大直径焊接钢管在输水领域的应用
来源:至德钢业 日期:2020-05-26 13:10:34 人气:905
为了探索和推动焊接钢管在输水等非油气领域的应用,介绍了目前用于输水工程的大直径管材的种类及国内外输水管材的发展情况,对预应力钢筒混凝土压力管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)和焊接钢管(SP)的特点、性能优势、防腐技术以及经济性等方面进行了分析。分析结果表明,焊接钢管具有强韧性高、承压能力强、焊接性良好、抗变形能力优等特点,并且现场施工接头少、效率高、维修更换快捷,在输水工程领域广泛应用。
近年来,随着国内外油气管线建设放缓,大批焊接钢管企业产能得不到释放,很多钢管厂都处于停产或半停产状态。然此期间恰逢国内水利建设和城市综合管廊建设快速发展,同时钢管制造企业也开始探索和推动焊接钢管在输水等非油气领域的应用。“十三五”时期水利建设仍处于补短板、破瓶颈、增后劲、上水平的发展阶段,是加快完善水利基础设施网络、全面深化水利改革、有效破解新老水线问题、构建国家水安全保障体系、加快推进水利现代化进程的关键时期。
目前,用于输水工程的大直径管材的主要产品有:预应力钢筒混凝土压力管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)以及钢管(SP)3种管材。输水管材的选用主要从工程的规模、重要性、管材直径及工作压力、工程地质、地形、外荷载状况、工程工期、资金控制等方面进行综合分析比较后确定。本研究对大直径输水管材发展情况以及大直径焊接焊管性能特点、防腐形式等方面进行了分析介绍,为大直径焊接钢管在输水领域的应用提供技术参考。
1国内外输水管材概况
1.1国外输水管材
最早输水管道出现在1668年,法国巴黎郊区到凡尔赛宫就开始采用铸铁管(灰铸铁)建设输水管线。1940—1945年,由于当时法国钢材短缺,法国邦纳管道公司设计并制造了预应力钢筒混凝土管(PCCP管),随后美国开始大量应用PCCP管作为输水管。20世纪60年代以后,欧美逐渐淘汰普通灰口铸铁管,开始大量使用球墨铸铁管。由于PCCP管长期服役过程中经常出现爆管等事故,2008年美国水协公开发布了“PC-CP管失效”专题报告,北美在新输水管线中已经不再考虑使用PCCP管。目前PCCP管一般在北美用于无压供水管道,输水管线中以新开发的承插接口输水钢管替代PCCP管。美国DN800 mm以上的大直径输水管主要采用钢管,DN800 mm以下采用球墨铸铁管。
1.2国内输水管材
1950—1960年,由于我国钢材短缺,冶炼轧钢技术水平较低,铸铁管大量应用于各类输水工程。20世纪80年代以后,相继从美国、欧洲等国家和地区引进了PCCP管和球墨铸铁管的生产技术,将球墨铸铁管大量应用于市政给排水工程,PCCP管也大量应用于2 m以上大直径水利工程。21世纪以来,随着国内钢铁冶金技术的飞速发展,高性能板材大量生产,钢管产品从用于高端油气管线开始走向普通的输水管线,主要用于城市埋地给排水管网改造、城市大型引水工程,城市管廊等工程,也可用作工程结构管和桩管,并以其强度高、韧性好、安全可靠等优异的性能在各类水利工程中得到广泛应用。
2输水用大直径焊接钢管的性能特点
螺旋缝双面埋弧焊接钢管简称螺旋焊管,是最常用的输水钢管产品,采用热轧钢卷经螺旋冷加工成型后,采用内、外双面埋弧自动焊接而成,具体生产工艺如图1所示。
2.1强度
输水钢管管材强度高,能够确保输水运行过程中安全可靠。随着冶金技术的进步,管线钢用板材制造采用先进的TMCP和微合金化技术,确保了管材组织性能稳定,并使管材力学性能大幅提高,爆管压力高于3倍的设计工作压力,保证管线运行安全。输水钢管强度为350~800 MPa,分布情况如图2所示。其强度分布广,可以根据用户需求进行选择。较高的强度可以提升输水钢管输送压力,提升安全性能,同时也可减小管材壁厚,降低投资。
