基于0.8管道设计系数的X80焊管性能研究*

2014-03-09毕宗岳张万鹏祝少华赵红波牛爱军

焊管 2014年1期

毕宗岳，张万鹏，牛辉，祝少华，赵红波，牛爱军

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡 721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡 721008）

0 前言

随着大型长距离输气管道的建设，管道所经地域越来越复杂，如何根据地域特征合理确定设计系数、保证管道安全可靠，并能节省钢材与投资费用，是输气管道线路设计面临的新问题。提高管道设计系数可大大节约投资。美国和加拿大等国家自20世纪90年代开始，就已经将设计标准中一级一类地区的设计系数提高到了0.8或0.83，且在 Alliance、 Rockies Express和 Alaska NG Pipeline等管道设计中采用了这一系数［1］。

设计系数的提高，可提高管线的许用压力和最大输送压力，进而提高管线的输送效率和整体经济效益。西气东输一线轮南―靖边至少有1 200 km处于无人居住的戈壁沙漠中。该工程采用钢管直径1 016 mm，设计压力10 MPa，钢级X70，管材单价6 000元/t。若设计系数从0.72提高到0.80，可少用钢材52 392 t，节省费用31 435万元，所节约的钢材在一类地区可敷设长约120 km的管线［2］。中国石油天然气集团公司（以下简称中石油）正在规划建设的西气东输三线工程的中卫以西段基本与西气东输二线并行敷设，管道经过一级地区总长约2 160 km。西三线一级一类地区采用0.72设计系数，进行管道强度设计时，推荐使用φ 1 219 mm×18.4 mm的X80螺旋埋弧焊管。若西三线的一级一类地区采用0.8设计系数，则可以采用φ 1 219 mm×16.5 mm的X80螺旋埋弧焊管，每1 km可节省管材55.5 t，对于降低管道建设与油气输送成本意义重大［3］。

近几年，在大量高压输气管线建设的推动下，国内管线钢的冶金技术、制管技术、管道施工以及质量控制水平有了长足进步，管线钢管的质量和产品标准已经达到国际先进水平，另外，管道完整性管理技术快速发展，管道安全管理水平显著提高，我国输气管道采用较高设计系数已具备了良好的基础和条件［4－6］。为了参照欧美标准将一级一类地区的管道设计系数从目前国家标准规定的0.72提高到0.80，以节省钢材和投资，中石油对提高一级地区管道的设计系数等进行了专题研究，宝鸡石油钢管有限责任公司根据专题要求，进行了0.8设计系数焊管批量试制与性能评价。

1 天然气管道采用0.8设计系数的背景与现状

天然气管道设计系数最早由美国在20世纪50年代提出。1955年，美国标准协会（ASA）压力管道委员会提出，在进行管道设计时，应该把管道的环向应力限定在最小屈服强度与设计系数的乘积之间，并建议钢管在工厂的水压试验按90%最小屈服强度进行，在此基础上，再乘以一个80%的安全因子，这样就把管道的环向应力限定在72%的最小屈服强度以内，也就是采用0.72的设计系数。这个建议被纳入规范ASA B31.8—1955。

1966年，ASME B31.8委员会收到一项提案，建议把管道的设计系数提高到0.72以上。该提案的理念与0.72设计系数相同，同样保证80%的安全因子，而钢管在工厂的水压试验基于100%最小屈服强度进行，设计系数就可以提高到0.8。但是这个提案当时被搁置。

直到20世纪80年代，ASME B31.8再次考虑采用高于设计系数的可靠性，并开展了一系列研究，内容包括管道设计、管道试压和管道断裂控制。1990年，0.8设计系数正式纳入ASME B31.8标准，一直沿用至 ASME B31.8—2007。目前，国际上天然气管道的许多设计标准中对设计系数的取值都是引用 ASME B31.8 规定［1，3，7］。

世界上各个国家和地区在输气管道设计规范中，对一级地区强度设计系数的规定都有所不同。美国的ASME B31.8和加拿大的CSA Z662采用的设计系数均为0.8；ISO 13623采用的设计系数为0.78；英国的IGE/TD/1采用的设计系数为0.73。我国的GB 50251采用的设计系数为0.72，其他国家和地区的天然气设计规范采用的设计系数也都没有超过 0.72［8］。

