高頻焊管（直縫鋼管）的應用
1 鋼管的應用
鋼管是燃氣工程中應用 多的管材。其主要優(yōu)點是：強度高、韌性好、承載應力大，抗沖擊性和嚴密性好，可塑性好，便于焊接和熱加工，壁厚較薄、節(jié)省金屬。但其耐腐蝕性較差，需要有妥善的防腐措施。燃氣工程中使用的鋼管一般由優(yōu)質(zhì)低碳鋼（Q235）或低合金鋼（16Mn）制成。
1.1 鋼管的選材
用于城市燃氣管道的鋼管主要有無縫鋼管和直縫鋼管兩大類。無縫鋼管的強度很高，但受生產(chǎn)工藝和成本的限制，一般是DN200以下的小口徑鋼管。焊接鋼管種類較多，按焊接方式可分為直縫焊接鋼管和螺旋縫焊接鋼管兩類。其中，直縫焊接鋼管（以下簡稱直縫管）又包括直縫雙面埋弧焊（LSAW）鋼管和高頻電阻焊（ERW）鋼管等幾種。螺旋縫焊接鋼管（以下簡稱螺旋管）則是螺旋縫雙面埋弧焊（HSAW）鋼管。
將直縫管和螺旋管的制造工藝進行比較，則前者的優(yōu)勢在于：
① 螺旋管的制造工藝決定其殘余應力要大于直縫管，因直縫管采用整體擴徑工藝，殘余應力接近零，而螺旋管不能做到這一點；
② 螺旋管焊縫錯邊量大多在1.1~1.2mm范圍內(nèi)，標準要求錯邊量要小于壁厚的10%，對于薄壁管，錯邊量很難達到標準要求，而厚壁鋼管直縫管不存在此問題；
③ 與直縫管相比，螺旋管焊縫流線較差，應力集中現(xiàn)象嚴重；
④ 螺旋管熱影響區(qū)大于直縫管，而熱影響區(qū)是焊管質(zhì)量的關(guān)鍵；
⑤ 螺旋管幾何尺寸精度差，給現(xiàn)場施工，如對口、焊接帶來一定困難；
⑥ 同樣管徑，螺旋焊管可能達到的厚度遠小于直縫管，如直縫管板厚一般為6~25mm， 厚可達45mm，而螺旋管壁厚 大只能達到18mm；
⑦ API直縫管焊縫比螺旋管縮短60%，焊縫缺陷出現(xiàn)概率低；
⑧ 直縫管母材為單張控軋鋼板，可進行100%無損探傷，而螺旋管母材為熱軋鋼板卷，不能做到100%的無損探傷；
⑨ 直縫管采用先成型后焊接的工藝，在焊接前有條件檢查成型縫的質(zhì)量，焊縫的間隙、坡口、錯邊等可檢測處理，而螺旋管采用邊成型邊焊接的工藝，即使在焊接進程中發(fā)現(xiàn)有錯邊、開縫等缺陷也很難隨時停機處理，可見直縫管的焊接質(zhì)量要優(yōu)于螺旋管[2]。
因此，直縫管的工藝質(zhì)量綜合性能要憂于螺旋管。目前國內(nèi)直縫管的生產(chǎn)情況是：公稱直徑DN400及其以下為高頻電阻焊鋼管，公稱直徑DN400以上為直縫雙面埋弧焊鋼管。對于直縫雙面埋弧焊鋼管，按成型工藝的不同，共有UOE、JCOE、HME、RBE和PFP等五種成管方式，以前兩者 為常見。由于UOE成型焊接鋼管生產(chǎn)線的成型設(shè)備技術(shù)含量高，生產(chǎn)效率高，成型工藝較簡單，成型好，成型后焊接應力小；且由于生產(chǎn)中采用水壓整體擴徑，可有效消除鋼管內(nèi)應力，提高了管材的強度和尺寸精度，所以質(zhì)量優(yōu)于JCOE成型焊接鋼管。
但是，螺旋管用卷板制管，造價比用鋼板卷制的直縫鋼管低廉。而且，螺旋管的焊縫在管子上形成的線條比直縫管均勻，焊縫避開了主應力方向。所以螺旋管在城市燃氣輸配管網(wǎng)中也還是有一定應用。
1.2 鋼管的選用
