在输气管道建设中提高管子金属的强度是节约金属的一种巨大潜力。金属消耗量与管子壁厚有关，根据建筑标准与规则(CHиП．05．06—85)，壁厚由下式确定：
式中 n——视负荷(内压)而定的可靠性系数，n=1. 1；
p——输气管道中的工作压力，MPa；
d
H——管子外径；
R
1——计算抗拉强度；
R
1H——管子金属的定额抗拉强度，根据对管子的技术条件，其值等于极限抗张强度σ
BP的最小值；
k
1——视材料而定的可靠性系数，根据对管子的技术条件取值(在大多数情况下k
1=1．34)；
k
H——视输气管道用途而定的可靠性系数(见表2—5—1)；
m——输气管道工作条件系数。
输气管道工作条件系数m视输气管道的等级而定：
|
输气管道的等级 |
B |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅳ |
|
m |
0.6 |
0.75 |
0.75 |
0.9 |
0.9 |
表2-5-1 视用途而定的输气管道可靠性系数
|
公称直径，mm |
p≤5.5MPa |
5.5MPa<p≤7.5MPa |
7.5MPa<p≤9.8MPa |
|
≥500 |
1 |
1 |
1 |
|
600～1000 |
1 |
1 |
1.05 |
|
1200 |
1.05 |
1.05 |
1.1 |
|
1400 |
1.05 |
1.1 |
1.15 |
在建筑标准与规则(CHиП2．05．06—85)中对于线输气管道规定了两个等级：Ⅲ级和Ⅳ级，管径小于1200mm、地面和地上铺设的输气管道属于Ⅲ级，而地下铺设的输气管道属于Ⅳ级；管径为1200mm和大于1200mm，无论用何种方法铺设的输气管道均属Ⅲ级；建造在北部建筑气候区的输气管道，不论管径大小和采用何种铺设方法，均属于Ⅲ级；输气管道线路上的某些管段可能属于更高的等级-Ⅰ，Ⅱ级(穿越河流、公路和铁路、在沼泽、盐碱滩和永冻土地带、邻接截流阀的管段等)，类似等段的详细分级可参见'建筑标准与规则'(CHиП2．05．06—85)铺设在压气站、天然气调节站和配气站范围内的输气管道属于最高等级B。
根据上述公式所得的壁厚计算值δ要按国家标准或钢管的技术条件化整成邻近的较大值。
管径为d
H(单位为mm)，壁厚为δ(单位为mm)的每公里输气管道的金属耗量(单位为10
3t)可按下列公式计算：
G=2．66×10-6×δ(dH-δ) 利用上述关系可确定不同工作压力(5．5～11．8MPa)、不同管径(1020～1420mm)和不同管子金属强度(δ=520～800MPa)的单位金属耗量，计算结果表示在图1．1上。所获得的数据令人信服地证明了在所有工作压力和管径的条件下提高管子金属的强度均可带来极大的节约金属的效果。正因为如此，在天然气管道输送的所有发展阶段中输气管道工作压力和管径的增加总是与管道强度的提高结合在一起的，举例来说，在输气工艺发展阶段中的一个关键阶段，即输气道的直径和压力从1220mm、5．5MPa转到1420mm、7．5MPa时，管子金属的强度极限(极限抗拉强度δ
BP从520MPa)提高到550MPa，随后又提高到600MPa，结果，单位金属耗量减少了25％。对直径1420mm、工作压力7．5MPa的管子在实际上还存在着进一步提高其强度极限的技术上的可能性，即把δ
BP提高到650MPa。这种转变之所以必要，其理由是：提高直径为1420mm管子的强度性能实际上是目前减少单位金属耗量的唯一可能的方向，因为其它降低单位金属耗量的方向都已到尽头，这就是：
把输气管道的直径增加到1420mm以上，这在技术一经济上是不合理的。
