管道展望
设备上的管道、管接头、阀门和进出口管口之间的连接方式是由流体的性质、压力和温度以及管道的材质、尺寸和安装位置等因素决定的。主要有四种方法:螺纹连接、法兰连接、承插连接和焊接。
螺纹连接主要适用于小直径管道。连接时，一般需要在螺纹连接部分缠上氟塑料密封带，或涂上厚漆，缠上麻等密封材料，以防泄漏。压力在1.6 MPa以上时，管道端面一般用垫片密封。这种连接方式简单，可以拆装，但要在管道内适当的地方安装活动接头，以便拆装。
法兰连接适用于各种管道直径。连接时根据流体的性质、压力、温度选择不同的法兰和密封垫片，用螺栓夹紧垫片保持密封。法兰连接多用于需要经常拆卸的管段和管道与设备连接的地方。
承插连接主要用于连接铸铁管、混凝土管、陶土管及其连接件，仅适用于低压常温工作的给水、排水、燃气管道。连接时，通常先将麻、棉线或石棉绳填充在插座的凹槽内，再用石棉水泥或铅填充。也可以在承口内填充橡胶密封圈，使其具有弹性，允许管道稍微移动。
焊接连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接头。
城市的给水、排水、供热、供气管道和长输油气管道多敷设在地下，而工厂的工艺管道多敷设在地面，便于操作和维护。管道的通道、支撑、坡度、排水与排气、补偿、保温与加热、防腐与清洗、标识与涂装、安全，无论是地上还是地下敷设，都是重要的问题。
地面管线应尽量避免穿越公路、铁路和水路。当无法避免穿越时，穿越高度还应能使行人和车辆安全通过。地下管线一般沿道路敷设，各种管线保持适当距离，便于安装和维护。供热管道表面有保温层，应敷设在沟内或保护管内，避免被泥土挤压，使管道膨胀移动。
管道可能受到的外力很多，包括自重、流体对管端的推力、雪荷载、土压力、热胀冷缩引起的热应力、振动荷载、地震灾害等。为了保证管道的强度和刚度，需要设置各种支架(吊架)，如活动支架、固定支架、导向支架、弹簧支架等。支架的设置取决于管径、材料、管壁厚度和载荷。固定支架用于分段控制管道的热伸长，使膨胀节均匀工作；导向支架使得管道只能轴向移动，
为了排除冷凝水，蒸汽等含水气体管道应有一定的坡度，一般不小于千分之二。地下自流排水管道，坡度不得小于千分之五。蒸汽或其他含水气体管道在最低点装有排水管或疏水阀，部分气体管道还装有气水分离器，及时排出水和液体，防止管道发生水锤，阻碍气体流动。供水或其他液体管道在最高点装有排气装置，以排除管道内积聚的空气或其他气体，防止空气阻力造成运行异常。
如果管道不能自由伸缩，就会产生巨大的附加应力。因此，需要在温度变化较大的管道和需要自由位移的常温管道上设置膨胀节，以补偿管道的热胀冷缩，消除附加应力的影响。
对于蒸汽管道、高温管道、低温管道和有防烫防冻要求的管道，需要在管道上涂上保温材料，防止热量(冷)散失或管道内结冰。对于一些凝固点较高的液体管道，需要加热保温，防止液体过于粘稠或凝固而影响输送。常用的保温材料有水泥珍珠岩、玻璃棉、岩棉和石棉硅藻土。
为防止水土流失，地下金属管道表面应涂防锈漆、焦油、沥青等防腐涂料，或涂以浸有沥青的玻璃布和麻布。埋在腐蚀性低电阻土壤中的管道应提供阴极保护装置以防止腐蚀。为了防止大气腐蚀，地面的钢管经常涂上各种防锈漆。
各种管道在使用前都要清洗干净，有些管道还要定期清洗。为方便清洗，管道上设有过滤器或吹扫孔。在长输油气管道上，必须使用清扫车定期清除管道内的积垢，因此应设置专门的收发清扫车装置。
当有多种管道时，为了便于操作和维护，在管道表面涂上规定颜色的油漆，以便识别。比如蒸汽管道是红色的，压缩空气管道是浅蓝色的。
