第一章  绪  论

1.1  工业背景简述

1.1.1  管道输气的发展趋势和重要性

1.1.1.1  蓬勃兴起的天然气工业

世界能源构成中天然气的地位日益攀升。包括盛产石油的海湾国家在内，天然气在国家总能源消耗中所占比例不断加大。天然气的突出优点在于环保。与煤炭相比，天然气在燃烧中二氧化硫、粉尘的排放量几近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量分别降至40%和50%。天然气对温室效应的影响仅为石油的54%，煤炭的48%。

我国天然气总资源量为3.8×10¹³m³。其中在面积为560,000km²的塔里木盆地，天然气资源量就达8.39×l012m³。其中累计已探明地质储量4.19×l0¹¹m³,剩余可采储量2.79×l0¹¹m³，是国内天然气资源量及剩余可采储量最丰富的气区。预计今后五至十年，累计探明地质储量可达1×10¹²m³。此外，从图1-1可以看到，陕西、四川、青海等地的天然气储量也都十分可观，气田分布的西倾状况比较明显。

在资源利用方面，随着国际上对天然气能源开采、输运和使用能力的不断加强，国内各大城市也纷纷开始筹措系统化利用天然气资源以减少环境污染，市场需求急剧上涨。以长江三角洲地区为例，今后几年内规划项目新增用气量约为：2003年4.2×10⁹m³；2004年7.4×10⁹m³；2005年1.08×10¹⁰m³；2010年1.99×l0¹⁰m³。未来十年内，国内和国际范围内的天然气需求量和使用量都将迅猛提高。在我国，经济发展的地域性不平衡使得天然气需求量主要侧重于东部。

表1-1全国天然气能源与需求状况一览

年份	天然气所占能源比例%	天然气需求（108m3)
1998	2.18	221
2000	3.59	280
2010	7.17（预测）	1130（预测）
2015	10.08（预测）	1880（预测）

综上所述，我国天然气市场主要位于东部地区，而资源地大多分布在西部地区。进口天然气的资源地主要在北部邻国俄罗斯和西部的中亚三国（土库曼斯坦、哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦）。因此，建立安全、高效、持久的输运体系势在必行。

1.1.1.2  高压管道运输带来的挑战

天然气管道是连接上游气田与下游用气市场的大动脉。天然气的密度小，采用普通运输方式非常不经济，因而和石油运输类似，多采用管道运输的方式。而天然气免于加工的特性，使得管道输气的范围更加普遍。主干管道可以从气田一直铺到城市，再在城市内铺设分布管网，直达每一个用户。

天然气的管道输送始于中国。早在公元前900年，我们的祖先即利用竹筒输送天然气。后来英国人用木管和铅管输送天然气，其安全性极差。19世纪，铸铁管技术在欧洲逐渐发展，使天然气能够在较长的距离安全输送。

输送油气的大口径钢管，19世纪末首先在美国发展起来，并于1926年列入美国石油学会发布的API5L标准。美国1891年建成第一条天然气长输管线（约200km),1925年建成第一条焊接钢管天然气管线。

就管道材质而言，长距离压力管道一般使用钢制管道，而短距离分布管网一般使用聚乙烯PE(PolyEthylene）管道。在绝大多数发达国家，都有比较密集而完善的天然气管网，如美国拥有总长达l,200,000km的天然气管线。我国目前已铺设的天然气管道约有几千公里，十至十五年内规划建设干线总长度达22,000km，支线总长度约12,000km。

目前，国外天然气高压输送呈强劲的发展趋势。20世纪50-60年代管道输运最高压力为6.3MPa,70-80年代最高压力为10MPa,90年代已达14MPa。国外新建天然气管道的设计工作压力都在10MPa以上。目前我国输气管道的最高输气压力为6.4MPa，俄罗斯实际运营的输气干线最高为7.5MPa。

随着输气管道输送压力的不断提高，输送钢管也相应地迅速向高性能发展（详见4.1节）。从型号来看，60年代一般采用X52,70年代普遍采用X60～X65,近年来以X70为主，X80也已开始使用。高性能钢管保证了高压输送的安全性，使管道建设的成本大大降低。管道建成后，管道运营的经济效益更加良好。加拿大的统计分析表明，每提高一个钢级可减少建设成本7%。