提高工作压力，但不增加管子金属的强度，这并不导致单位金属耗量的减少；
增加压气站站数和功率，虽然所设计的输气管道的输量提高了，但使能耗大大增加(在这种情况下，单位金属耗量减少1％，但能耗却增加2．5％～3％)。
但是，对输气管道的研究和输气管道的操作经验都表明，随着管子金属强度性能的提高，管子的抗裂性也随之下降。天然气科学研究院曾对日本生产的钢管(δ
BP=600～700MPa)做过试验，在试验过程中发现，在同样的冲击韧性下，猛烈的破坏长度随δ
BP的增加而增加。专家们认定，随着金属强度的增加，必须增加其冲击韧性。根据日本公司提供的数据，对于δ
BP=700～800MPa、工作压力为9．8MPa的钢管，其冲击韧性应该比，δ
BP=600～650MPa时高得多，而这对轧制板材的生产造成了一定的困难。
根据对压力为7．5MPa和9．8MPa、1420mm钢管的技术条件，冲击韧性的定额标准分别为80J／cm
2和110J／cm
2。但是，关于压力为9．8MPa时所要求的冲击韧性究竟应取多大的值，在专家们中间尚未取得一致意见。乌克兰科学院帕顿电焊研究所的研究表明，冲击韧性并不是抗裂性的唯一准则，危险性裂纹扩展的增加并不与冲击韧性的增加成正比关系。当冲击韧性超过80J／cm
2时，危险性裂纹扩展实际上保持不变(0．2mm)。这种情况要求对每一种所研究的强度极限进行全方位的试验。
除了随着金属强度特性的提高而出现的抗裂性问题之外，还出现了另外一些迫切要求解决的问题：可焊性、焊接材料和连接件的结构。高强度钢管的焊接对缺陷很敏感、易于形成裂纹，因此对焊接质量(漏焊、气孔等)的检查标准要求更加严格。
目前，接合件是用强度相对较低的钢材制造的，这导致了焊接件与管子的厚度不均，从而降低了焊接工作的质量。由此可知，在提高管子强度的同时，还应该解决用高强度钢制造接合件的问题。此外，还必须指出，制管钢材强度的提高给修复工作带来了麻烦，因为标准文件规定，禁止用焊接的方法来修复δ
BP>540MPa的管子。
因此，用高强度钢材来制造管子以及这种管子的使用都面临着一系列科学技术问题。此外，考虑到在新设计的1420mm输气管道上作为节约金属唯一手段的这一技术进步方向的作用，必须对把钢管强度提高到一个合理的水平加以论证，以保证较大的技术—经济效果，并顾及到生产这种钢管的实际上的技术可能性。
天然气科学研究院以7．5MPa的压力对钢管进行了一系列试验，记录了提高管子金属强度时裂纹扩展的途径，试验结果表明，在今天的条件下，把钢管的强度提高到650MPa以上的建议是不可采纳的，同时，根据专家们的意见，如果为生产强度极限为650MPa的钢管，可采用现有的钢材型号和轧制工艺，那么要生产强度极限为700MPa的钢管，就必须研制出新的钢材型号，并采用新的生产钢管的工艺过程。
综上所述，可以认为，进一步提高管道钢管强度的成熟阶段就是采用强度为650MPa、用于7．5MPa压力的钢管。关于在以后阶段采用更高强度钢管的问题，将视钢管生产领域中的技术进步情况而定。
根据输气管道中的工作压力方案采用更高强度钢管的范围是不同的。当工作压力为7．5MPa时，只要在Ⅰ级和Ⅱ级管段上采δ
BP=650MPa的钢管才是合理的。在Ⅲ级和Ⅳ级管段上采用这样的钢管是不经济的，因为在这种情况下，根据'建筑标准与规则'(CHиП．05．06—85)的规定，管子的壁厚不得小于0．01dH，即不得小于14mm。对于工作压力为9．8MPa的输气管道，就不存在这样的限制，因为Ⅲ级和Ⅳ级管段的计算壁厚为20mm。因此，对于压力为9．8MPa的输气管道可建议在所有等级的管段上采用σ
BP=650MPa的钢和。考虑到Ⅰ级和Ⅱ级管段在压力为7．5MPa的输气管道中所占的份额，依靠采用σ
