第一章  緒  論

1.1  工業(yè)背景簡述

1.1.1  管道輸氣的發(fā)展趨勢和重要性

1.1.1.1  蓬勃興起的天然氣工業(yè)

世界能源構(gòu)成中天然氣的地位日益攀升。包括盛產(chǎn)石油的海灣國家在內(nèi)，天然氣在國家總能源消耗中所占比例不斷加大。天然氣的突出優(yōu)點在于環(huán)保。與煤炭相比，天然氣在燃燒中二氧化硫、粉塵的排放量幾近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量分別降至40%和50%。天然氣對溫室效應(yīng)的影響僅為石油的54%，煤炭的48%。

我國天然氣總資源量為3.8×10¹³m³。其中在面積為560,000km²的塔里木盆地，天然氣資源量就達8.39×l012m³。其中累計已探明地質(zhì)儲量4.19×l0¹¹m³,剩余可采儲量2.79×l0¹¹m³，是國內(nèi)天然氣資源量及剩余可采儲量最豐富的氣區(qū)。預(yù)計今后五至十年，累計探明地質(zhì)儲量可達1×10¹²m³。此外，從圖1-1可以看到，陜西、四川、青海等地的天然氣儲量也都十分可觀，氣田分布的西傾狀況比較明顯。

在資源利用方面，隨著國際上對天然氣能源開采、輸運和使用能力的不斷加強，國內(nèi)各大城市也紛紛開始籌措系統(tǒng)化利用天然氣資源以減少環(huán)境污染，市場需求急劇上漲。以長江三角洲地區(qū)為例，今后幾年內(nèi)規(guī)劃項目新增用氣量約為：2003年4.2×10⁹m³；2004年7.4×10⁹m³；2005年1.08×10¹⁰m³；2010年1.99×l0¹⁰m³。未來十年內(nèi)，國內(nèi)和國際范圍內(nèi)的天然氣需求量和使用量都將迅猛提高。在我國，經(jīng)濟發(fā)展的地域性不平衡使得天然氣需求量主要側(cè)重于東部。

表1-1全國天然氣能源與需求狀況一覽

年份	天然氣所占能源比例%	天然氣需求（108m3)
1998	2.18	221
2000	3.59	280
2010	7.17（預(yù)測）	1130（預(yù)測）
2015	10.08（預(yù)測）	1880（預(yù)測）

綜上所述，我國天然氣市場主要位于東部地區(qū)，而資源地大多分布在西部地區(qū)。進口天然氣的資源地主要在北部鄰國俄羅斯和西部的中亞三國（土庫曼斯坦、哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦）。因此，建立安全、高效、持久的輸運體系勢在必行。

1.1.1.2  高壓管道運輸帶來的挑戰(zhàn)

天然氣管道是連接上游氣田與下游用氣市場的大動脈。天然氣的密度小，采用普通運輸方式非常不經(jīng)濟，因而和石油運輸類似，多采用管道運輸?shù)姆绞�。而天然氣免于加工的特性，使得管道輸氣的范圍更加普遍。主干管道可以從氣田一直鋪到城市，再在城市�?nèi)鋪設(shè)分布管網(wǎng)，直達每一個用戶。

天然氣的管道輸送始于中國。早在公元前900年，我們的祖先即利用竹筒輸送天然氣。后來英國人用木管和鉛管輸送天然氣，其安全性極差。19世紀(jì)，鑄鐵管技術(shù)在歐洲逐漸發(fā)展，使天然氣能夠在較長的距離安全輸送。

輸送油氣的大口徑鋼管，19世紀(jì)末首先在美國發(fā)展起來，并于1926年列入美國石油學(xué)會發(fā)布的API5L標(biāo)準(zhǔn)。美國1891年建成第一條天然氣長輸管線（約200km),1925年建成第一條焊接鋼管天然氣管線。

就管道材質(zhì)而言，長距離壓力管道一般使用鋼制管道，而短距離分布管網(wǎng)一般使用聚乙烯PE(PolyEthylene）管道。在絕大多數(shù)發(fā)達國家，都有比較密集而完善的天然氣管網(wǎng)，如美國擁有總長達l,200,000km的天然氣管線。我國目前已鋪設(shè)的天然氣管道約有幾千公里，十至十五年內(nèi)規(guī)劃建設(shè)干線總長度達22,000km，支線總長度約12,000km。

目前，國外天然氣高壓輸送呈強勁的發(fā)展趨勢。20世紀(jì)50-60年代管道輸運最高壓力為6.3MPa,70-80年代最高壓力為10MPa,90年代已達14MPa。國外新建天然氣管道的設(shè)計工作壓力都在10MPa以上。目前我國輸氣管道的最高輸氣壓力為6.4MPa，俄羅斯實際運營的輸氣干線最高為7.5MPa。

隨著輸氣管道輸送壓力的不斷提高，輸送鋼管也相應(yīng)地迅速向高性能發(fā)展（詳見4.1節(jié)）。從型號來看，60年代一般采用X52,70年代普遍采用X60～X65,近年來以X70為主，X80也已開始使用。高性能鋼管保證了高壓輸送的安全性，使管道建設(shè)的成本大大降低。管道建成后，管道運營的經(jīng)濟效益更加良好。加拿大的統(tǒng)計分析表明，每提高一個鋼級可減少建設(shè)成本7%。

