燃氣薄壁不銹鋼管的性能與連接方式比較

摘 要

摘要：介紹了燃氣薄壁不銹鋼管的性能，分析了CJJ 94—2009《城鎮(zhèn)燃氣室內(nèi)工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》推薦使用的幾種薄壁不銹鋼管連接方式的特點，對其進行了比較。關鍵詞：薄壁
摘要：介紹了燃氣薄壁不銹鋼管的性能，分析了CJJ 94—2009《城鎮(zhèn)燃氣室內(nèi)工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》推薦使用的幾種薄壁不銹鋼管連接方式的特點，對其進行了比較。
關鍵詞：薄壁不銹鋼管；性能；連接方式；環(huán)壓式
Performance of Thin.walled Stainless Steel Gas Pipe and Comparison of Connection Modes
CHEN Wen，ZHANG YumeiZENG Lingji
Abstract：The performance of thin-walled stainless steel gas pipe is introduced.The eharacteristics of some connection modes of the pipe recommended by Code for Construction and Quality Acceptance of City Indoor Gas Engineering(CJJ 94—2009)are analyzed and compared.
Key words：thin-walled stainless steel pipe；performance；connection mode；ring compression
1 概述
   隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)住宅、公共建筑和旅游設施大量興建，對流體(水、燃氣)輸送、供應提出了新的要求。在輸送管道中，鍍鋅鋼管已經(jīng)結束了百年輝煌的歷史，各種新型塑料管及復合管得到迅速發(fā)展，但各種管材還不同程度地存在著一些不足，遠不能完全滿足人們的需要和對流體輸送的要求。因此，有關專家預言：建筑流體管材最終將回到金屬管時代。根據(jù)國外的應用經(jīng)驗，金屬管中的薄壁不銹鋼管將可能成為綜合性能最好的管材之一。CJJ 94—2009《城鎮(zhèn)燃氣室內(nèi)工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》將薄壁不銹鋼管列為室內(nèi)燃氣管道的選用管材，這是對薄壁不銹鋼管多年來在燃氣領域中的應用給予的充分肯定。薄壁不銹鋼管具有安裝簡便，安全可靠，因其管壁較薄(但其強度并不低)而成本較低，使用壽命較長(大致為銅管的2倍，碳鋼管的2.5～4倍，復合管的2～3倍)等優(yōu)點，其應用于燃氣室內(nèi)管道的綜合性價比較高，因此薄壁不銹鋼管已成為目前較為理想的燃氣室內(nèi)用管材，具有較廣闊的開發(fā)和應用前景[1]。
2 薄壁不銹鋼管在燃氣領域的應用
    薄壁不銹鋼管誕生于20世紀50年代，瑞典學者首先提出了薄壁不銹鋼管概念并申請專利；70年代，德國馬普爾斯公司開始將其投入生產(chǎn)，并開始應用于建筑冷、熱水；80年代，日本開始將其應用于建筑冷、熱水；1998年，我國開始生產(chǎn)建筑冷、熱水薄壁不銹鋼管；2003年，薄壁不銹鋼管開始應用于燃氣管道。薄壁不銹鋼管是傳統(tǒng)管材的換代產(chǎn)品，也是節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保要求的必然。除燃氣領域外，薄壁不銹鋼管在給水、排水、消防等領域也有廣泛應用。
    住房和城鄉(xiāng)建設部很重視薄壁不銹鋼管的推廣應用，CJ/T 151—2001《薄壁不銹鋼水管》、GB/T 12771—2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》等標準已陸續(xù)發(fā)布執(zhí)行。住房和城鄉(xiāng)建設部現(xiàn)已發(fā)文，相關管道工程技術規(guī)程及安裝圖集正由同濟大學負責編制。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》明確規(guī)定薄壁不銹鋼管可應用于室內(nèi)燃氣管道中，這為薄壁不銹鋼管在室內(nèi)燃氣安裝中發(fā)揮作用提供了廣闊的空間。
