天然气工程中低温钢的选用

第26卷第5期天然气与石油2008年10月Natural Gas And Oil0ct.2008天然气工程中低温钢的选用杨汗青',潘亚东,吴惠芳2(1.中国石油工程设计有限公司西南分公司,四川成都610017;2.中国石油工程设计有限公司,北京100085)摘要:在天然气地面工程建设中,涉及到低温条件用钢的情况越来越多,如若选择不当将会对管道及站场设备的安全运行带来隐患;低温钢在材料成本及制造检验方面所需费用较高,如何恰当而经济地选择低温钢对工程建设的成本控制有着积极的意义。通过对国内外相关规范的介绍及详尽对比,对工程设计中低温压力容器、低温阀门、低温钢管的选用做了总结。关键词:低温钢;材料;韧性;使用温度文章编号:1006539(2008)05002204文献标识码:A于该临界温度时,材料的冲击韧性会急剧降低,这种0前言现象被称为金属材料的低温脆性转变,这一临界温度称为材料的脆性转变温度。材料的脆性转变温度近年来,随着我国石油天然气事业的大步向前愈低,材料的低温冲击韧性愈好。冷脆现象曾在世发展,在气田开发、液化气(LNG)存储和输送、石油界上造成多次灾难性事故,因此,在工程建设中必须化工等各方面对低温金属材料的需求越来越多。若对此加以特别重视。对低温工况中的金属材料选择不当,将有可能为工程建设后运行过程中留下安全隐患;另一方面由于2低温材料的要求低温金属材料价格相对较高,如何恰当的选择低温材料,对控制工程建设中的投资也有着积极意义。通常情况下,我们将存储和输送低温介质以及在寒冷地区服役的设备和管道称为低温容器、低温管道,而用于制造这些低温容器、低温管道所用的碳1低温危害钢、低合金钢奥氏体不锈钢等统称为低温钢。作为低温钢主要用来存储输送低温介质,与低温同低温钢除强度外,最重要的指标就是其低温冲击韧时存在的往往还有高压。比如在一些凝析气田的开性,要求其脆性转变温度低于材料的最低使用温度,在使用温度条件下,具有足够的冲击韧性,有足够的发中,使用J-T阀制冷后的介质温度低至-20防脆性开裂能力和抗裂纹扩展的止裂能力。40℃,压力高达6~8MPa;LNG的存储温度更是如前所述,体心立方晶格的金属材料存在低温低至-165℃。对于存储和输送这些介质的设备和冷脆现象而面心立方晶格的金属材料(奥氏体钢管道来说除了满足最基本的强度要求外,最重要的等)的冲击韧性与温度关系不明显,基本不受低温材料性能就是抗低温脆化性能。众所周知,对于体影响。碳钢材料(或体心立方晶格的金属材料)的心立方晶格的金属材料(如碳钢、钼、铌)而言在低低温韧性,可以通过提高纯净度、细化晶粒以及合金温情况下,材料因其原子周围的自由电子活动能力化等方法加以改善。比如控制碳钢中碳(C)、氧(低和“粘结力”减弱会使金属呈现脆性断裂的倾向,对温钢都要求使用镇静钢)、磷(P)、硫(S)等有害元于这些材料都有这样一个临界温度,当环境温度低素的miX中国煤化工等元素显著提高钢收稿日期:200807-15CNMHG作者简介:杨汗青(1979-)男湖南湘阴人,工程师,学士,毕业于西南油气储运专业,主要从事天然气储运设计工作。电话:(028)86014580。第26卷第5期杨汗青,等:天然气工程中低温钢的选用的强度和韧性,加入钼(M)使钢的晶粒细化等等。以下,HG20585-1998《钢制低温压力容器技术规值得一提的是,合金元素镍(Ni)加入钢中,固熔于定》中,低温压力容器的定义为设计温度-20铁素体能显著改善基体的韧性因此镍(№)是发-196℃。美国ASME标准体系中,没有对低温压力展低温钢的一个重要元素。容器作明确定义,但仍然将-29℃作为一个控制标为满足低温工况下的要求,在低温设备和管材准。GB150-1998《钢制压力容器》规定:制造低温的选型过程中,通常从化学成分、制造工艺、强度要压力容器所用的碳素钢和低合金钢均“应按附录C求(屈强比)、热处理状态材料试验要求等各方面中的规定进行夏比(Ⅴ型缺口)低温冲击试验。奥提出标准作为衡量材料低温韧性性能的通用手段。氏体钢的使用温度高于或等于-196℃时,可免做冲通常在夏比(V型缺口)冲击试验中把冲击值降到击试验某一特定允许的最低冲击值,并把此时的最低温度表1列出的是可用于低温压力容器制造的低合作为该材料的脆性转变温度。在施工过程中,由于金钢牌号、冲击试验(标准试样)最低温度及冲击功钢管的对接焊缝相对于母管较难保证其低温冲击韧(平均值)要求。