城市燃氣管道包括輸氣干管、分配管道、用戶引入管和室內(nèi)燃氣管道，各管道都有不同的用途。按輸氣壓力的不同，又可分為低壓（不高于0.01MPa）、中壓（0.01~0.4MPa）、次高壓（0.4~1.6MPa）和高壓（1.6~4.0MPa）。一般來說，管道壓力越高，管道漏氣的可能性越大，對管道的質(zhì)量要求也越高；但采用較高壓力的管道，則可以減少整個管道網(wǎng)的初投資。不同用途、不同壓力和不同直徑的管道，就必須有不同材質(zhì)和不同工藝。
城市燃氣管網(wǎng)中，高壓、次高壓管道和輸氣干管一般都選用鋼管，但是也存在著鋼管類型的選用問題。近年來，直縫管在壓力較高的管道中呈現(xiàn)出逐漸取代螺旋管的趨勢。目前，高頻電阻焊（ERW）鋼管比螺旋管價格還要低，而且質(zhì)量可靠性高于螺旋管，有著良好的性價比，應用越來越廣泛。有一種取法是管道外徑￠≤406mm采用直縫電阻焊ERW鋼管，￠＞406mm采用直縫雙面埋弧焊鋼管（UOE成型工藝）[3]。
中低壓管道方面，PE管柔韌性好、耐腐蝕、管道內(nèi)壁光滑等優(yōu)點，使得PE80材質(zhì)PE管成為小直徑中低壓燃氣管網(wǎng)的主要管材。而在國外，高密度的PE100材質(zhì)PE管由于在價格和維護成本方面具有鋼管無法比擬的優(yōu)勢，已成為埋地中低壓燃氣管道管材的 選[1]。但當管道管徑較大、大于PE管的經(jīng)濟界限管徑時，則應選用鋼管。例如，DN200以上的中壓管道是以選用直縫電阻焊ERW鋼管為主。
城市里人口積聚、車輛集中、施工區(qū)繁多、地下設(shè)施復雜，燃氣管道所處環(huán)境特殊，故對管道的選用提出了更高的要求。在重點區(qū)域應選用直縫管，減少制管焊縫長度，提高焊縫質(zhì)量，降低發(fā)生事故的可能性。另外在確定管道鋼級時，應在按經(jīng)濟比選出的鋼級基礎(chǔ)上再降低一級，以增加管道壁厚，提高管道線性剛度。
2 鋼管腐蝕及防腐
在城市燃氣管網(wǎng)中，燃氣管道一般采取地下敷設(shè)，這容易給金屬管道包括鋼管帶來嚴重的腐蝕。而且與長輸管道相比，城市燃氣管道多為環(huán)狀、枝狀，管件密布，管道變徑較普遍；隨著城市建設(shè)的進展逐步形成并拓展，質(zhì)量缺陷較多；周邊環(huán)境復雜甚至突變，城市雜散電流干擾嚴重。這都要求做好鋼管的防腐工作。
2.1 鋼管腐蝕類型
埋地金屬管道的腐蝕形式分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩種，多以局部腐蝕為主，其危害性也 大。鋼管在土壤中的腐蝕過程主要是電化學溶解過程，由于形成了腐蝕電池從而導致管道的銹蝕穿孔。按腐蝕電池陽極區(qū)與陰極區(qū)間距的大小，又可將鋼管的腐蝕形態(tài)分為微電池腐蝕和宏電池腐蝕兩大類。
所謂微電池腐蝕，是指由相距僅為幾毫米甚至幾微米的陽極和陰極所組成的微電池作用所引起的管道腐蝕。其外形特征十分均勻，故又稱均勻腐蝕。由于微陽極與微陰極相距非常近，故微電池腐蝕的速度不依賴于土壤電阻率，僅決定于微陽極和微陰極的電極過程。微電池腐蝕對埋地鋼管的危害性較小。
所謂宏電池腐蝕，是指由相距幾厘米甚至幾米的陽極區(qū)和陰極區(qū)所組成的宏電池作用所引起的管道腐蝕。宏電池腐蝕也稱局部腐蝕。由于陽極區(qū)與陰極區(qū)相距較遠，土壤介質(zhì)電阻在腐蝕電池回路總電阻中占相當大比例，因此宏電池腐蝕的速度除與陽極和陰極的電極過程有關(guān)外，還與土壤電阻率有關(guān)。土壤電阻率大，就能降低宏電池腐蝕的速度。在埋地鋼管表面出現(xiàn)的斑塊狀或孔穴狀的腐蝕即由宏電池腐蝕造成，其危害性相當大。