2 我国0.72与0.8设计系数焊管技术条件对比

2.1 管材理化性能

在Q/SY GJX 0102—2007《西气东输二线管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》（以下简称“西二线焊管技术条件”）和Q/SY GJX 117—2012《西气东输三线0.8设计系数管道用X80螺旋缝埋弧焊管技术条件》（以下简称 “西三线0.8设计系数焊管技术条件”）中，对两种不同设计系数下X80焊管的化学成分、拉伸强度、DWTT落锤剪切面积等性能指标要求相同，但对夏比冲击韧性指标的要求有一定差异，具体见表1。相对于西二线0.72设计系数，西三线0.8设计系数焊管的冲击韧性指标单值和平均值分别提高了30 J和40 J。

表1 X80焊管夏比冲击韧性技术要求

由于焊缝和热影响区的韧性一般较低，是整条管道断裂控制的重点。国际上的研究表明，焊缝的韧性指标要求可以低于母材。焊缝的韧性不起止裂作用，其数值只要能防止延性起裂就够了，母材的韧性则必须大到足以阻止延性裂纹的扩展。

2.2 静水压试验

管道在运行中发生的破裂，是在低于管材的最低屈服强度以下发生的，因此必然是由缺陷引起的，高强度试压的目的就是将存在有破裂隐患的缺陷，在试压过程中显露出来。美国天然气协会（AGA）的专题研究证明，管道水压试验的强度越高，暴露的缺陷越多，暴露缺陷较集中在强度（90%～110%）SMYS范围；水压试验过程中，在低强度下暴露出的缺陷尺寸大，在高强度下暴露的缺陷尺寸小；试压时稳压时间是必须的，有些缺陷暴露需要时间，约有15%的缺陷是在稳压时暴露的。一级一类地区的管道，设计系数为0.72～0.80，其操作强度可在（72%～80%）SMYS，试压的强度可达到（100%～110%）SMYS，这也是国外输气管道比较普遍的做法。试验证明，在试压的强度下，有足够的稳压时间，没有暴露的缺陷以后在低于试验的压力下运行，将不会出现破裂的事故［9－12］。

西二线0.72设计系数用焊管技术条件对静水压试验压力的规定为：“试验压力根据规定外径和壁厚进行计算，试验压力所产生的环向应力应达到管材规定屈服强度最小值的95%，压力上限波动范围应控制在0.5 MPa以下。”而根据西三线0.8设计系数焊管技术条件对静水压试验压力的规定：“试验压力所产生的环向应力S的数值不得低于钢管规定最小屈服强度的100%，压力波动范围控制在0～0.5 MPa。”采用0.8设计系数的焊管静水压试验压力要高于0.72设计系数的焊管。

若西三线的一级一类地区采用0.8的设计系数，若按设计采用的φ 1 219 mm×16.5 mm的X80螺旋埋弧焊钢管计算，则工厂在现场对管道都必须进行100%SMYS的强度试压，试验压力将达到15 MPa。

2.3 壁厚要求

相对于西二线焊管技术条件中壁厚偏差-3%～+7%，西三线0.8设计系数焊管技术条件壁厚偏差要求为-2%～+7%，壁厚偏差控制更加严格。

从以上对比可知，西二线0.72设计系数用X80焊管与西三线0.8设计系数用焊管技术条件有一定差别，主要体现在冲击韧性、壁厚偏差和静水压试验压力的要求有所提高。

在实际生产中，焊管制造企业均采取了严格的措施加强质量控制，实际工艺控制指标一般要高出技术条件要求，并远高于设计采用的基础标准。同时，在国内钢铁冶金企业装备技术日益提高的前提下，提高管线的设计系数是完全可行的。