BP=6．50MPa的钢管，可使金属耗量大约减少3％，而在压力为9．8MPa的输气管道上，采用这样的钢管，金属耗量将减少6％～7％。
正如前面已经指出的，采用9．8MPa工作压力的输气工艺与技术上能够达到的钢管强度有更大的关系。但同时还应该考虑到，提高钢管强度，钢管的价格也相应提高。根据日本公司提供的数据，与强度极限为600MPa的钢管相比，当σ
BP=650MPa时，钢管价格预期提高8％，当σ
BP=700MPa时钢管价格预期提高25％，当σ
BP=750MPa时，钢管价格预期提高50％。提高σ
BP值后的高强度负管的价格如此昂贵，这就提出
了一个问题：建设压力为9．8MPa的输气管道在技术—经济上是否合理?为此，作者作了技术一经济计算，其结果列于表2—5—2中，原始数据取自有关的标准文件。作者对工作压力为7．5MPa(作为比较基准)和9．8MPa、长度和商品气输量均为3700km和3000×10
8m
3/a的多管平行输气管道系统的技术—经济指标作了对比，在此基础上，对采用高强度钢管的经济效果作出了评估。为输送3000×10
8m
3/a的商品气，工作压力为7．5MPa时需铺设11条平等管道(其中3组为三管平行输气管道系统，1组为双管平行输气管道系统)；工作压力为9．8MPa时需铺设8条平行管道(4组双管平行输气管道系统)。对工作压力为7．5MPa的基准方案采用的是强度极限为600MPa的钢管，这是大批量生产的俄国产钢管。对9．8MPa的压力考虑了三种强度级别的钢管：650、700和750MPa。燃料气的价格定为：30卢布/1000m
3。在所有的方案中，压气站数相同(31座)，压气站的装备为ГПA-Ц-16型输气机组，压气站采用传统的压缩比(1．45)。从计算结果可做出如下结论：
表2—5—2 采用不同强度管材时的输气方案技术—经济指标的对比
| 指标 |
压力为7.5MPa，σBP=600MPa的基准方案的指标 |
压力从7.5MPa转到9.8MPa时指标的相对变化，％ |
| 强度极限，σBP,MPa |
| 650 |
700 |
750 |
| 1.钢管价格，卢布/t |
356 |
+8 |
+25 |
+50 |
| 2.每公里的投资，103卢布/km |
741 |
+40 |
+40 |
+45 |
| 3.每1000m3商品气的单位指标 |
折合费用，卢布 |
26.2 |
-0.7 |
-0.5 |
+2 |
| 投资，卢布 |
125 |
0 |
+0.5 |
+3.4 |
| 经营费用，卢布/a |
11.2 |
-1.8 |
-1.8 |
0 |
| 金属耗量，kg |
80.6 |
-7.4 |
-12 |
-19 |
| 装机功率(考虑备用)，W |
79.3 |
-8.3 |
-8.3 |
-8.3 |
(1)压力为9．8MPa、钢管强度为不同级别的所有输气方案的折合费用与基准方案大致相同(与压力为7．5MPa的基准方案的偏差仅为+2％～-0．5％)，也就是说在经济上是等效的；
(2)与基准方案相比，单位投资随着钢管强度的增加(在650～750MPa范围内)而增加，可达3．4％，而经营费用却随之下降，达1．8％；
(3)与基准方案相比，单位金属耗量随着钢管强度的增加(在650～750MPa范围内)而下降．从7．4％到19％，单位装机功率也随之下降，达8．3％。
根据以上所述，可得出如下结论：提高压力到9．8MPa，同时提高钢管强度到不久的将来就能实现的650MPa，与采用强度更高的钢管相比，将获得更大的经济效果，确切的说，单位折合费用将下降0.7%，投资保持不变，经营费用和金属耗量将分别1.8减少%和7.4%。 在输气管道建设中提高管子金属的强度是节约金属的一种巨大潜力。金属消耗量与管子壁厚有关，根据建筑标准与规则(CHиП．05．06—85)，壁厚由下式确定：
