薄壁不锈钢管的选用与实践

发布:2015-10-27 21:35      点击:
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管材的选取直接关系到燃气管道系统质量和建设运行成本, 应综合考虑管材的机械强度物理性化学稳定性环境适应性流通性施工工艺济性等因素铜管薄壁不锈钢管因连接技术成本的限制,早年未能进入各大燃气公司室内燃气管材的考虑范围深圳 2004 年以前所有室内燃气管道工程中,分户调压器前的中压 B 级管道都采用 20 钢无缝钢管( GB /T 81632008输送流体用无缝钢) ,但由于深圳空气潮湿, 盐碱度大, 以及无缝钢管施工中除锈不彻底防腐层损伤等因素的共同影
响,许多户外的无缝钢管出现了腐蚀现象为解决无缝钢管存在的易腐蚀现象,2004 年深圳开始在户外管道中使用 Q235A 材质外镀锌钢管( 外表面镀锌,内表面不镀锌) 替代无缝钢管, 但外镀锌管的腐蚀问题还是没法完全避免随着薄壁不锈钢管连接技术的发展,卡压式套式双卡压粘接式等薄壁不锈钢管非焊接连接技术越来越成熟,2003 年薄壁不锈钢管开始在国内燃气行业使用为彻底解决深圳户外燃气管道的腐蚀问题,借助建筑供水行业及其他城市燃气供应企业的应用经验,2010 年深圳开始研究薄壁不锈钢管作为室内燃气管道工程的替代管材
2 薄壁方式1
2. 1 承插氩弧焊式
将管子插入管件承口, 用钨极氩弧焊将两连接件熔焊焊接成一体的连接方式
优点: 连接强度高,成本低; 无泄漏接头连接; 全系列管径适用,尤其适用于大管径连接
缺点: 施工技术要求高,有时内外氩气保护在施工现场较难实现
2. 2 卡套式( 卡凸式)
用锁紧螺帽和螺纹管件将管子压紧于管件上的连接方式
优点: 操作方便, 易于安装; 可拆卸, 可重复使
用; 最大连接规格达 DN 300 mm
缺点: 连接强度不够高, 抗外力能力较差; 管件价格高
2. 3 卡压式
将管子插入专用管件内, 管件的 U 形槽内装有O形密封圈, 用专用工具使管子和管件的端部同时收缩成六角形的连接方式
优点: 操作方便,易于安装
缺点: 连接强度不够高, 抗外力能力差; 管件价格高; 安装时密封圈有可能破损而影响连接性能; 适用公称直径100 mm
2. 4 环压式
将套有圆筒状弹性体密封圈的管子插入管件的承口,用专用工具沿承口圆周施压,使承口连同管子一起收缩变形,压缩承口密封段的连接方式
优点: 操作方便,易于安装
缺点: 连接强度不够高, 抗外力能力差; 密封圈和管件不是整体件,安装中要特别注意其密封效果;适用公称直径100 mm
2. 5 双卡压式
与卡压式原理相同, 但在管件承接口的 U 形槽两侧都进行径向压接的连接方式
优点: 操作方便, 易于安装; 连接强度高于卡压
缺点: 管件价格高; 安装时密封圈有可能破损而影响连接性能; 适用公称直径100 mm
2. 6 粘接式
管道端部缩径成锥形, 管件承口( 内也为锥形)用胶粘剂粘接而成的连接方式
优点: 操作方便, 易于安装; 密封性好; 成本较
缺点: 连接强度不够高, 抗外力能力差; 适用公称直径100 mm
2. 7 双卡压粘接式
双卡压式和粘接式结合的一种连接方式, 密封材料为厌氧胶
优点: 操作方便,易于安装; 密封性好; 连接强度高; 管件价格低
缺点: 施工中涂抹厌氧胶要充分均匀, 否则可能影响密封效果; 适用公称直径100 mm
2. 8 不同连接方式的比较
前述几种连接方式各有特点, 承插氩弧焊连接
