辆集中、施工区繁多、地下设施复杂，燃气管道所处环境特殊，故对管道的选用提出了更高的要求。在重点区域应选用直缝管，减少制管焊缝长度，提高焊缝质量，降低发生事故的可能性。另外在确定管道钢级时，应在按经济比选出的钢级基础上再降低一级，以增加管道壁厚，提高管道线性刚度。2 钢管腐蚀及防腐在城市燃气管网中，燃气管道一般采取地下敷设，这容易给金属管道包括钢管带来严重的腐蚀。而且与长输管道相比，城市燃气管道多为环状、枝状，管件密布，管道变径较普遍；随着城市建设的进展逐步形成并拓展，质量缺陷较多；周边环境复杂甚至突变，城市杂散电流干扰严重。这都要求做好钢管的防腐工作。2.1 钢管腐蚀类型埋地金属管道的腐蚀形式分为均匀腐蚀和局部腐蚀两种，多以局部腐蚀为主，其危害性也最大。钢管在土壤中的腐蚀过程主要是电化学溶解过程，由于形成了腐蚀电池从而导致管道的锈蚀穿孔。按腐蚀电池阳极区与阴极区间距的大小，又可将钢管的腐蚀形态分为微电池腐蚀和宏电池腐蚀两大类。所谓微电池腐蚀，是指由相距仅为几毫米甚至几微米的阳极和阴极所组成的微电池作用所引起的管道腐蚀。其外形特征十分均匀，故又称均匀腐蚀。由于微阳极与微阴极相距非常近，故微电池腐蚀的速度不依赖于土壤电阻率，仅决定于微阳极和微阴极的电极过程。微电池腐蚀对埋地钢管的危害性较小。所谓宏电池腐蚀，是指由相距几厘米甚至几米的阳极区和阴极区所组成的宏电池作用所引起的管道腐蚀。宏电池腐蚀也称局部腐蚀。由于阳极区与阴极区相距较远，土壤介质电阻在腐蚀电池回路总电阻中占相当大比例，因此宏电池腐蚀的速度除与阳极和阴极的电极过程有关外，还与土壤电阻率有关。土壤电阻率大，就能降低宏电池腐蚀的速度。在埋地钢管表面出现的斑块状或孔穴状的腐蚀即由宏电池腐蚀造成，其危害性相当大。综上所述，埋地管道在土壤中主要遭受电化学腐蚀，、该腐蚀分为阳极过程、阴极过程、电流流动三个过程，相互独立又彼此联系，其中一个过程受阻，另两个过程也受阻，腐蚀电池就会停止和减慢[4]。这给我们采取防腐对策提供了理论依据。2.2 钢管的防腐方法针对埋地管道电化学腐蚀的三个过程，钢管的防腐方法也从抑制其中某一过程入手。如在管道外壁加防腐涂层，可增大回路电阻，减少腐蚀电流；外加直流电源，使钢管对土壤造成负电位、形成阴极保护，可消除阴阳极电位差，从根本上停止阴阳极过程的进行。防腐涂层法治表，阴极保护法治本。但是一旦防腐涂层破损，露铁部分会加速局部腐蚀。故防腐涂层与阴极保护相结合才是表本兼治的方法，经济而有效。美国等国家已明确规定，采用了防腐涂层的同时必须采用阴极保护。但对于城市燃气系统，由于地下管网密集，阴极保护的外加电源对其它管道干扰大，会造成自身受益、他家受害的局面。而采用比钢管电位负的金属材料与钢管相连的牺牲阳极保护法则不会出现此类情况，因此，城市燃气的输气干管应采用防腐涂层与牺牲阳极相结合的防腐方法。对于其他压力较低的非主干管道，则一般直接采用防腐涂层法。目前埋地燃气管道常用的外防腐涂层主要有三层PE复合结构、环氧树脂粉末（FBE）、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青和PE胶带等五类。三层PE复合结构、环氧树脂粉末防腐涂层性能优异，因而也是欧美国家埋地管道的主要防腐涂层[1]。在我国，从耐用年限、维护费用等全面的经济因素考虑，一般首选三层PE复合结构防腐涂层。在牺牲阳极保护法中，一般采用镁合金作为牺牲阳极对管道进行保护。由于在输出电流过程中遭受破坏，镁合金牺牲阳极的设计使用年限最好与管道的使用年限相匹配，既不产生浪费也不多增加维护费用。但应注意的是，当土壤电阻率太高和被保护管道穿过水域时，不宜采用牺牲阳极保护[5]。不同的防腐方法有不同的防腐质量和费用，应根据被保护钢管的不同压力、不同用途及其所处的不同环境和输送的不同燃气，综合全面地考虑防腐方法和防腐费用。在考虑经济合理性方面应注意两点：①燃气管网建设时的一次防腐投资，②燃气管网运行后的维护费用。由于城市燃气管网位于市区，投运后维护检修困难且费用较高，因此应适当加大一次投资，以减少投运后管道的日常维修工作量[1]。3 结束语在城市燃气领域，甚至整个燃气领域，钢管都发挥了不可替代的重要作用。但是，我们也必须看到由于我们在设计、施工和维护管理等方面的工作还存在一定问题，导致燃气管道寿命较短，实际输气能力与设计值相差较大，发生爆管、漏气等事故，浪费国家物资，妨碍社会稳定，影响城市正常建设和市民日常生活，甚至威胁人民生命和财产的安全。当然，发生以上问题有其他客观因素的影响，但我们专业工程技术人员也应当负有一定责任。通过我们的合理设计、文明施工、细心维护、规范管理，再配合政府部门、生产厂家和广大市民的共同努力，我国的城市燃气事业必定会得到更广泛、更健康的发展。参考文献[1] 吴创明．天然气球罐与管道选材的探讨[J]．煤气与热力，2004，24（9）：510-514[2] 蒋浩，李昌兵，卢成刚，等．城镇高压燃气焊接钢管的选用[J]．煤气与热力，2004，24（5）：267-268[3] 严铭卿．城市天然气输配工程的初步设计与审查[J]．煤气与热力，2004，24（1）：33-36[4] 田再强，袁秀鹏，王芷芳．土壤对埋地钢管腐蚀的勘测与分析[J]．煤气与热力，2004，24（4）：231-234[5] 段常贵主编．燃气输配（第三版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001- 市场一部：022-58519722
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