为了保证管道的安全运行，及时防止事故扩大，除了在管道上安装检测控制仪表和安全阀外，对一些重要管道还采取了特殊的安全措施，如在输气管道和输送石油、天然气的长输管道上安装事故安全阀或紧急切断阀。它们能在灾难性事故发生时及时自动停止输送，减少灾害损失。1.压力管道用金属材料的特性
压力管道涉及各行各业，对它的基本要求是“安全和使用”。为了安全使用，必须安全使用。使用还涉及到经济问题，即节省投资，使用寿命长，这当然和很多因素有关。材料是工程的基础，首先要了解金属材料对压力管道的特殊要求。压力管道除了承受载荷外，由于工作在不同的环境、温度和介质中，还会受到特殊的测试。
(1)金属材料的高温性能变化。
①蠕变:钢材在高温下受到外力时，随着时间的延长，缓慢而持续地发生塑性变形，这种现象称为蠕变。钢的蠕变特性与温度和应力密切相关。蠕变速度随着温度或应力的增加而增加。比如碳钢工作温度超过300 ~ 350℃，合金钢工作温度超过300 ~ 400℃就会发生蠕变。蠕变所需的应力低于试验温度下钢的屈服强度。因此，长期在高温下工作的锅炉、蒸汽管和压力容器用钢应具有良好的抗蠕变性能，以防止蠕变引起的大量变形造成结构破裂和爆炸等恶性事故。
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，形成晶粒粗大的渗碳体，并与铁素体混合，其渗碳体逐渐由片状变为球状，称为球化。由于石墨的强度极低，以片状形式出现，使材料的强度大大降低，脆性增加，称为材料的石墨化。碳钢在425℃以上的环境中长期工作，会发生石墨化，尤其是在475℃以上。SH3059规定碳钢的最高使用温度为425℃，而GB150规定碳钢的最高使用温度为450℃。
(3)热疲劳性能如果钢材长时间冷热交替工作，在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹并不断扩展，最终导致断裂。因此，在温度波动的工作条件下，结构和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介质环境(如烟道)中会被氧化生成氧化皮，易脆。碳钢在570℃的高温气体中容易产生氧化皮，使金属变薄。因此，煤气、烟道等钢管应限制在560℃工作。
(2)金属材料在低温下的性能变化。
当环境温度低于材料的临界温度时，材料的冲击韧性会急剧下降，这个临界温度称为材料的韧脆转变温度。低温冲击韧性(冲击功)常用来衡量材料的低温韧性，在低温下工作的管道必须重视其低温冲击韧性。
(3)腐蚀环境中管道的性能变化
许多管道介质，如石油化工、船舶和海上石油平台，都具有腐蚀性。事实证明，金属腐蚀的危害是非常普遍和严重的，腐蚀会造成直接或间接的损失。比如金属的应力腐蚀、疲劳腐蚀和晶间腐蚀往往会造成灾难性事故，金属腐蚀会造成大量金属消耗，浪费大量资源。引起腐蚀的介质主要有以下几种。
(1)氯化物氯化物对碳钢的腐蚀基本上是均匀腐蚀，并伴有氢脆，对不锈钢的腐蚀是点蚀或晶间腐蚀。预防措施可选择合适的材料，如碳钢-不锈钢复合管。
②硫化物原油中含有250多种硫化物，如硫化氢(H2S)、硫醇(R-SH)、硫化物(R-S-R)等对金属有腐蚀作用。中国液化石油气中的高H2S含量导致容器破裂，其中一些在生产87天后出现。事后经磁粉检测，球体内表面环缝有465，438+07裂纹，外表面无裂纹，应注意H2S含量高引起的应力腐蚀。根据日本焊接学会和高压气体安全协会的规定，液化石油中的H2S含量应控制在100×10-6以下，而我国液化石油气中的H2S含量平均为2392×10-6，比日本高出20多倍。
③环烷酸环烷酸是原油带来的有机物。当温度超过220℃时开始腐蚀，在270 ~ 280℃时腐蚀达到最大。当温度超过400℃时，原油中的环烷酸已经汽化。316L(00cr 17ni 14mo 2)不锈钢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择