3 室內(nèi)燃氣管道工程對管材的基本要求
    室內(nèi)燃氣管道要承受一定的壓力，燃氣泄漏將會導致爆炸、火災，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，對室內(nèi)燃氣管道管材的基本要求是：有足夠的機械強度(抗拉強度、延伸率)，連接性好，具有不透氣性。要滿足管材的基本要求，應從以下幾方面進行選材：
   ① 材料的強度性能
   管道材料的強度性能應從抗拉強度極限、屈服極限、延伸率等幾個參數(shù)進行分析。這幾個參數(shù)因材質(zhì)不同而有較大的變化，鋼管的抗拉強度極限一般為335～565MPa，屈服極限一般為205～480MPa，鋼的延伸率越大，其屈服極限越低，塑性越好，越易焊接加工。
   ② 材料的斷裂韌性
   管道斷裂分為韌性斷裂和脆性斷裂。過大的拉應力和裂紋缺陷是韌性斷裂的主要原因，低溫、應力和裂紋缺陷3個條件共同作用是脆性斷裂的主要原因。為了防止管道在工作條件下斷裂，在管材生產(chǎn)和施工過程中應注意消除管道裂紋缺陷并減小外應力。
   ③ 材料的可靠連接性能
   要求管材在一定的連接(焊接、機械連接等)工藝方法、工藝參數(shù)和結構形式條件下，能夠具有可靠的連接性能。
   ④ 材料的抗腐蝕性能
   城鎮(zhèn)燃氣一般是經(jīng)過凈化的燃氣，可以不考慮管道的內(nèi)壁腐蝕。室內(nèi)燃氣管道長期裸露于大氣中，應考慮管道外壁的抗腐蝕能力，特別是在大氣環(huán)境比較惡劣的大城市，更應該注意此項性能。
   ⑤材料的溫差適應性
   在惡劣環(huán)境條件下，如低溫(-20～0℃)、高溫(40～70℃)時，管材不發(fā)生低溫脆裂和高溫變形。
    薄壁不銹鋼管是利用不銹鋼熱軋鋼板(帶)或熱軋縱剪鋼帶經(jīng)輾壓、卷制、焊接而成，是能夠滿足上述要求的室內(nèi)燃氣管材之一。薄壁不銹鋼管具有耐腐蝕、外表美觀、重量輕等優(yōu)點，適用于低壓燃氣的輸送，特別適用于對外觀要求較高的中、高檔小區(qū)。
4 燃氣薄壁不銹鋼管的性能
4.1 基本性能
   ① 材料強度高
   與其他各種常見材料相比，薄壁不銹鋼管的材料強度高，不同管材的強度比較見表1。
表1 不同管材的強度比較
管材
304不銹鋼管
碳鋼管
銅管
塑料管
抗拉強度/MPa
530～750
300
200
50
   ② 耐腐蝕性能好
   不銹鋼管之所以具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，是因為其可以與氧化劑發(fā)生鈍化作用，在表面形成一層堅韌致密的Cr203富鉻氧化保護膜，而其他碳鋼管、銅管等的鈍化能力很小。
   ③ 使用壽命長
   與其他各種常見材料相比，薄壁不銹鋼管的使用壽命較長，不同管材的使用壽命比較見表2。
表2 不同管材的使用壽命比較
管材
不銹鋼管
銅管
碳鋼管
復合管
塑料管
使用壽命/a
50～70
30～50
15
15～30
25.30
4.2 安全性能
    ① 強度高的管材是安全性的基礎
    由表1可知，奧氏體不銹鋼材質(zhì)的薄壁不銹鋼管，其抗拉強度是碳鋼管的2倍、銅管的3倍、塑料管的10～15倍。高強度的不銹鋼管承壓較高，能承受外力沖擊和較高的輸送壓力，是安全性好的基礎。
    ② 耐腐蝕性好的管材是安全性的保障
    就耐腐蝕性能而言，不銹鋼管是金屬管中的佼佼者，它在各種含氧量、溫度、pH值溶液中均有良好的耐腐蝕性，即使表面受損，也能很快在常態(tài)下自然氧化愈合，因此一般不會發(fā)生局部腐蝕，能切實保障管道的安全性。
5 薄壁不銹鋼管的連接方式及選擇
    根據(jù)GB/T 12771—2008的規(guī)定，薄壁不銹鋼管是指壁厚與外徑比不大于3%的不銹鋼管，目前燃氣行業(yè)使用的薄壁不銹鋼管要求壁厚不小于0.6mm。
5.1 標準推薦的薄壁不銹鋼管連接方式
    CJJ 94—2009推薦的薄壁不銹鋼管的連接方式主要有承插氬弧焊式、卡套式、卡壓式、環(huán)壓式等幾種較成熟的連接方式。
   ① 承插氬弧焊式連接
承插氬弧焊是將管道插入管件承口，用鎢極氬弧焊(TIG焊)將兩連接件熔焊焊接而成一體的連接方式。其優(yōu)點是連接強度高；缺點是施工技術要求高，有時內(nèi)外氬氣保護在施工現(xiàn)場較難實現(xiàn)。承插氬弧焊式連接見圖1。
 