式中 n——视负荷(内压)而定的可靠性系数，n=1. 1；
p——输气管道中的工作压力，MPa；
d
H——管子外径；
R
1——计算抗拉强度；
R
1H——管子金属的定额抗拉强度，根据对管子的技术条件，其值等于极限抗张强度σ
BP的最小值；
k
1——视材料而定的可靠性系数，根据对管子的技术条件取值(在大多数情况下k
1=1．34)；
k
H——视输气管道用途而定的可靠性系数(见表2—5—1)；
m——输气管道工作条件系数。
输气管道工作条件系数m视输气管道的等级而定：
|
输气管道的等级 |
B |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅳ |
|
m |
0.6 |
0.75 |
0.75 |
0.9 |
0.9 |
表2-5-1 视用途而定的输气管道可靠性系数
|
公称直径，mm |
p≤5.5MPa |
5.5MPa<p≤7.5MPa |
7.5MPa<p≤9.8MPa |
|
≥500 |
1 |
1 |
1 |
|
600～1000 |
1 |
1 |
1.05 |
|
1200 |
1.05 |
1.05 |
1.1 |
|
1400 |
1.05 |
1.1 |
1.15 |
在建筑标准与规则(CHиП2．05．06—85)中对于线输气管道规定了两个等级：Ⅲ级和Ⅳ级，管径小于1200mm、地面和地上铺设的输气管道属于Ⅲ级，而地下铺设的输气管道属于Ⅳ级；管径为1200mm和大于1200mm，无论用何种方法铺设的输气管道均属Ⅲ级；建造在北部建筑气候区的输气管道，不论管径大小和采用何种铺设方法，均属于Ⅲ级；输气管道线路上的某些管段可能属于更高的等级-Ⅰ，Ⅱ级(穿越河流、公路和铁路、在沼泽、盐碱滩和永冻土地带、邻接截流阀的管段等)，类似等段的详细分级可参见'建筑标准与规则'(CHиП2．05．06—85)铺设在压气站、天然气调节站和配气站范围内的输气管道属于最高等级B。
根据上述公式所得的壁厚计算值δ要按国家标准或钢管的技术条件化整成邻近的较大值。
管径为d
H(单位为mm)，壁厚为δ(单位为mm)的每公里输气管道的金属耗量(单位为10
3t)可按下列公式计算：
G=2．66×10-6×δ(dH-δ) 利用上述关系可确定不同工作压力(5．5～11．8MPa)、不同管径(1020～1420mm)和不同管子金属强度(δ=520～800MPa)的单位金属耗量，计算结果表示在图1．1上。所获得的数据令人信服地证明了在所有工作压力和管径的条件下提高管子金属的强度均可带来极大的节约金属的效果。正因为如此，在天然气管道输送的所有发展阶段中输气管道工作压力和管径的增加总是与管道强度的提高结合在一起的，举例来说，在输气工艺发展阶段中的一个关键阶段，即输气道的直径和压力从1220mm、5．5MPa转到1420mm、7．5MPa时，管子金属的强度极限(极限抗拉强度δ
BP从520MPa)提高到550MPa，随后又提高到600MPa，结果，单位金属耗量减少了25％。对直径1420mm、工作压力7．5MPa的管子在实际上还存在着进一步提高其强度极限的技术上的可能性，即把δ
BP提高到650MPa。这种转变之所以必要，其理由是：提高直径为1420mm管子的强度性能实际上是目前减少单位金属耗量的唯一可能的方向，因为其它降低单位金属耗量的方向都已到尽头，这就是：
把输气管道的直径增加到1420mm以上，这在技术一经济上是不合理的。
提高工作压力，但不增加管子金属的强度，这并不导致单位金属耗量的减少；