其中,16MnDR钢是制造-40℃级性,因此应对焊接工艺评定方法及焊缝的冲击试验低温压力容器的经济又成熟的钢种,在工程建设中提出要求。被广泛应用;07 MnNiCrMovdr由于其具有良好的低温冲击韧性,在-40℃时的冲击功值大于47J,被推3低温压力容器荐为低温压力容器用钢除低合金钢外,奥氏体不锈钢由于其在低温条我国GB150-1998《钢制压力容器》附录C中件下的良好韧性在工程中通常采用它作为特低温将低温压力容器的概念定义为设计温度在-20℃及压力容器的制造材料。表1用于低温压力容器的合金钢牌号及要求钢号使用状态夏比冲击试验厚度/mm最低温度/℃Akx/执行标准6--2516MnR热轧正火6-12007 MnCrMoVR调质16--50GB150-199816MnDR36~100GB3531-19907MnNiCrMoVDR调质000005GB150-199815MnNiDR正火,正火加回火6~60≥27GB3531-199609Mn2VDR(已取消)正火,正火加回火GB3531-199609Mn NiDR正火,正火加回火6-60-70≥27GB3531-199629℃时,AP6D以及GB/T19672均要求对所有碳4低温阀门钢和低合金钢阀门承压部件进行低温冲击试验。GB/T19672-2005《管线阀门技术条件》推荐用于在天然气阀门制造行业经常用于制造阀门主低温阀门制造的合金铸钢主要是:LCB、LC1、LC2,体用的材料主要是:铸造碳素钢、合金铸钢、奥氏体JB/T7248-94《阀门用低温钢铸件技术条件》中规不锈铸钢。定,LCB、LC1、LC2使用温度从-46℃到-73℃,除在GBT1229-2005《通用阀门碳素钢铸件技此之外,还有用于低温阀门制造用的LC3(35Ni术条件》中,列举的铸造碳素钢有ZC205-415、钢),其使用温度最低为-10℃。 ASME SA-352/ZC250-485、ZC275-485,它们与 ASME SA-21SA-352M中,除了国标中已采用的LCB、LC1、LC2SA-216M中的 WCA, WCB、WCC完全等同。国内LC3外在碳素钢铸造阀门的制造中,绝大多数材料采用用温V凵中国煤化工等钢种其最低使CNMHG2)。在阀门实际WCB或wcc。 ASMe B1634中规定WCB和WC生产中,最常用的是LCB和LC。的适用温度范围为-29~425℃。当设计温度低于4气与2008年表2适用于低温条件下的铸钢牌号及要求合金元素的含量要求;在制造工艺方面主要是从晶力学性能夏比冲击试验粒纯净度、热处理状态等方面提出要求;力学性能则标准试样)抗拉强度屈服强度试验温度A主要是屈强比、低温冲击试验要求和落锤撕裂试验(DwTT)等方面。碳钢415~585在长输管道的建设中,最常选用的是符合碳钢450~62024T971l系列标准的管材,它们大致与SO3183系列碳锰钢485~65527546≥18LCl碳钼钢450~620240s≥20标准等效。在GB/T9112-199中推荐的夏比冲LC22.5%镍钢485~击试验温度为0℃,而通常在选用过程中,会根据实LC2-1镍铬钼钢725奶际需要,将这一试验温度降低至一定值比如-20℃LC33.5%镍钢48并规定此时管体和焊缝夏比冲击试验的最低要求1CA4.5%镍钢485-6527515220AP5L对FSI2级的钢管也提出了夏比冲击试验要9%镍钢515196≥27求,对于低温情况下的夏比冲击功(平均值)的要求CA6NM2.5%铬镍钼钢760-93055073≥27为:横向试样≥27,纵向试样≥41J,并对X80及以在GBT19672-2005(管线阀门技术条件》中,上钢级的冲击试验提出了更高的要求。工程中经常推荐使用的奥氏体不锈铸钢有:CF3、CF8、CF3M采用的无缝管标准是GB/T8163-1999(输送流体CF8M、CF8C和 ZG1 Crl8N9T。其中,CF3、CF8、用无缝钢管)和CB6479-20高化肥设备用无CFM、CF8M、CF8C材料标准都是由 ASME SA缝钢管)。GBT8163-1999并未对材料作冲击韧351/SA-3M转化而来。在制造-101℃以下低性试验要求适用于输送流体的一般用途。低温情温阀门中,国内外均采用低温性能优良的CF8和况下,可以采用比GBT8163-199要求更高的CBCF8M,其使用温度能低至-196℃。由于N钢热处6479-200高压化肥设备用无缝钢管),其对10理工艺复杂和生产周期长等原因CF8和CF8M还号、20号16Mn三种牌号钢管的低温冲击性能提出常常用来代替镍钢作为生产低温阀门用的主材。