2.2韧性
输水钢管管材的韧塑性好,抗变形能力优,特别适应于变形地带。图3所示为常规碳钢输水钢管的拉伸曲线,从图3可以看出,输水钢管相比其他输水管道而言,其形变强化指数n较高,均匀变形能力强,能够承受输水管道瞬间的压力,满足水锤、地震、塌方、车载震动以及地基失稳下的应力应变需求,保证其在极端条件下发生变形而不失效,降低管道安全风险。
2.3尺寸精度
输水钢管的尺寸和外形控制精度高,便于现场对接施工;其管长控制灵活,可减少现场对接数量;质量轻,节约工程造价。目前,焊接钢管采用先进的成型、焊接技术,保证管体具有较高的几何尺寸以及良好的焊接质量,并且钢管管端进行冷扩径,保证管端直径(周长)及圆度达到较高精度,便于施工现场方便组对。可按项目场地和用户要求定制管长,最大限度减少管线接头数量,降低安全隐患。同等直径的钢管产品壁厚和质量与PCCP管和球墨铸铁管相比,轻量化明显,不同规格钢管壁厚和质量分布如图4所示。采用输水钢管可降低吊装运输等工程附加成本,减少工程造价。
2.4管道接口
输水钢管的管道接口采用焊接连接,结合力强,可以满足复杂地质环境。接口采用冶金结合,强度高、耐蚀性好、适应性强,可在高压、架空、沼泽、过河等苛刻条件下敷设管线,并且管道施工过程中开挖面积小,对基础要求低,也可采用沟上焊接,提高施工效率,降低施工成本。此外,可用焊接方法修补漏点进行检维修,节省时间,不用开挖整条管道,可以快速恢复管线运营能力。
2.5接口补口
大直径焊接钢管目前接口补口技术,内表面补口主要采用人工涂刷或喷涂补口(适用于中大直径),也可根据工程情况采用管端焊不锈钢环。对于小直径管道内补口常采用管道内涂层补口车进行补口,外表面补口采用人工涂刷或喷涂,或者安装热缩套(带)。
2.6产品产能
原料、辅材以及产品供应能力强,能保证管线顺利建设。原料来自国内钢铁企业(宝武钢、鞍钢、首钢、太钢、马钢等),产品质量和供货能力均有保证。仅以宝鸡钢管为例,该公司拥有13条大直径埋弧焊管生产线,年产能150万t,可以有效保证项目进度。
2.7产品标准规范
输水钢管产品标准规范完善。焊接钢管发展六十多年来,从原料到生产制造再到工程验收已经形成了相对完善的标准规范体系。主要的参考标准有以下几类:①原材料参考标准,有GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》和GB/T 700《碳素结构钢》;②钢管制造标准,有GB/T 3091—2008《低压流体输送用焊接钢管》、SY/T 5037—2012《普通流体输送管道用埋弧焊钢管》以及CJ/T 120—2016《给水涂塑复合钢管》等;③施工验收标准,有GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》和SY/T 4103—2006《钢质管道焊接及验收》等。
2.8质量性能检测
大直径焊接钢管在生产过程中在线质量控制非常严格,主要包括100%焊缝X射线检验、100%焊缝及管体超声波自动探伤、100%焊缝手动超声波检测、100%静水压试验、100%管端焊缝X射线拍片、100%外观及形体尺寸检验,以保证生产的每一根钢管质量可靠。对成品钢管从组织到性能进行完善的理化性能检验,主要包括化学分析(直读光谱仪)、拉伸试验、导向弯曲试验、落锤冲击试验(DWTT)、摆锤冲击试验、硬度检验、金相分析、带状组织及夹杂物分析、晶粒度评定、焊缝宏观形貌检验等。
几种输水管材综合性能对比见表1。通过表1可以看出,焊接钢管综合性能优异,性价比高,管线服役年限长。