方式在现场焊接时氩气保护问题未能经济有效地解决之前,还不宜大面积推广使用卡套式连接方式,连接强度低,管件成本高,这种连接方式在燃气行业目前没有采用卡压式环压式和双卡压式都属于挤压式连接,双卡压式连接因为多了一道卡口,其抗拉拔能力和抗旋转能力得到了较大提高, 但这几种连接方式中使用的密封圈均为橡胶制品, 橡胶制品作为密封材料存在着质量控制困难检测标准众多使用寿命不确定温差引起老化施工导致胶圈破损等问题,故仅使用橡胶圈作为接口密封的连接方式应采取措施使接口的连接性能处于可控的范围内粘接式连接使用的厌氧胶在与氧( 空气) 隔绝时, 因金属离子的催化诱导作用而形成自由基, 自由基引发聚合物链的形成, 最终固化为具有优良密封与锁固特性的固体高聚物双卡压粘接式连接, 结合了双卡压式连接强度高和粘接式密封性能好的优点,是一种新型的可靠的连接方式因此, 深圳市住房和建设局发布的 SJG 202011深圳市中低压燃气管道工程建设技术规程中规定薄壁不锈钢管应采用双卡压粘接式或其他可靠的方式连接”。
3 双卡薄壁
按照材料的基本特性,兼顾经济性及已有经验,在室内燃气管道工程中选用 304 不锈钢即可满足使用要求2作为燃气管材的双卡压粘接式薄壁不锈钢管的主要优势如下
3. 1 安全性好
管材壁厚富裕量大户外上升立管阀后至
用户调压器前管道为中压 B 级管道, 设计压力为
0. 2 MPa可以根据内压直管理论壁厚计算公式进
行计算3:
δ = pD/(
2σφ) + p + C1 + C2 ( 1)
式中 δ———管道的壁厚,mm
p———设计压力,MPa
D———管子外径,mm
σ———设计温度下材料的许用应力,MPa
φ———焊缝系数对无缝管, φ = 1
C1———腐蚀余量,mm
C2———管子壁厚负偏差,mm
DN 50 mm 薄壁不锈钢管为例,取设计压力 p
= 0. 2 MPa, 计算温度取 65 ℃ δDC2 根据 GB /T
连接用薄壁不锈钢管查得 δ = 1. 5 mmD = 50. 8mmC2 = 0. 15 mmσφ 根据 GB /T 20801. 22006压力管道规范 工业管道 第 2 部分: 材料取,经计算式( 1) 右边第 1 = 0. 036 8 mm, 而第 2项腐蚀余量 C1 = 1. 313 mm, 第 3 C2 = 0. 15 mm管道承压所需壁厚 0. 036 8 mm,远小于腐蚀余量 C1和管子壁厚负偏差 C2,可见其安全性非常之高
接头连接可靠, 密封严密双卡压粘接式连接压制成两个六角形连接截面, 管件和管子全面抱死,提高了其抗拉拔能力和抗旋转能力,使用的厌氧胶固化后形成的高聚物性能稳定, 密封效果好另外还可以用专用卡规来判断卡压口的形状是否与标准形状相符,从而保证接口的连接质量
抗腐蚀性好不锈钢在空气水等含氧介质中会形成一层致密的铬铁氧化物钝化膜, 钝化膜一旦受损,能很快在空气中愈合与再生
施工无明火采用双卡压粘接式连接的薄壁不锈钢管,施工现场无需使用火源,也无需采用电焊作业,避免了焊接火花的产生,施工现场无明火
3. 2 物理性能好
最小抗拉强度大薄壁不锈钢管的最小抗拉强度可达 520 MPa
最高使用温度高薄壁不锈钢管的最高使用温度可达 800 ℃
抗沉降性能好薄壁不锈钢管的最小断后伸长率为 35% ,其抗沉降性能优异
上述 3 项均为不锈钢管材的物理性能, 考虑双卡压粘接式接头后的管道系统的物理性能会有所下
3. 3 施工便捷,质量可靠
工艺稳定性好双卡压粘接式连接避免了复杂的套丝及焊接作业,施工工艺简单,对施工人员的技能要求宽松,影响施工质量的主观因素很少,接口质量较容易保证