①满足运行条件的要求。首先要根据使用情况判断管道是否承压，属于哪种压力管道。不同类型的压力管道重要性不同，事故造成的危害不同，对材料的要求也不同。同时要考虑管道的使用环境、输送的介质以及介质对管体的腐蚀程度。例如，在飞溅区插入海底的钢管桩的腐蚀速率是在海底土壤中的6倍；潮差区的腐蚀速率是海底土壤的4倍。应特别注意材料选择和防腐措施。
②机械加工性要求。材料应具有良好的机械加工性和焊接性。
(3)耐用、经济压力管道的要求，首先应该是安全、耐用、经济的。在投资一台设备和一批管道工程之前，必要时可以进行可行性研究，即经济技术分析。对于经济技术分析所选用的材料，可以有几种方案。有些材料初期投入略高，但平时使用可靠，节省维护费用。有些材料看似节省初期投资，但运行可靠性差，维护成本高，寿命周期成本高。早在1926，API重力(API)就发布了API-5L标准，最初只包括A25、A、B三个等级，之后又发布了几次，如表4所示。表4 API发布的管线钢等级
注:1972 API发布了U80和U100标准，后改为X80和X100。
2000年以前，世界上使用X70的约占40%，X65和X60均占30%，相当一部分小口径成品油管道使用X52钢种，且多为电阻焊直管(ERW钢管)。
十多年来，我国冶金工业大力发展管线钢。目前正在全力攻关X70宽板。上海宝山钢铁公司和武汉钢铁公司X70和X80的化学成分和力学性能分别列于表5 ~表9。表5 WISCO X80卷板性能表6 X70级钢管力学性能表7 X70级钢管弯曲性能试验结果表8 X70级钢管夏比冲击韧性表9高强度输送管夏比冲击韧性
我国常用的输油管道类型有螺旋埋弧焊管(SSAW)、直缝埋弧焊管(LSAW)和电阻焊管(ERW)。当直径小于152mm时，选用无缝钢管。
20世纪60年代末至70年代，我国螺旋焊管厂发展迅速。几乎所有的原油管道都是螺旋焊接钢管，“西气东输”一级地区也使用了螺旋焊接钢管。螺旋焊接钢管的缺点是内应力大，尺寸精度差，缺陷概率高。据专家分析，应该采用“两条腿走路”的原则。一是积极对现有螺旋焊管厂进行技术改造，大有可为；第二，大力发展我国直缝埋弧焊管行业。
ERW钢管具有外观光滑、尺寸精度高、价格低廉等特点，在国内外得到了广泛的应用。中国的油气资源大部分分布在东北和西北地区，而消费市场大部分在东南沿海和中南地区的大中城市等人口密集地区。这种产销市场的严重分离，使得油气产品的运输成为油气资源开发利用的最大障碍。管道运输是突破这一障碍的最佳途径。与铁路运输相比，管道运输是一种运量大、安全性更高、更经济的油气产品运输方式。它的建设投资是铁路的一半，运输成本只有三分之一。因此，中国政府将“加强油气管道建设，形成管道运输网络”的发展战略列入“十五”计划。根据有关方面的规划，未来10年，我国将建设14条油气管道，形成“两纵两横四枢纽五气库”的格局，总长超过1万公里。这标志着中国即将迎来油气管道建设的高峰期。
我国在建和拟建的天然气管道重点工程包括:西气东输工程，全长4176公里，总投资120亿元，2000年9月正式开工，2004年竣工；全长950公里的赛宁兰输气管道工程于2000年5月开工建设，目前已接近完工。天然气已经送到西宁了。忠县至武汉输气管道工程，全长760公里，前期工作取得较大进展，在建的11隧道已有4条贯通；石家庄至涿州输气管道工程，全长202公里，2000年5月开工建设，现已竣工；石家庄至邯郸输气管道工程，全长约160公里；陕西靖边-北京输气工程复线:陕西靖边至xi安输气管道工程复线；陕甘宁至呼和浩特输气工程，全长497公里；海南岛天然气管道工程，全长约270公里；山东龙口至青岛输气管道工程，全长约250公里；中俄输气管道项目，中国境内全长2000公里；广东LNG项目，招商引资已完成，计划2005年竣工。在建和拟建的输油管道包括:兰州-成都-重庆成品油管道工程，全长1.207公里，2000年5月开工建设；中俄石油管道项目，中国境内长约700公里；中哈输油管道项目在中国境内长800公里。此外，广东茂名至贵阳至昆明的2000公里成品油管道和镇海至上海、南京的原油管道即将开工建设。除了干线，大规模的城市燃气管网建设也要同时进行。