3输水钢管防腐
3.1外防腐
输水钢管外防腐形式主要有3PE防腐和热熔PE粉末。
3PE防腐是目前比较完善和较好的外防腐工艺,其防腐工艺如图6所示。结合熔结环氧粉末防腐性和高密度聚乙烯耐磕碰的优点,具有良好的力学性能,较强的粘结力、绝缘性能好、吸水率低等优势,目前广泛应用于各类输送管道的外防腐涂层。
热熔PE粉末“淋涂”技术类似粉末喷涂技术,PE粉末热熔后与管体100%粘合在一起,自身是一个涂层整体。可实现弯头、管件的防腐层与主管道热熔PE防腐结构一致。热熔PE粉末施工工艺简单,但是不足之处是附着力一般,防腐层较薄(1.5 mm),不耐磕碰。
3.2内防腐
随着管道防腐技术的发展,目前管道内防腐形式相对比较丰富,主要有内衬水泥砂浆涂层、聚氨酯涂层、无溶剂液态环氧涂料涂层、FBE涂层以及IPN8710涂料防腐。
FBE环氧树脂内涂层是以环氧树脂为基料,加上改性石英砂做填料,经研磨配制而成的环氧粉末,在高温下熔融固化,附着于钢管加热后的内壁。其特点是内壁摩阻系数小(0.008 1~0.091),降低能耗,内壁光滑不易结垢,对水质无污染,并且100%固化,固化后不会生成酯键,不会产生水解逆反应而降低防腐效果,理论寿命长(50年)。不足之处是防腐过程要加热钢管,因此受限于大直径钢管。
无溶剂液体环氧内涂层,是在常温下采用全自动高压无气喷涂方式,将无溶剂双组份环氧涂料喷涂于钢管内壁。该种内涂层的优点是不含有害物质,具有无漏点、环保、附着力强、使用寿命长、一次成膜厚等特点。IPN-8710涂料是结合环氧饮水舱涂料研制的新一代无毒饮水专用双组份涂料,涂料甲组分由改性环氧树脂、聚氨酯树脂,加入无毒颜填料、助剂等组成,通过喷涂设备涂覆于钢管内壁,不足之处是涂料熟化后应在6~8 h内用完,否则易胶结浪费,施工时间相对较长。
根据国外输水管道应用案例,水泥砂浆、聚氨酯涂料等也可以应用于输水钢管的内防腐,但工程造价相对较高,在国内应用较少。据国外介绍,聚氨酯涂料是一种全能热固性塑料涂层,用于管道和管件内、外喷涂,其防腐性能好,强度和韧性高,具有良好的耐磨性,耐酸碱等化学腐蚀以及较好的防潮湿性能和耐温性(可耐160℃高温),并且涂层保光保色性好、高光泽度和装饰性,施工也相对简单,涂覆方便、干燥速度快,0℃时也能正常固化,一次成膜厚,目前价格昂贵,因此在国内应用较少。
此外,水泥砂浆内涂层是通过工厂离心机或管道现场喷涂机将水泥砂浆均匀涂覆于钢管内壁。该种防腐方式的特点是原材料价格低,对钢管内壁除锈要求较低。采用水泥砂浆。用于输水钢管防腐,水渗过水泥砂浆层到达钢材表面时,已成为pH较高的碱型溶液,使钢铁表面钝化,且水泥砂浆与钢管内壁结合紧密。不足之处在于生产过程中水泥砂浆养护不当容易发生干裂、空鼓等缺陷,影响防腐效果。
综上所述,在管道防腐涂层技术上焊接钢管相比防腐涂层相对单一的PCCP管和球墨铸铁管灵活,可以根据地区实际灵活选用符合要求的防腐涂层,以满足不同输送介质和环境对管道防腐涂层的要求,保证管线持久安全运行。
4实际应用情况
我国焊管工业经过近60年的发展,制管工艺和钢铁冶金技术的飞速发展,保证了焊接钢管产品具有较高的焊接质量和高的尺寸精度,并且其承压能力强、抗变形能力优、高可靠性和安全性的特点,辅以钢管防腐技术,近几年来,在输水工程领域的应用越来越多,主要项目见表2。
5结论
(1)焊接钢管强韧性高、承压能力强、抗变形能力优,已成为目前输水管线的首选管材。
(2)焊接钢管具有良好的焊接性,同时,几何精度高、现场施工接头少、效率高、维修更换快捷。
(3)防腐技术和防腐材料的快速发展,使输水钢管安全服役年限远大于其他管材,近年来,防腐钢管在输水领域已经得到了广泛应用。