   ② 卡套式連接
   卡套式(也稱卡凸式)連接是用鎖緊螺帽和螺紋管件將管道壓緊于管件上的連接方式。其優(yōu)點是操作方便，易于安裝；缺點是連接強度不夠高，抗外力能力較差。
   ③ 卡壓式連接
卡壓式連接是將“0”型密封圈，用專用卡壓工具壓入連接處，鉗壓后斷面呈六邊形的一種擠壓式連接方式。其優(yōu)點是操作方便，易于安裝；缺點是連接強度不夠高，抗外力能力差。卡壓式連接見圖2。
 

   ④ 環(huán)壓式連接
   環(huán)壓式連接是將套有圓筒狀彈性體密封圈的管道插入環(huán)壓式管件的承口，用專用工具從外部沿承口圓周施壓，使承口連同管道一起局部下凹變形，壓縮承口的密封段，從而達到管道管件緊固密封的一種連接方式。其優(yōu)點是操作方便，易于安裝，連接強度高；缺點是密封圈和管件不是整體件，安裝中要特別注意其密封效果。環(huán)壓式連接見圖3。
 

    對比卡壓式和環(huán)壓式連接方式，可知：這兩種連接方式基本相似，都是鉗壓連接，但其鉗壓點不同?？▔菏姐Q壓點為1處，鉗壓斷面為斷續(xù)的六邊形；環(huán)壓式鉗壓點為2處，鉗壓斷面為連續(xù)的圓形，后者的連接效果較好。
5.2 幾種連接方式的比較
    承插氬弧焊式、卡套式、卡壓式、環(huán)壓式等連接方式，各有特點，其中承插氬弧焊式連接是一種較有特色的連接方式，在燃氣薄壁不銹鋼管道連接中具有一定的優(yōu)勢，連接效果最好。
    GB 50028—2006第10.2.6條規(guī)定：薄壁不銹鋼管的連接方式，應采用承插氬弧焊式管件連接或卡套式管件機械連接，并宜優(yōu)先選用承插氬弧焊式管件連接。這正是對承插氬弧焊式連接方式的肯定。此外，該條條文說明中還指出：薄壁不銹鋼管采用承插氬弧焊式管件屬無泄漏接頭連接，與卡壓、卡套等機械連接相比較具有明顯優(yōu)點，故推薦選用。這足以說明承插氬弧焊式連接方式具有優(yōu)勢地位。但是如用傳統(tǒng)的焊接方式進行連接，因為薄壁不銹鋼管在現(xiàn)場施工，很難做到管內(nèi)壁的氬氣保護，而保護不良的焊接會導致不銹鋼抗腐蝕性能大幅下降，其焊縫在2～3a后會發(fā)生滲漏，從而帶來較大的安全隱患。因此，在目前小口徑薄壁不銹鋼管氬弧焊連接方式的現(xiàn)場氬氣保護問題未能經(jīng)濟有效地解決之前，承插氬弧焊式連接方式還不宜大面積推廣使用，這也是該連接方式目前未能在燃氣行業(yè)大量推廣的主要原因。
    在其他幾種機械式連接方式中，卡套式具有可拆卸、可重復使用的優(yōu)點，但其管件價格相對較高，且由于薄壁不銹鋼管表面十分光滑，連接強度較低，因此燃氣工程中一般較少采用，而卡壓式、環(huán)壓式成為目前薄壁不銹鋼管的主要連接方式，二者均屬于機械式連接中的擠壓式連接方式。燃氣薄壁不銹鋼管有多種連接方式，其中擠壓式連接性能較好。
    所謂擠壓式連接，是一種通過冷擠壓手段實現(xiàn)管道與管件連接密封的方式，它是將預先套上密封圈的管道插入管件的承口，從外部對承口的連接段周向施壓。壓制中，承口的連接段連同插入的管道一起下凹變形后抱死鎖緊，從而實現(xiàn)管道與管件的有效密封。
    歐洲在20世紀60年代發(fā)明了擠壓式連接技術，該項技術使不銹鋼管的薄壁化得以實現(xiàn)，并于90年代引入中國，在國內(nèi)被稱作卡壓式連接。結合歐共體國家推廣的管道擠壓連接技術的成功經(jīng)驗，以及對國內(nèi)近幾年卡壓式連接在工程應用中的利弊所作的比較研究，業(yè)內(nèi)普遍認為管道擠壓連接技術是燃氣薄壁不銹鋼管道連接方式未來發(fā)展的主要方向。
    卡壓式和環(huán)壓式成本相似，而后者效果較好。對這兩種連接方式的爭論點主要在于其密封圈的壽命能否達到與管道相同，只要密封圈的壽命能夠與管道基本相同，則這種連接方式就是一種較好的方式。為解決這個問題，相關單位應該立即著手與國內(nèi)權威檢測單位聯(lián)合，作相應的分析、試驗，用相對可靠的密封圈壽命科學分析數(shù)據(jù)消除大家的疑慮。
    國內(nèi)相關單位已經(jīng)開始行動，目前在薄壁不銹鋼管環(huán)壓式連接方式上，擁有多項專利的成都共同管業(yè)公司已經(jīng)著手進行這項工作，并即將拿出成果。相信在不久的將來，薄壁不銹鋼管一定會在國內(nèi)燃氣領域得到大量應用。
參考文獻：
[1] 池愛君.薄壁不銹鋼管在室內(nèi)燃氣工程的應用[J]煤氣與熱力，2009，29(8)：B25-B27.
 
(本文作者：陳文1 張玉梅2 曾令基3 1.廣西佳迅管道工程有限公司 廣西南寧 530022；2.重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院 重慶 400030；3.重慶燃氣集團股份有限公司 重慶 400020)