3 采用0.72与0.8设计系数的焊管性能对比

以下选用某钢厂热轧板卷生产的X80螺旋埋弧焊管，对采用不同设计系数的X80钢级螺旋埋弧焊管进行对比，选用数据均为小批量试制阶段焊管首检结果。

3.1 试验方法与材料

试验材料采用某钢厂西二线0.72与西三线0.8设计系数用管提供的热轧板卷，以及采用该热轧板卷生产的X80螺旋埋弧焊管。

依据Q/SY GJX 107—2009《天然气输送管道螺旋缝埋弧焊管用热轧卷板通用技术条件》，QSY GJX 0102—2007《西气东输二线管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》、QSY GJX 117—2012《西气东输三线0.8设计系数管道用X80螺旋缝埋弧焊管技术条件》标准要求，对板卷及对应钢管进行成分、组织、力学性能和冲击韧性等性能检测，并进行对比分析［13－14］。

拉伸试验采用板状与圆棒试样，板状试样标距长50 mm，标距内宽38.1 mm，采用全壁厚试样；圆棒试样标距段直径12.5 mm，标距长50 mm。冲击韧性试样沿厚度中心处加工成10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样，V形缺口垂直厚度方向，卷板冲击试验温度-20℃，钢管冲击试验温度-10℃。

板状拉伸试验机为WAW－2000微机控制电液伺服万能试验机。圆棒试验机为CMT5505微机控制电子万能试验机。冲击试验机为CMT5505微机控制电子万能试验机。

3.1 化学成分

西二线0.72与西三线0.8设计系数焊管化学成分对比结果见表2。

由表2可知，两种X80焊管成分分析结果均满足技术要求，在合金成分设计上存在一定差异。相对于西二线X80焊管材料来讲，西三线0.8系数焊管化学成分中，提高了微合金元素Nb，V，Ti与Cr元素的含量，而Mn的含量稍有下降。V是最常用的微合金化元素之一，作用是通过形成 V（C，N）影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性，还可以改善钢材焊后韧性［15－16］。在钢中适量加入 V，通过采用合理的轧制工艺，可以补偿Mn元素的强化作用。C和Mn元素的降低，可以减轻钢的中间偏析，提高钢的组织与性能的均匀性，加入适量的Cr元素，也可以补偿C和Mn元素的降低带来的强度损失。

表2 某钢厂两种X80焊管化学成分对比 %

3.2 热轧板卷力学性能

对卷板的头部、中部及尾部沿轧制方向30°取样，加工成板状试样和圆棒试样进行力学性能检测。板卷拉伸试验结果见表3。

西二线焊管试制用卷板对应头、中、尾位置圆棒试样屈服强度值分别为582 MPa，540 MPa和540 MPa，最大差值为42 MPa；对应头、中、尾位置板状试样屈服强度值分别为627 MPa，565 MPa和578MPa，最大差值为62MPa。西三线0.8设计系数焊管试制采用的卷板对应头、中、尾位置圆棒试样屈服强度值分别为594 MPa，588 MPa和587 MPa，差值为7 MPa；对应头、中、尾位置板状试样屈服强度值分别为591 MPa，597 MPa和605 MPa，最大差值为14 MPa。西三线0.8设计系数焊管试制用卷板偏差值均小于西二线卷板。该数据选用的是制管厂小批量试制时抽检数量的平均值，偏差值不代表钢厂实际控制水平，但可从一定程度上说明钢厂对于X80卷板力学性能均匀性的控制上有所提高。

表3 卷板沿轧制方向30°的拉伸试验结果

3.3 热轧板卷冲击韧性

板卷冲击试验结果见表4。

表4 板卷冲击试验结果

从表4可以看出，西三线0.8设计系数焊管用板卷冲击韧性相对于西二线提高了约70 J，说明钢厂在钢材的设计与制造工艺方面采取了更为严格的控制措施，包括成分设计上的调整与冶炼轧制工艺的优化等，来应对板卷技术指标的提高。

3.4 热轧板卷不同位置金相组织对比

对板卷头、中、尾部分别取金相试样，加工为全厚度金相试样进行金相观察。

图1和图2为两种焊管用热轧板卷不同位置金相组织照片。可以看出，西三线0.8系数热轧板卷组织均以粒状贝氏体为主，含有少量多边形铁素体，头、中、尾三个位置组织更加均匀，差别小；西二线热轧板卷组织头、中部组织为粒状贝氏体+少量多边形铁素体，但铁素体晶粒尺寸较大，尾部出现大量多边形铁素体，并且晶粒尺寸较大。组织的不均匀性也是西二线板卷力学性能差异性大的原因之一。