面对如此巨大的市场和如此难得的发展机遇，对管道施工技术提出了新的挑战。在相同的输量下，建设一条高压大口径管道比平行建设几条低压小口径管道更经济。比如一条输送压力为7.5MPa，直径为1 400mm的输气管道，可以替代三条压力为5.5MPa，直径为1 000mm的管道，但前者可以节省35%的投资和19%的钢材。因此，扩大管道直径已经成为管道建设中科技进步的标志。在一定范围内提高输送压力可以增加经济效益。以直径为1 020mm的输气管道为例，运行压力由5.5MPa提高到7.5MPa，输气能力提高41%，材料节约7%，投资减少23%。计算表明，如果输气管道的工作压力能从7.5MPa进一步提高到10 ~ 12 MPa，输气能力将进一步提高33 ~ 60%。美国跨阿拉斯加天然气管道压力高达11.8MPa，输油管道为8.3MPa，是目前运行压力最高的管道。
管径的增大和输送压力的增加对管道的强度要求很高。在保证焊接性和冲击韧性的前提下，管材的强度有了很大的提高。由于管道铺设完全取决于焊接工艺，焊接质量在很大程度上决定了工程质量，焊接是管道施工的关键环节。管材、焊接材料、焊接工艺和焊接设备是影响焊接质量的关键因素。
中国从20世纪70年代初开始建设大口径长输管道。著名的“八·三”管道修建了大庆油田到铁岭、铁岭到大连、铁岭到秦皇岛的输油管道，解决了困扰大庆的原油运输问题。
管道设计直径为φ720mm，钢材为16MnR，埋弧焊螺旋焊管壁厚6 ~ 11mm。焊接工艺方案为:手工电弧焊方法，仰焊操作工艺；焊接材料采用J506和J507焊条，焊前400℃烘烤65438±0小时，以φ3.2为基，φ4为填充和覆盖；焊接电源采用旋转DC弧焊机；坡口为60 V型，根部单侧焊接，双侧成型。
东北“八·三”战役中修建的管道已运行30年，至今仍在服役，证明技术方案是正确的，施工质量是好的。
80年代初，推广手工下向焊技术，同时开发了纤维素型和低氢型向下焊条。与传统的仰焊工艺相比，仰焊具有速度快、质量好、节省焊接材料等突出优点，因此在管道环缝焊接中得到了广泛应用。
20世纪90年代初，自保护药芯焊丝半自动手工焊得到推广，有效克服了其他焊接方法在野外作业时抗风能力差的缺点，还具有焊接效率高、质量好、稳定性好的特点，现已成为管道环缝焊接的主要方法。
管道全位置自动焊的应用已经探索多年，现在已经有了突破。西气东输工程成功使用，其效率和质量是其他焊接工艺无法比拟的，标志着我国油气管道焊接技术达到了较高水平。2.1管线钢发展历史
早期的管线钢一直使用C、Mn、Si类型的普通碳钢，在冶金上注重性能，对化学成分没有严格的规定。自20世纪60年代以来，随着油气管道压力和直径的增加，开始使用低合金高强度钢(HSLA)，主要以热轧和正火状态供应。这种钢的化学成分:C≤0.2%，合金元素≤ 3 ~ 5%。随着管线钢的进一步发展，到60年代末70年代初，美国石油组织在API 5LX和API 5LS标准中提出了X56、X60、X65三种微合金化控轧钢。这种钢突破了传统的钢的概念，碳含量为0.1-0.14%，在钢中加入≤0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，通过控制轧制工艺显著提高了钢的力学性能。到1973和1985，X70和X80钢相继加入API标准，进而开发出X100管线钢。碳含量降至0.01-0.04%，碳当量相应降至0.35以下，真正出现了现代多元微合金化控轧控冷钢。