薄壁不锈钢管自重较小, 配管及管道安装强度大大减小,对于高层建筑配管的轻量化优势特别明显
与外镀锌管施工相比较,具有施工强度小施工时间短施工人工少等优势,可以有效提高施工及抢维修速度
3. 4 寿命长
不锈钢优异的耐腐蚀性和机械性能使薄壁不锈
19228. 22011不锈钢卡压式管件组件 第 2 部分钢管使用寿命很长, 一般使用寿命可到达 50 年以
3. 5 劳动保护要求低
薄壁不锈钢管工程中,所有的管件管材都是在厂家生产完成,现场加工很少,避免了镀锌钢管施工时的铁屑飞溅切割噪声焊渣飞溅焊接粉尘锌蒸电弧光等有害因素的影响
3. 6 卫生环保
不需要螺纹连接用的切削液, 也不产生焊接时的烟气,对环境无污染,达到清洁施工的效果
3. 7 美观大方
薄壁不锈钢管在生命周期内不会出现腐蚀或变色,管道美观大方
3. 8 管道流通能力强
以深圳常见的外墙 DN 50 mm 管道为计算对象,管道规格按照深圳实际使用情况选取外镀锌钢管内径为 52. 7 mm,薄壁不锈钢管内径为 47. 8 mm流量为 100 m3 /h, 管长为 500 m, 起点压力为 180kPa, 天然气密度为 0. 802 3 kg /m3,运动粘度为 15 ×10 - 6 m2 /s,天然气温度取 20 ℃ , 严重锈蚀的镀锌钢管的当量绝对粗糙度取 3 mm4,薄壁不锈钢管的当量绝对粗糙度取 0. 05 mm4, 按照 GB 500282006城镇燃气设计规范高中压管道的单位长度摩擦阻力损失计算公式( 式 6. 2. 6 - 1 和式 6. 2. 6 - 2) ,可计算出薄壁不锈钢管的单位压降为 23. 88 Pa /m严重锈蚀的镀锌钢管的单位压降为 38. 46 Pa /m可见薄壁不锈钢管的流通性能较好
3. 9 经济性
管材的经济性是管材和管件成本施工安装和维护管理等费用的综合,管材是否经济适用,主要体现在其全寿命周期成本上本文以高层及多层两种燃气工程中比较常见的楼栋结构作为外镀锌管与薄壁不锈钢管燃气工程全寿命周期费用比较的对象由于目前没有燃气用薄壁不锈钢管工程的计算定额,故本文根据施工图材料清单及深圳市外镀锌管和薄壁不锈钢管相关材料的市场价, 参照深圳市建设工程计价费率标准,并结合施工单位经验,进行估工程费包括材料费人工费及施工机械使用费企业管理费利润措施费规费和税金根据施工单位经验,外镀锌管工程中人工费及施工机械费占材料费的比例约为 20% ; 另外, 据相关单位测算, 薄
壁不锈钢管工程的人工费及施工机械费约为外镀锌管工程的 70% 企业管理费利润措施费规费和税金的费率按照深圳市建设工程计价费率标准2010执行镀锌钢管维护费按 3 年一周期估算,薄壁不锈钢管无需维护总费用为工程费与维护费之和,不考虑资金的时间成本户均总费用为总费用除以户数,户均年费用为户均总费用除以使用年限不同类型工程费用估算见表 1高层情况: 楼高 22层,上环下行,DN 50 mm 上升管 1 条, DN 40 mm 降管 6 条,中压入户, 分户调压, 共 120 多层情况: 楼高 7 层, DN 50 mm 上升管, 天面集中挂表, 分户调压,低压入户,共 60
由表 1 可以看出,对于高层,采用薄壁不锈钢管后,材料费上升了 29. 8% ,工程费上升了 18. 6% , 但总 费 用 仅 上 涨 了 0. 84% , 年 费 用 反 而 降 低 了69. 7% ; 对于多层, 采用薄壁不锈钢管后, 材料费上升了 24. 7% ,工程费上升了 14. 5% , 总费用降低了8% ,年费用降低了 72. 4%