增加压气站站数和功率，虽然所设计的输气管道的输量提高了，但使能耗大大增加(在这种情况下，单位金属耗量减少1％，但能耗却增加2．5％～3％)。
但是，对输气管道的研究和输气管道的操作经验都表明，随着管子金属强度性能的提高，管子的抗裂性也随之下降。天然气科学研究院曾对日本生产的钢管(δ
BP=600～700MPa)做过试验，在试验过程中发现，在同样的冲击韧性下，猛烈的破坏长度随δ
BP的增加而增加。专家们认定，随着金属强度的增加，必须增加其冲击韧性。根据日本公司提供的数据，对于δ
BP=700～800MPa、工作压力为9．8MPa的钢管，其冲击韧性应该比，δ
BP=600～650MPa时高得多，而这对轧制板材的生产造成了一定的困难。
根据对压力为7．5MPa和9．8MPa、1420mm钢管的技术条件，冲击韧性的定额标准分别为80J／cm
2和110J／cm
2。但是，关于压力为9．8MPa时所要求的冲击韧性究竟应取多大的值，在专家们中间尚未取得一致意见。乌克兰科学院帕顿电焊研究所的研究表明，冲击韧性并不是抗裂性的唯一准则，危险性裂纹扩展的增加并不与冲击韧性的增加成正比关系。当冲击韧性超过80J／cm
2时，危险性裂纹扩展实际上保持不变(0．2mm)。这种情况要求对每一种所研究的强度极限进行全方位的试验。
除了随着金属强度特性的提高而出现的抗裂性问题之外，还出现了另外一些迫切要求解决的问题：可焊性、焊接材料和连接件的结构。高强度钢管的焊接对缺陷很敏感、易于形成裂纹，因此对焊接质量(漏焊、气孔等)的检查标准要求更加严格。
目前，接合件是用强度相对较低的钢材制造的，这导致了焊接件与管子的厚度不均，从而降低了焊接工作的质量。由此可知，在提高管子强度的同时，还应该解决用高强度钢制造接合件的问题。此外，还必须指出，制管钢材强度的提高给修复工作带来了麻烦，因为标准文件规定，禁止用焊接的方法来修复δ
BP>540MPa的管子。
因此，用高强度钢材来制造管子以及这种管子的使用都面临着一系列科学技术问题。此外，考虑到在新设计的1420mm输气管道上作为节约金属唯一手段的这一技术进步方向的作用，必须对把钢管强度提高到一个合理的水平加以论证，以保证较大的技术—经济效果，并顾及到生产这种钢管的实际上的技术可能性。
天然气科学研究院以7．5MPa的压力对钢管进行了一系列试验，记录了提高管子金属强度时裂纹扩展的途径，试验结果表明，在今天的条件下，把钢管的强度提高到650MPa以上的建议是不可采纳的，同时，根据专家们的意见，如果为生产强度极限为650MPa的钢管，可采用现有的钢材型号和轧制工艺，那么要生产强度极限为700MPa的钢管，就必须研制出新的钢材型号，并采用新的生产钢管的工艺过程。
综上所述，可以认为，进一步提高管道钢管强度的成熟阶段就是采用强度为650MPa、用于7．5MPa压力的钢管。关于在以后阶段采用更高强度钢管的问题，将视钢管生产领域中的技术进步情况而定。
根据输气管道中的工作压力方案采用更高强度钢管的范围是不同的。当工作压力为7．5MPa时，只要在Ⅰ级和Ⅱ级管段上采δ
BP=650MPa的钢管才是合理的。在Ⅲ级和Ⅳ级管段上采用这样的钢管是不经济的，因为在这种情况下，根据'建筑标准与规则'(CHиП．05．06—85)的规定，管子的壁厚不得小于0．01dH，即不得小于14mm。对于工作压力为9．8MPa的输气管道，就不存在这样的限制，因为Ⅲ级和Ⅳ级管段的计算壁厚为20mm。因此，对于压力为9．8MPa的输气管道可建议在所有等级的管段上采用σ
BP=650MPa的钢和。考虑到Ⅰ级和Ⅱ级管段在压力为7．5MPa的输气管道中所占的份额，依靠采用σ