為保障管線安全可靠，在提高強度的同時，必須相應(yīng)提高韌性。特別是高壓輸氣用鋼管，必須具有很高的沖擊韌性。在成分設(shè)計上，大體上都是低碳或超低碳的Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V(Ti）系，有的還加入Mo、Ni、Cu等元素。

現(xiàn)代冶金技術(shù)可以使鋼材具有極高純凈度、高的均勻性和超細化的晶粒。超純凈鋼冶煉技術(shù)包括高效鐵水預(yù)處理、復(fù)合爐外精煉；高均勻性的連鑄技術(shù)包括連鑄過程的電磁攪拌、連鑄板坯輕壓下技術(shù)等：此外，控制軋制、強制加速冷卻、TiO處理等使鋼材獲得優(yōu)良的顯微組織和超細晶粒。目前，日本、德國、加拿大、美國等國家的管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)遠遠高于國內(nèi)的水平，其X80～Xl00高性能管線鋼在-10℃時的夏比沖擊韌性可達400J以上。

總之，提高輸送壓力意味著高效率，是天然氣輸運技術(shù)發(fā)展的趨勢，但這必須以管道型材的高韌性作為安全性保障。天然氣管道裂紋擴展與止裂的研究就是為了在不同的管道動態(tài)斷裂韌性與選用設(shè)計參數(shù)（包括壁厚、口徑、輸送壓力等）之間建立可靠性評價的理論依據(jù)與數(shù)值方法，并以實驗作為檢驗的依據(jù)。目前在高壓高韌性鋼管方面，國際上的研究遇到了比較大的困難，原有的止裂判定經(jīng)驗方法與實際結(jié)果有比較大的偏差，這為本文的工作提供了創(chuàng)新的契機。

1.1.2  我國天然氣管道工業(yè)發(fā)展簡述

1.1.2.1  天然氣管網(wǎng)總體規(guī)劃

我國十至十五年內(nèi)天然氣管網(wǎng)建設(shè)的總體規(guī)劃可以概括為“兩橫兩縱”:“兩橫”分別指立足于國內(nèi)資源的輪南～上海西氣東輸干線，以及為從西部其他國家引進天然氣建設(shè)的第二條新疆～上海輸氣干線：“兩縱”是指從俄羅斯進口天然氣，分別建設(shè)東西伯利亞經(jīng)東北至北京，以及薩哈林至沈陽輸氣干線，具體線路走向如圖1-2所示。

“兩橫兩縱”輸氣干線通過已建的陜京輸氣管道和澀北至蘭州輸氣管道，以及其它已有管道，擬建的忠縣至武漢輸氣管道，規(guī)劃將要建設(shè)的天津經(jīng)濟南至南京輸氣管道、陜京復(fù)線（陜魯管道）、蘭州至甘塘輸氣管道、武漢至合肥輸氣管道等支干線管道，形成互相溝通的輸氣管網(wǎng)，成為全國性的多氣源、多用戶、靈活貫通的供氣網(wǎng)絡(luò)，以保證安全、平穩(wěn)供氣。

1.1.2.2  西氣東輸工程介紹

西氣東輸工程是我國在新世紀(jì)啟動的最大的建設(shè)工程之一，是西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程。工程西起新疆塔里木盆地的輪南氣田，經(jīng)甘肅、寧夏，進入陜西，在靖邊與長慶氣田連接，經(jīng)山西、河南、安徽、江蘇、浙江，東抵上海。

在我國基礎(chǔ)工程建設(shè)史上，西氣東輸工程創(chuàng)出多項之“最”:

距離最長，全長約4000km；管徑最大，最大口徑1016mm，最大壁厚26.2mm；

投資最多，上、中、下游靜態(tài)總投資規(guī)模約1500億元，超過在建三峽工程的投資50%，其中僅管道工程干線總投資達456億元；

運營壓力最高，設(shè)計輸氣壓力10MPa:'

輸氣量最大，管線運營初期年輸氣規(guī)模為1.2×10¹⁰m³，到2010年可擴大到2.0×10¹⁰m³；

鋼材等級最高，整個工程用鋼近200萬噸，其中絕大部分是針狀鐵素體X70鋼，而這種鋼材的批量生產(chǎn)過去在我國屬于空白；

施工條件最復(fù)雜，管道路線穿過沙漠、戈壁、山區(qū)、丘陵、盆地、黃土高原、農(nóng)田水網(wǎng)等地形地貌，40%以上地區(qū)的地震烈度超過7度。

施工途中將翻越呂梁山、太行山和太岳山，經(jīng)過濕陷性黃土源區(qū)，穿（跨）越大型河流14次（包括長江和淮河各1次，黃河3次），鐵路35次，公路421次，還要經(jīng)過人口稠密，河塘密布的江南水網(wǎng)地帶，圖1-3。條件，在世界范圍內(nèi)都不多見。

本文結(jié)合西氣東輸工程，重點研究輸氣管道的裂紋擴展機理及止裂預(yù)測技術(shù)，其研究成果為鋼制輸氣管線的可靠性提供了理論與實驗評估的依據(jù)。

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