4 广薄壁问题
4. 1 生产过程中的要求
管材管件必须进行固溶处理
通过固溶处理, 一方面可以消除制管焊接过程中的内应力,降低应力腐蚀的可能; 另一方面可以恢复焊接过程中的晶界变化, 防止晶间腐蚀5此,厂家供应的用于燃气管道的管材管件必须经过固溶处理
薄壁不锈钢管必须进行表面抛光处理
不锈钢的耐腐蚀性主要源于其表面的钝化膜,钝化膜的形态又影响了锈斑或锈膜的形成光亮表面不锈钢生成的钝化膜要比粗糙加工表面的钝化膜致密均匀,不易吸附水膜,不易于有害杂质离子吸附引起锈斑或锈膜亚光或拉纹的不锈钢, 表面处理时靠磨料在很大的定向压力下整平表面, 因此表面存在一定量的塑性变形组织特征, 影响了不锈钢表面钝化膜的连续性, 并且不可避免有磨料微粒嵌入变形 层 中, 加 大 了 表 面 层 活 性 而 引 起 锈 斑 或 锈6,因此,薄壁不锈钢管材必须进行表面抛光处
4. 2 施工材料的要求
防止电位差引起的腐蚀
为了防止由于电位差引起的电化学腐蚀, 薄壁不锈钢管道系统应全部采用薄壁不锈钢制管材件和附件( 吊件管卡膨胀螺丝螺栓螺母等) , 如果确需与其他材料接触, 应采取防止电化学腐蚀的措施如果接触的设备材质是铜件, 因为铜与不锈钢电位差较小,所以可直接接触; 若设备材质是非铜件,则需采取保护措施, 例如: 安装不锈钢管时若使用碳钢支架,则在支架与管道之间须垫不锈钢片以及不含氯离子的塑料或橡胶垫片等加以隔离
防止垫片引起的腐蚀
为防止垫片对法兰造成的腐蚀, 根据 CJJ 942009城镇燃气室内工程施工与质量验收规范要求,不锈钢法兰使用的非金属垫片,其氯离子质量分数不得超过 50 × 10 - 6
管材管件壁厚的选择
对于挤压式连接方式,若卡压时管材为插口,管件为承口,那么卡压时最终受力的为管材,所以为确保卡压接口的连接质量可靠, GB /T 19228. 12011不锈钢卡压式管件组件 第 1 部分: 卡压式管件GB /T 19228. 22011不锈钢卡压式管件组件2 部分: 连接用薄壁不锈钢管中大多数同样公称尺寸的管材和管件, 管材的壁厚总是大于管件的壁厚,对于上述国标中同样公称尺寸壁厚也相同的管材和管件,应尽量通过控制管材壁厚偏差的方法使管材 壁 厚 实 际 值 大 于 同 尺 寸 的 管 件 壁 厚 实 际
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管材的保护
薄壁不锈钢管在堆放运输安装过程中若发
撞伤,出现凹痕划伤会引起管材局部薄弱, 抗腐蚀
能力下降,因此要做好管材的保护工作, 在装卸
运管材时应小心轻放,且避免油污
4. 3 施工过程的要求
统一连接方式
由于薄壁不锈钢管的连接方式很多, 如果多种连接方式并存,对于管道系统的质量和燃气公司的管理必然造成隐患, 因此燃气企业应该仅选定一种
连接方式
统一管材管件施工机具和施工方法
即使采用的连接方式都是双卡压粘接式, 不同供应商的管材管件尺寸公差不一样,使用的施工机具和施工方法也存在差异如果不同供应商的管管件施工机具和施工方法混用, 通气后燃气企业的管理将变得十分困难因此, 应该研究统一供应商管材管件施工机具和施工方法的途径
重要施工环节的控制
应制定专门的薄壁不锈钢管施工技术规程, 对卡压方法机具要求管材切割涂抹厌氧胶( 或胶圈保护) 和防雷搭接等技术细节做出明确规定, 以确保工程质量达标
4. 4 成品管道的保护
管道的防撞保护
