城市煤气管道改输天然气的应用研究

摘要

在“西气东输”项目启动后，江苏省内开始了范围广泛的“天然气城市利用工程”的建设工作，将原输送人工煤气的管道改输天然气。目前国内在役的人工煤气管道大部分已服役多年，不可避免地存在原始的或使用过程中出现的各种各样的缺陷，降低了管道的强度，存在安全隐患。本文针对南京、南通、徐州部分地区服役20年以上的低压庭院管(灰口铸铁管、15镀锌钢管)进行了研究，通过组织微观性能分析研究管材的适应性，用有限元方法计算管道极限载荷，确认其是否可以用于改输天然气。初步得出了一些结论：
　　 (1)分析了庭院管腐蚀的原因，通常管道外壁腐蚀比内壁腐蚀严重，管道的表面状态、土壤腐蚀是影响外壁腐蚀的主要方面。通过测定南京、南通、徐州三地的土壤电阻率得知，南京地区土壤电阻率最高，为强腐蚀性；南通、徐州均为弱腐蚀性土壤。并采用牺牲阳极法保护燃气管道。
　　 (2)通过金相分析：将服役后的15钢管(庭院管)的损伤分为6级，据此对管道各部位损伤进行分级，并提供了管段维修或更换的判据；将服役后的灰口铸铁管(庭院管)的损伤分为5级，据此对管道各部位损伤进行分级，并提供了灰口铸铁管段维修或更换的判据。总的来说，灰口铸铁损伤程度比15钢轻。
　　 服役时间对金属组织损伤情况有一定的影响，在20～23年此时间段内变化趋势不明显。土壤腐蚀性对组织损伤情况有较大的影响：土壤强腐蚀性的南京地区的部分15钢管道中心部位已达到4级损伤，部分灰口铸铁管道中心部位也已达到4级损伤，这些管道整体组织损伤严重，需更换管道；土壤弱腐蚀性的南通、徐州地区的管道损伤程度比南京地区低，可继续使用。
　　 (3)通过对南京1号小区管材的常温拉伸性能测试可知：15钢环向、轴向的屈服强度和强度极限均符合国家标准的要求。因管材内部组织受到损伤，弹性阶段与塑性阶段的界限不明显，其真实应力-应变曲线没有明显的屈服阶段。而且有两个环向拉伸试样在加载过程中忽然断裂，说明部分管道损伤严重，对服役安全保障有很大的影响，须根据实际工作负荷验证后确定使用或更换。服役后部分灰口铸铁管因组织损伤其强度极限低于国家标准。其中两个试样损伤严重，其强度极限只达到国标的49％、60％，须根据实际工作负荷验证后确定使用或更换。
　　 (4)运用ANSYS软件计算了南京地区含轴向双矩形、环向双矩形局部减薄缺陷的15钢管道在不同局部减薄尺寸、缺陷距离和减薄深度情况下的极限内压。当局部减薄深度≤0.7倍壁厚时，管道仍能承受较大的内压，将管道改输天然气是可行的。
　　 (5)有限元计算结果表明，在内压作用下，含浅局部减薄管道的失效模式为整体失效；含深局部减薄的管道，其失效表现为局部失效。
　　 (6)局部减薄深度对管道的极限载荷影响很大，极限载荷随着减薄深度的增加而显著降低。局部减薄长度的影响比深度小，且轴向、环向分布双矩形局部减薄长度对管道极限内压的影响趋势相同，随长度增大管道极限内压有下降的趋势，然后又趋于平缓，缺陷轴向分布时的极限内压稍高。当轴向、环向排列的两缺陷间距较大时，对相同深度和长度的局部减薄，间距的变化对极限载荷影响不大，稍有波动。