BP=6．50MPa的钢管，可使金属耗量大约减少3％，而在压力为9．8MPa的输气管道上，采用这样的钢管，金属耗量将减少6％～7％。
正如前面已经指出的，采用9．8MPa工作压力的输气工艺与技术上能够达到的钢管强度有更大的关系。但同时还应该考虑到，提高钢管强度，钢管的价格也相应提高。根据日本公司提供的数据，与强度极限为600MPa的钢管相比，当σ
BP=650MPa时，钢管价格预期提高8％，当σ
BP=700MPa时钢管价格预期提高25％，当σ
BP=750MPa时，钢管价格预期提高50％。提高σ
BP值后的高强度负管的价格如此昂贵，这就提出
了一个问题：建设压力为9．8MPa的输气管道在技术—经济上是否合理?为此，作者作了技术一经济计算，其结果列于表2—5—2中，原始数据取自有关的标准文件。作者对工作压力为7．5MPa(作为比较基准)和9．8MPa、长度和商品气输量均为3700km和3000×10
8m
3/a的多管平行输气管道系统的技术—经济指标作了对比，在此基础上，对采用高强度钢管的经济效果作出了评估。为输送3000×10
8m
3/a的商品气，工作压力为7．5MPa时需铺设11条平等管道(其中3组为三管平行输气管道系统，1组为双管平行输气管道系统)；工作压力为9．8MPa时需铺设8条平行管道(4组双管平行输气管道系统)。对工作压力为7．5MPa的基准方案采用的是强度极限为600MPa的钢管，这是大批量生产的俄国产钢管。对9．8MPa的压力考虑了三种强度级别的钢管：650、700和750MPa。燃料气的价格定为：30卢布/1000m
3。在所有的方案中，压气站数相同(31座)，压气站的装备为ГПA-Ц-16型输气机组，压气站采用传统的压缩比(1．45)。从计算结果可做出如下结论：
表2—5—2 采用不同强度管材时的输气方案技术—经济指标的对比
| 指标 |
压力为7.5MPa，σBP=600MPa的基准方案的指标 |
压力从7.5MPa转到9.8MPa时指标的相对变化，％ |
| 强度极限，σBP,MPa |
| 650 |
700 |
750 |
| 1.钢管价格，卢布/t |
356 |
+8 |
+25 |
+50 |
| 2.每公里的投资，103卢布/km |
741 |
+40 |
+40 |
+45 |
| 3.每1000m3商品气的单位指标 |
折合费用，卢布 |
26.2 |
-0.7 |
-0.5 |
+2 |
| 投资，卢布 |
125 |
0 |
+0.5 |
+3.4 |
| 经营费用，卢布/a |
11.2 |
-1.8 |
-1.8 |
0 |
| 金属耗量，kg |
80.6 |
-7.4 |
-12 |
-19 |
| 装机功率(考虑备用)，W |
79.3 |
-8.3 |
-8.3 |
-8.3 |
(1)压力为9．8MPa、钢管强度为不同级别的所有输气方案的折合费用与基准方案大致相同(与压力为7．5MPa的基准方案的偏差仅为+2％～-0．5％)，也就是说在经济上是等效的；
(2)与基准方案相比，单位投资随着钢管强度的增加(在650～750MPa范围内)而增加，可达3．4％，而经营费用却随之下降，达1．8％；
(3)与基准方案相比，单位金属耗量随着钢管强度的增加(在650～750MPa范围内)而下降．从7．4％到19％，单位装机功率也随之下降，达8．3％。
根据以上所述，可得出如下结论：提高压力到9．8MPa，同时提高钢管强度到不久的将来就能实现的650MPa，与采用强度更高的钢管相比，将获得更大的经济效果，确切的说，单位折合费用将下降0.7%，投资保持不变，经营费用和金属耗量将分别1.8减少%和7.4%。
上一篇文章：