綜上所述，埋地管道在土壤中主要遭受電化學腐蝕，、該腐蝕分為陽極過程、陰極過程、電流流動三個過程，相互獨立又彼此聯(lián)系，其中一個過程受阻，另兩個過程也受阻，腐蝕電池就會停止和減慢[4]。這給我們采取防腐對策提供了理論依據(jù)。
2.2 鋼管的防腐方法
針對埋地管道電化學腐蝕的三個過程，鋼管的防腐方法也從抑制其中某一過程入手。如在管道外壁加防腐涂層，可增大回路電阻，減少腐蝕電流；外加直流電源，使鋼管對土壤造成負電位、形成陰極保護，可消除陰陽極電位差，從根本上停止陰陽極過程的進行。防腐涂層法治表，陰極保護法治本。但是一旦防腐涂層破損，露鐵部分會加速局部腐蝕。故防腐涂層與陰極保護相結(jié)合才是表本兼治的方法，經(jīng)濟而有效。美國等國家已明確規(guī)定，采用了防腐涂層的同時必須采用陰極保護。但對于城市燃氣系統(tǒng)，由于地下管網(wǎng)密集，陰極保護的外加電源對其它管道干擾大，會造成自身受益、他家受害的局面。而采用比鋼管電位負的金屬材料與鋼管相連的犧牲陽極保護法則不會出現(xiàn)此類情況，因此，城市燃氣的輸氣干管應采用防腐涂層與犧牲陽極相結(jié)合的防腐方法。對于其他壓力較低的非主干管道，則一般直接采用防腐涂層法。目前埋地燃氣管道常用的外防腐涂層主要有三層PE復合結(jié)構(gòu)、環(huán)氧樹脂粉末（FBE）、煤焦油瓷漆、環(huán)氧煤瀝青和PE膠帶等五類。三層PE復合結(jié)構(gòu)、環(huán)氧樹脂粉末防腐涂層性能優(yōu)異，因而也是歐美國家埋地管道的主要防腐涂層[1]。在我國，從耐用年限、維護費用等全面的經(jīng)濟因素考慮，一般 選三層PE復合結(jié)構(gòu)防腐涂層。在犧牲陽極保護法中，一般采用鎂合金作為犧牲陽極對管道進行保護。由于在輸出電流過程中遭受破壞，鎂合金犧牲陽極的設(shè)計使用年限 好與管道的使用年限相匹配，既不產(chǎn)生浪費也不多增加維護費用。但應注意的是，當土壤電阻率太高和被保護管道穿過水域時，不宜采用犧牲陽極保護[5]。不同的防腐方法有不同的防腐質(zhì)量和費用，應根據(jù)被保護鋼管的不同壓力、不同用途及其所處的不同環(huán)境和輸送的不同燃氣，綜合全面地考慮防腐方法和防腐費用。在考慮經(jīng)濟合理性方面應注意兩點：①燃氣管網(wǎng)建設(shè)時的一次防腐投資，②燃氣管網(wǎng)運行后的維護費用。由于城市燃氣管網(wǎng)位于市區(qū)，投運后維護檢修困難且費用較高，因此應適當加大一次投資，以減少投運后管道的日常維修工作量[1]。
3 結(jié)束語
在城市燃氣領(lǐng)域，甚至整個燃氣領(lǐng)域，鋼管都發(fā)揮了不可替代的重要作用。但是，我們也必須看到由于我們在設(shè)計、施工和維護管理等方面的工作還存在一定問題，導致燃氣管道壽命較短，實際輸氣能力與設(shè)計值相差較大，發(fā)生爆管、漏氣等事故，浪費國家物資，妨礙社會穩(wěn)定，影響城市正常建設(shè)和市民日常生活，甚至威脅人民生命和財產(chǎn)的安全。
當然，發(fā)生以上問題有其他客觀因素的影響，但我們專業(yè)工程技術(shù)人員也應當負有一定責任。通過我們的合理設(shè)計、文明施工、細心維護、規(guī)范管理，再配合政府部門、生產(chǎn)廠家和廣大市民的共同努力，我國的城市燃氣事業(yè)必定會得到更廣泛、更健康的發(fā)展。
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