图1 0.72设计系数用热轧板卷头、中、尾部金相组织对比

图2 0.8设计系数用热轧板卷头、中、尾部金相组织对比

硬度检测结果见表5。由表5可知，西三线0.8设计系数X80焊管焊缝及热影响区硬度高于西二线焊管，并且差值较大。而钢管母材硬度相差不大。这可能与西二线与西三线所使用的焊材及焊接规范不同有关。

表5 显微硬度检测结果HV10

3.5 钢管力学性能对比

在对应于板卷头、中、尾位置的试制焊管上取板状和圆棒拉伸试样进行检测，钢管拉伸检验结果见表6。

由表6可知，西二线焊管对应板卷头、中、尾位置圆棒试样屈服强度最大差值为39 MPa，板状试样屈服强度最大差值为90 MPa；西三线0.8设计系数焊管对应板卷头、中、尾位置圆棒试样屈服强度最大差值为28 MPa，矩形试样屈服强度最大差值为15 MPa。西三线0.8设计系数焊管屈服强度偏差值小于西二线。

表6 钢管拉伸检验结果对比

3.6 钢管冲击韧性对比

钢管冲击试验结果见表7。由表7可以看出，西三线0.8设计系数焊管母材、焊缝韧性远高于西二线，平均高出70 J左右，热影响区基本相当。表明X80钢级0.8设计系数卷板成分设计、组织控制以及轧制工艺合理，卷板性能达到较好水平。同时采用了合理的焊接材料及焊接工艺，极大地提高了钢管焊缝质量。

表7 钢管冲击韧性检验结果对比

根据对同一家钢厂原料及其生产的焊管性能进行对比，可以看出，西三线0.8设计系数焊管各项性能均高于西二线。特别是在原材料头、中、尾组织与性能的均匀性方面明显优于西二线普通X80卷板，也为高设计系数焊管的应用奠定了基础。

3.7 钢管静水压试验对比

西二线焊管技术条件对静水压试验压力的要求为：所产生的环向应力应达到管材规定屈服强度最小值的 95%，压力上限波动范围应控制在0.5 MPa以下。西三线0.8设计系数焊管技术条件对静水压试验压力的要求为：试验压力所产生的环向应力S的数值不得低于钢管规定最小屈服强度的100%，压力波动范围控制在0～0.5 MPa。

分别抽取两批原料生产的X80钢管各300余根，对其水压前后周长变化进行统计，结果见表8。对比西二线与0.8设计系数正式生产时水压前后管径变化情况，可见，水压前西二线与西三线0.8设计系数焊管最大与最小周长之差均为5 mm。而水压后，西二线焊管周长增加率及最大与最小周长平均值之差均高于西三线0.8设计系数焊管。这一方面与生产工艺控制有关，另一方面也与原料板卷长度方向力学性能的均匀性有关。另外，从生产检验记录来看，西二线由于静水压试验不合格的降级管数量明显高于西三线0.8系数焊管。

表8 钢管静水压前后周长变化统计结果

4 结论

（1）采用0.8设计系数，在钢级、管径和壁厚不变的情况下，可提高输送压力，理论上可提高输量10.8%；或在输送压力和输量不变的情况下，可以减少壁厚，减少用钢量10.3%。具有较好的经济效益。

（2）与普通X80卷板相比，0.8设计系数用X80热轧卷板头、中、尾不同位置组织更加均匀一致，晶粒更加细小，屈服强度最大差值为14 MPa，与0.72设计系数卷板相比减小48 MPa左右，同时冲击韧性提高25%。

（3）0.8设计系数用X80钢级焊管屈服强度和抗拉强度波动小，管体、焊缝韧性明显提高，管体硬度控制在256 HV10以下，焊接接头硬度控制在280 HV10以下，产品性能完全满足西三线0.8设计系数焊管技术条件，特别是在100%屈服强度下进行静水压试验均未发生管体变形和泄露，表明目前国内冶金制管水平可完全满足0.8设计系数下焊管技术要求。

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