我国管线钢的应用和起步较晚。过去，Q235和16Mn钢用于大多数油气管道。“六五”期间，我国开始按照API标准研制X60和X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管道铺设。20世纪90年代初，宝钢和WISCO先后开发出高强度高韧性X70管线钢，并成功应用于赛宁兰管道工程。
2.2管线钢的主要力学性能
管线钢的主要力学性能是强度、韧性和在环境介质中的力学性能。
钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺决定的。输气管道选材时，应选择屈服强度高的钢材，以减少用钢量。但是屈服强度越高越好。屈服强度太高会降低钢的韧性。在选择钢种时还应考虑钢材屈服强度与抗拉强度的比例关系——屈强比，以保证管材的成型质量和焊接性能。
钢材经过反复的拉伸和压缩后，其力学性能会发生变化，强度会下降，严重下降15%，即包申格效应。订购钢管制造用钢板时，必须考虑这一因素。该钢种的最低屈服强度可提高40-50MPa。
钢的断裂韧性与化学成分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和取向有关。应尽可能降低钢中C、S、P的含量，适当添加V、Nb、Ti、Ni等合金元素。采用控轧控冷，可以提高钢的纯净度，均匀材质，细化晶粒，提高钢的韧性。采用的方法大多是降C增Mn。
在含硫化氢的油气环境中，腐蚀产生的氢气侵入钢材，导致氢致开裂。因此，输送酸性油气的管线钢应具有低硫含量，有效控制非金属夹杂物的形态，减少微观成分的偏析。管线钢的硬度对HIC也有重要影响。为了防止钢中氢致裂纹，一般认为硬度应控制在HV265以下。
2.3管线钢的焊接性
随着管线钢碳当量的降低，焊接氢致裂纹的敏感性降低，避免裂纹所需的工艺措施减少，焊接热影响区的性能损伤程度降低。然而，管线钢在焊接过程中经历了一系列复杂的非平衡物理化学过程，可能会在焊接区产生缺陷或降低接头性能，主要原因是焊接裂纹和焊接热影响区的脆化。
由于含碳量低，管线钢的硬化倾向和冷裂倾向降低。但随着强度等级和板厚的增加，仍有一定的冷裂倾向。现场焊接时，经常使用纤维素焊条、自保护药芯焊丝等含氢量高的焊接材料，线能量小，冷却速度快，会增加冷裂纹的敏感性，因此需要采取必要的焊接措施，如焊前预热。
焊接热影响区的脆性往往是管道断裂和灾难性事故的根本原因。发生局部脆化的区域主要有两个，即热影响区粗晶区的脆化，这是由于过热区晶粒的过度长大和不良组织的形成造成的；多层焊粗晶区的再临界脆化，即前一焊道中的粗晶区是由于后续焊道中两相区的再加热造成的。通过向钢中添加一定量的Ti和Nb微合金化元素并控制焊后冷却速率以获得合适的t8/5，可以提高韧性。
2.4西气东输工程用钢管
西气东输工程使用的钢管为X70级管线钢，规格为φ1 016mm×14.6 ~ 26.2mm，其中螺旋焊管约占80%，直缝埋弧焊管约占20%，管线钢用量约为654.38+0.7万吨。
X70管线钢不仅含有Nb、V、Ti，还含有少量Ni、Cr、Cu、Mo，将铁素体的形成延迟到较低的温度，有利于针状铁素体和下贝氏体的形成。因此，X70管线钢本质上是一种高强度、高韧性的针状铁素体管线钢。钢管的化学成分和机械性能见表1和表2。现场焊接的特点
由于发现和开采的油气田地处偏远，地理、气候、地质条件恶劣，社会配套条件差，给施工带来诸多困难，尤其是低温。
