局部加热和整体加热技术对X90钢级热煨弯管性能的影响

刘金生， 李玉卓

（中油管道机械制造有限责任公司，河北廊坊065000）

0 引言

管道输送作为第四种运输方式，是石油天然气最经济安全的运输方式之一。在管道安全可靠的前提下，如何最大限度地降低管道建设成本和提高管道输送效率，一直是管道建设投资者和管道运营企业长期关注的问题。目前国际上主要采用提高钢级、增大口径进行高压输送的方法来提高管输效率和降低成本。已经建成的西二线和西三线采用了管径1219 mm、压力12 MPa、X80方案，经济输量范围为250～300亿m3/年，不能满足更大输量的需求。而西四线、西五线规划输量450亿m3/年,比西二线设计输量增加了50%。要进一步提高管道输量，最可能选用的方案就是进一步提高管道钢级，采用X90或X100超高强度管线钢。X80钢级管线钢管已在多个国家的天然气输送线上应用，但X90管线钢管尚未被系统研究（仅70年代初有少量X90的原型，不能代表实际的生产），目前世界上还没有X90管线；X100管线钢管已得到广泛研究，但仍未有一条真正的管线工程。

高压大流量长距离油气输送已经成为国际石油天然气管线的技术发展方向。长距离管道输送必须应用弯管。弯管是管道输送系统中必不可少的压力管道元件，它作为改变管道走向的管件，除了是改变结构方向或输送介质流向的管路元件，还起着增加管系柔性，吸收由于管道内压及热膨胀（收缩）而引起的管道应力的作用。冷弯弯管曲率半径较大（40D），可在一般施工现场制作；而热煨弯管曲率半径较小（3D≤6D），通常工厂化制作，采用电感应加热的方式进行煨制，我们将用于热煨弯管的钢管叫做“热煨弯管母管”（简称母管），以此区分管道干线用的钢管。因此，根据母管的技术特征及指标对其采用适宜的制造工艺，是开发出合格的X90钢级热煨弯管产品的重要条件。本文将对X90钢级热煨弯管的制造工艺技术特点进行对比和探索。

1 X90钢级母管和弯管的参考标准

就热煨弯管制造而言，“CDP-S-OGP-PL-016-2011-2油气管道工程感应加热弯管通用技术条件”以及“CDPS-OGP-PL-017-2011-2油气管道工程感应加热弯管母管通用技术条件”两个标准，在中国油气管道建设方面有较高的权威性。其中，母管标准在制定中参考了ISO、API等有关国际标准，也参考了国外先进标准及著名企业标准，借鉴了西气东输、陕京二线管道工程用管线钢管用技术条件，同时将近年来对高钢级感应加热弯管方面的应用基础研究及技术标准的研究成果和实践经验融入其中，标准格式是按照“API Spec5L：2007”标准体系进行编辑、补充并要求执行。由于X90钢级母管和热煨弯管尚处在实验室研究阶段，其很多技术指标就是参照上述两个标准。

2 热煨弯管的加热工艺技术

2.1 热煨弯管的结构

热煨弯管的结构如图1所示，有两个段位：直管段1、5和弯曲段3；有两个过渡区：起弯区2和收弯区4；有三个壁厚不等区：内弧区、外弧区以及中性区3；对有缝管而言，还有两个部位：焊缝和管体；就加热状态而言，有两个热处理区：回火区1、5 和调质区3。

图1 热煨弯管的结构

经过煨制后，弯管的不同部位、不同段位、不同状态都会影响弯管的机械性能，综合考虑各部位的性能或形状尺寸是热煨弯管制造工艺技术的根本所在。

2.2 局部加热技术和整体加热技术

制作热煨弯管时，从所需预留的一定长度直管段末端开始加热弯制，达到预定的弯制角度后，结束加热弯制，切除多余管段，然后进行后续的热处理等工序。母管仅在起弯区、弯曲区、终弯区被加热，此技术为局部加热技术。制作热煨弯管时，从母管首端开始加热，直行到所需直管段长度后，开始弯制，达到预定的弯制角度后，结束弯制，母管继续加热并执行到另一直管段末端后，停止加热，切除多余管段，然后进行后续的热处理等工序，此技术为整体加热技术。

3 X90钢级热煨弯管的试制及试验

我们对某钢管厂生产的X90钢级φ1219×16.3母管煨制前进行抗拉性能和冲击韧性检测，试验结果如表1、表2所示。

表1 X90钢级母管拉伸试验结果

表2 X90钢级母管夏比冲击试验结果

对该母管采用局部加热工艺和整体加热工艺进行热煨试验，弯曲段角度为12°，煨制后对弯管整体进行回火热处理。对采用局部加热工艺的弯管直管段取样，进行抗拉性能和冲击韧性进行了检测，结果如表3、表4所示。

对采用整体加热工艺的热煨典型部位进行取样，进行抗拉性能和冲击韧性进行了检测，结果如表5、表6所示。

上述试制结果表明：

1）母管最小屈服强度为620MPa，抗拉强度为694MPa，刚好满足相应标准对X90级钢管的抗拉性能要求，管体和焊缝的冲击功亦高于相应的参考标准值。

表3 X90钢级局部加热工艺热煨弯管拉伸试验结果

表4 X90钢级局部加热工艺热煨弯管夏比冲击试验结果

表5 X90钢级整体加热工艺热煨弯管拉伸试验结果

2）采用局部加热技术弯管最小屈服强度为641MPa，抗拉强度为708 MPa，基本满足相应标准对X90级钢管的抗拉性能要求；但焊缝中心的冲击功最小值为26J，平均值为34J，均远低于相应的参考标准。加热后的弯曲段和直管段的机械性能差异较大，即使经过回火热处理也很难消除两段的性能差异。

3）整体加热技术消除了起弯区和终弯区性能薄弱区现象，减少了弯曲段和直管段的机械性能差异。采用此技术能显著提高热煨弯管的冲击韧性。

4 结论

1）制作X90钢级热煨弯管宜使用专用母管，并进行整体热处理以减轻残余应力的影响。

2）虽然采用局部加热工艺和整体加热工艺都未得到满足参考标准要求的合格的X90钢级热煨弯管，但采用整体加热工艺制作的弯管各项性能参数相对稳定。

表6 X90钢级“整体加热”工艺热煨弯管夏比冲击试验

3）整体加热技术比较适合高钢级、母管（特别是焊缝）需要进行调质加工热处理的热煨弯管制造。适当调整煨制工艺参数和热处理参数，采用“整体加热”工艺技术是开发X90钢级热煨弯管最有效的方法之一。

［1］ 田瑛,甄建超,孙春良,等.我国油气管道建设历程及发展趋势［J］.石油规划设计，2011，22（4）：4-8.

［2］国务院.“十二五”国家战略性新兴产业发展规划［EB/OL］.2012-07-09.http：//www.gov.cn/xxgk/pub/govpublic/mrlm/201207/t20120720_65368.html.

［3］ 国家发展改革委.天然气发展“十二五”规划［EB/OL］.2012-12-03.http：//www.gov.cn/zwgk/2012-12/03/content_2280785.htm.

［4］ 中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司.CDP-SOGP-PL-017-2011-2油气管道工程感应加热弯管通用技术条件［S］.