了明确要求。除此之外,国家质量监督检验检疫总局于20035低温管材年3月3日发布了由JS低温钢管规范转化而来的GB/T18984-2003《低温管道用无缝钢管》规范,该为保证选用的管材符合在低温条件下服役的安规范涵盖五个牌号的钢管,适用范围从-45℃一直全要求我们通常从化学成分制造工艺、力学性能到-100℃(见表3)。更低设计温度下的压力管道等方面对管材提出基本要求。对化学成分的要求主采用奥氏体不锈钢管或者引进材料。要是控制钢中C、P、S、0等有害元素的含量和提出表3低温钢管牌号及要求纵向力学性能夏比冲击试验(标准试样牌号抗拉强度屈服强度/MPa/MPa断后伸长率试验温度/℃An/J壁厚≤16mm壁厚>6mm16MnDG490~665≥325≥31530≥2110MnDG≥24035≥21OODG≥2109Mn2VDG≥45006Ni3 MoDG≥250≥21除上述在国内普遍遵行的做法外符合ASmM钢及中国煤化工除对低温冲击试验A3334333 ASME SA-333/SA-333M)标准的做了低温管材在国外已广泛适用于低温用无缝和焊接碳理CNMHG进行相应的热处具业m。夜4列出了A33各第26卷第5期杨汗青,等:天然气工程中低温钢的选用个级别钢管的冲击试验最低温度值。往往远远大于单纯承压所需要的壁厚,此时可以通表4 ASTM A33标准对钢管冲击试验的要求过计算管道在工作情况下是否符合低温低应力工力学性能夏比冲击试验况,然后通过技术经济比选,更加合理的选择管材级别杭拉强度屈服强度管型标准试样)最低试验AkCr1380205无缝或焊接-45187结束语/≥MPa/≥MPa温度/℃刀Gr3450240无缝或焊接-100≥184415正确的选用低温材料,关键在于正确的确定设无缝≥18Gr6415240无缝或焊接45≥18计最低温度。它不仅与承压件内的介质温度有关,Cr745040无缝或焊接-75≥18还受到环境温度的影响,应该通过计算综合考虑。Gr8690515无缝或焊接-195≥18工艺专业设计人员应将详尽的有关介质、环境温度Gr9435315无缝或焊接-75218的变化和操作情况向设备专业设计人员作出交代,105040无缝或焊接-60≥18便于设备设计人员按照相关规范正确选材。注:对于Gr8钢管,对每个带缺口的冲击试样应测量相对于此外,对于输送、处理湿气的管道而言,从工艺缺口的侧向膨胀值,且不小于0.38mm角度一般都已经考虑了伴热和保温措施,环境温度对管道选材的影响几乎可以忽略;对于埋地管道而6低温低应力工况言,一般都是敷设在冻土层以下,因此也不会属于低温环境。对于露空的干气输送管道而言,比如天然GB150、ASME锅炉及压力容器规范及德国AD气长输管道靠近城市的分输站,除了考虑调压后气规范中,对压力容器“低温低应力工况”做了大致类体介质的温降外,还需考虑我国北方地区冬季气温似的定义,并规定低温低应力工况下的压力容器可寒冷的影响,尤其是在停产检修一段时期后恢复生以不受低温压力容器规范的相关要求;对于压力管产时,虽然介质温度相对较高,但管材的升温需要道而言,工业金属管道设计规范中对低温低应力工个过程,露空或者只有保温措施的管道在启动初期况作出了与压力容器类似的定义:低温低应力工况的低温安全也需要综合考虑。为设计温度低于或等于-20℃的受压管道组成件,参其环向应力小于或等于钢材屈服点的16,且不大[1]cB150-199.钢制压力容器[s]于50Ma的工况。除抗拉强度下限值大于540MPa【2]ASME锅炉及压力容器规范国际性规范Ⅷ第一册,压的钢材及螺栓材料外,使用的材料在低温低应力工力容器建造规则[S况下,若设计温度增加50℃后,高于-20℃时,管道3]ASME锅炉及压力容器规范国际性规范Ⅱ材料A篇,材料可免于做低温冲击试验。在 ASME F313中铁基材料[S]也有对于类似低温低应力工况下管材可以免除冲击4]G353-19,低温压力容器用低合金钢钢板[S][5]JBT7149-1995,低温阀门技术条件[S]试验的条款。因此对于低压管道来说:例如放空管6GB50316-200,业金属管道设计规范[S线其设计压力虽然不高,但由于放空时的节流效(7]ASME压力管道规范B3.3,工艺管道[s]应,放空气体的温度往往从正常操作温度突降至低(8]ASME压力管道规范B31!输气和配气管道系统温,在选择壁厚时由于壁厚系列的原因,选择的壁厚[S]中国煤化工CNMHG