现场焊接时，使用喷嘴组装装置进行喷嘴组装。为了提高效率，一般是将基础梁或土堆放置在对准好的管口下面，同时在焊接上一个对接接口的同时，开始下一个对接准备工作。这将产生很大的附加应力。同时，由于钢管热胀冷缩的影响，最容易因相互碰撞时产生附加应力而出现问题。
现场焊接位置为管道的水平固定或倾斜固定对接，包括平焊、立焊、仰焊和横焊。因此，对焊工的操作技术提出了更高、更严格的要求。
当今管道行业要求管道具有更高的输送压力和更大的管径，并保证其安全运行。为了适应管线钢的高强度和韧性、大直径和厚壁，出现了多种焊接方法、焊接材料和焊接工艺。
管道施工的焊接方法
国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展。手工焊主要包括纤维素焊条下向焊和低氢焊条下向焊。在管道自动焊接方面，有前苏联研制的管道闪光对焊机，前苏联时期积累了数万公里的大口径管道。其显著特点是效率高，对环境的适应性强。美国CRC公司开发的CRC多头气体保护管道自动焊接系统由管端坡口机、内对焊机和内焊机组合系统、外焊机三部分组成。截至目前，全球累计焊接管道长度已超过34000公里。法国、前苏联等国也研究并应用了类似的管道内外自动焊接技术，成为当今世界大口径管道自动焊接技术的主流。
中国钢管环缝焊接技术经历了几次重大变革。70年代采用传统焊接方法，采用低氢焊条手工电弧焊仰焊技术。80年代推广手工电弧焊下向焊技术，采用纤维素焊条和低氢焊条下向焊技术。90年代开始应用自保护药芯焊丝半自动焊接技术，今天全位置自动焊接技术已经全面推广。
手工电弧焊包括应用纤维素焊条和低氢焊条。手工电弧焊仰焊技术是过去我国管道建设中的主要焊接方法，其特点是管口装配间隙大，焊接过程中需停弧操作，各焊层厚度大，焊接效率低。手工电弧焊下向焊是20世纪80年代从国外引进的焊接技术，其特点是喷嘴组件间隙小、电流大、多层、快速焊接，适合流水线作业，焊接效率高。由于各焊接层的厚度较薄，通过后焊接层对前焊接层的热处理可以提高环焊接头的韧性。手工电弧焊方法灵活、简单、适应性强。下向焊和向上焊的有机结合以及纤维素焊条良好的根焊适应性，在很多场合仍然是自动焊方法无法替代的。
自保护药芯焊丝半自动焊接技术于20世纪90年代应用于管道建设，主要用于填充和覆盖。其特点是熔敷效率高，全位置成形好，环境适应性强，焊工容易掌握。它是管道施工的重要焊接工艺方法。
随着管道建设用钢管强度等级、管径和壁厚的增加，自动焊接技术逐渐应用于管道建设。管道自动焊接技术具有焊接效率高、劳动强度低、焊接过程中受人为因素影响小等优点，在大口径厚壁管道建设中具有巨大的应用潜力。但我国管道自动焊接技术处于起步阶段，自动根焊问题尚未解决，管端坡口成形机等配套设施尚未成熟，限制了自动焊接技术的大规模应用。管道内污泥和锈垢的长期固化导致原管径变小；
管道内污泥长期沉淀产生硫化氢气体，造成环境污染，容易引起爆炸；
废水中的酸碱物质容易腐蚀管道壁；管道内异物清除不规范造成管道堵塞；1.化学清洗:化学清洗是用化学药剂对管道进行临时改造，利用临时管道和循环泵站从管道两端进行循环化学清洗。该技术具有灵活性强、对管道形状无要求、速度快、清洗彻底等特点。
2.高压水清洗:用50Mpa以上的高压水射流剥离和清洗管道内表面的污垢。该技术主要用于短距离管道，管道直径必须大于50cm。该技术具有速度快、成本低的特点。
3.清管器清管:清管器工业清管技术是依靠泵推动流体产生的驱动力，带动清管器在管道内向前推进，将管道内积聚的污垢排出管道，从而达到清洗的目的。该技术广泛应用于油田各种工艺管道、油气管道等的清洗工程中。，特别是用于清洗长距离输送流体的管道，具有不可替代的优势。