薄壁不锈钢管壁厚较薄, 抗冲击能力较差, GB500282006城镇燃气设计规范10. 2. 6 条规定,薄壁不锈钢管和不锈钢波纹管必须有防外部损坏的 保 护 措 施。” 因 此, 安 装 在 室 外 平 台 ( 非 屋面) 通道等易受外力碰撞或踩踏处的薄壁不锈钢管,应加设足够强度的保护设施室内水平管道安装高度宜在 2. 2 m 以上, 室内立管宜设置在墙角等2
管道外表面保护
建筑物在主体施工完成后, 交付使用前通常会用草酸清洗墙面, 草酸会直接使不锈钢管发生电化学反应从而导致腐蚀为防止草酸对管道的腐蚀,可采取如下 3 种措施: 一是要求薄壁不锈钢管出厂时必须贴一层保护膜, 待外墙酸洗完成后方可拆除保护膜; 二是对于已经因酸洗产生的锈斑,一定要用不锈钢专用除锈剂擦除干净,避免腐蚀范围扩大,让锈蚀处重新生成保护膜; 三是可待外墙酸洗完成后再进行薄壁不锈钢管的安装虽然外墙酸洗后脚手架已拆除,但由于薄壁不锈钢管较轻,使得在没有脚手架的情况下进行薄壁不锈钢管施工具有了可行
4. 5 其他问题
目前国内尚无专门的燃气输送用薄壁不锈钢管的标准,燃气行业使用薄壁不锈钢管只能依据GB /T 127712008流体输送用不锈钢焊接钢管GB /T 19228. 22011不锈钢卡压式管件组件2 部分: 连接用薄壁不锈钢管的有关规定执行,但这两个标准均不能完全规定燃气用薄壁不锈钢管的技术要求,且两个标准的一些指标要求存在细微差异因此,亟需有关部门尽快出台燃气输送用薄壁不锈钢管的标准,通过标准系统完整地规定薄壁不锈钢管的各项技术要求
对于以胶圈作为密封材料的连接方式, 胶圈的质量和寿命决定了薄壁不锈钢管系统的整体使用寿命,但目前胶圈的生产检测和使用环节都存在不确定因素,因此如何选定燃气用胶圈的材质,掌握胶圈在使用中的老化情况, 确定胶圈在燃气中的使用寿命还需有关单位共同努力推进
深圳属于沿海地区, 离海岸较近地方的环境类似于被国际标准化组织列为六大类腐蚀性环境之一的海洋性环境( 包括海岸环境) 这种环境的Cl 浓度较高, 而 Cl 又会破坏不锈钢表面的钝化膜,导致不锈钢发生腐蚀304 不锈钢在 60 ℃ 中性溶液中发生应力腐蚀的临界 Cl 质量浓度约为 90mg /L8由于处于同一区域, 深圳沿海地区大气中的Cl 质量浓度可参照岭澳核电站( 采样点离海边 30m) 附近区域内的 Cl 质量浓度水平, 年平均值为41. 6 mg /L,最高值为 112. 9 mg /L9可见 Cl 最高质量浓度水平已超过了 304 不锈钢管发生应力腐蚀的临界质量浓度( 90 mg /L) , 因此, 在深圳沿海区域使用 304 不锈钢薄壁不锈钢管有可能存在被腐蚀的情况,但仍需持续观察最可靠的做法是将近海区域的燃气用薄壁不锈钢管牌号选择为 316316 不锈钢因添加 Mo,其耐蚀性耐大气腐蚀性得到了提高,可以在侵蚀性严重的海洋大气中使用
5 结语
随着技术的进步和工艺的创新, 燃气管材的选用也在改变,传统的无缝钢管和外镀锌钢管虽然工程成本较低,但其防腐性能较差,后期维护更新费用不低随着连接技术的发展, 以双卡压粘接式连接
为代表的薄壁不锈钢管连接技术逐渐得到了燃气行业的认可,薄壁不锈钢管安全经济施工便捷美观轻巧环保清洁的特点得以充分发挥在推进薄壁不锈钢管在燃气行业使用的过程中, 我们不仅要从生产材料施工和保护四个环节控制可能出现的问题,还需要与其他行业从业人员合作,从利于燃气行业发展的角度解决诸如制定燃气用薄壁不锈钢管标论证胶圈在燃气中使用的安全性研究氯离子对薄壁不锈钢管的腐蚀等问题