为保障管线安全可靠，在提高强度的同时，必须相应提高韧性。特别是高压输气用钢管，必须具有很高的冲击韧性。在成分设计上，大体上都是低碳或超低碳的Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V(Ti）系，有的还加入Mo、Ni、Cu等元素。

现代冶金技术可以使钢材具有极高纯净度、高的均匀性和超细化的晶粒。超纯净钢冶炼技术包括高效铁水预处理、复合炉外精炼；高均匀性的连铸技术包括连铸过程的电磁搅拌、连铸板坯轻压下技术等：此外，控制轧制、强制加速冷却、TiO处理等使钢材获得优良的显微组织和超细晶粒。目前，日本、德国、加拿大、美国等国家的管线钢的生产技术远远高于国内的水平，其X80～Xl00高性能管线钢在-10℃时的夏比冲击韧性可达400J以上。

总之，提高输送压力意味着高效率，是天然气输运技术发展的趋势，但这必须以管道型材的高韧性作为安全性保障。天然气管道裂纹扩展与止裂的研究就是为了在不同的管道动态断裂韧性与选用设计参数（包括壁厚、口径、输送压力等）之间建立可靠性评价的理论依据与数值方法，并以实验作为检验的依据。目前在高压高韧性钢管方面，国际上的研究遇到了比较大的困难，原有的止裂判定经验方法与实际结果有比较大的偏差，这为本文的工作提供了创新的契机。

1.1.2  我国天然气管道工业发展简述

1.1.2.1  天然气管网总体规划

我国十至十五年内天然气管网建设的总体规划可以概括为“两横两纵”:“两横”分别指立足于国内资源的轮南～上海西气东输干线，以及为从西部其他国家引进天然气建设的第二条新疆～上海输气干线：“两纵”是指从俄罗斯进口天然气，分别建设东西伯利亚经东北至北京，以及萨哈林至沈阳输气干线，具体线路走向如图1-2所示。

“两横两纵”输气干线通过已建的陕京输气管道和涩北至兰州输气管道，以及其它已有管道，拟建的忠县至武汉输气管道，规划将要建设的天津经济南至南京输气管道、陕京复线（陕鲁管道）、兰州至甘塘输气管道、武汉至合肥输气管道等支干线管道，形成互相沟通的输气管网，成为全国性的多气源、多用户、灵活贯通的供气网络，以保证安全、平稳供气。

1.1.2.2  西气东输工程介绍

西气东输工程是我国在新世纪启动的最大的建设工程之一，是西部大开发的标志性工程。工程西起新疆塔里木盆地的轮南气田，经甘肃、宁夏，进入陕西，在靖边与长庆气田连接，经山西、河南、安徽、江苏、浙江，东抵上海。

在我国基础工程建设史上，西气东输工程创出多项之“最”:

距离最长，全长约4000km；管径最大，最大口径1016mm，最大壁厚26.2mm；

投资最多，上、中、下游静态总投资规模约1500亿元，超过在建三峡工程的投资50%，其中仅管道工程干线总投资达456亿元；

运营压力最高，设计输气压力10MPa:'

输气量最大，管线运营初期年输气规模为1.2×10¹⁰m³，到2010年可扩大到2.0×10¹⁰m³；

钢材等级最高，整个工程用钢近200万吨，其中绝大部分是针状铁素体X70钢，而这种钢材的批量生产过去在我国属于空白；

施工条件最复杂，管道路线穿过沙漠、戈壁、山区、丘陵、盆地、黄土高原、农田水网等地形地貌，40%以上地区的地震烈度超过7度。

施工途中将翻越吕梁山、太行山和太岳山，经过湿陷性黄土源区，穿（跨）越大型河流14次（包括长江和淮河各1次，黄河3次），铁路35次，公路421次，还要经过人口稠密，河塘密布的江南水网地带，图1-3。条件，在世界范围内都不多见。

本文结合西气东输工程，重点研究输气管道的裂纹扩展机理及止裂预测技术，其研究成果为钢制输气管线的可靠性提供了理论与实验评估的依据。

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