油气管道用技术标准中的问题剖析与建议

张有渝 袁 勇

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 四川石达能源发展有限公司, 四川 成都 610041

0 前言

油气集输与长输管道工程设计、制造、施工安装、检验环节中应用了很多技术标准,这些技术标准是保证油气集输与长输管道投产运行的安全依据,根据笔者多年来在油气集输与长输管道工程中的经验和各种不同场合讲课所了解的情况,认为该类工程所应用的国家标准和行业标准存在某些技术上的问题,是工程安全运行的隐患,有必要提出来探讨,以期修改或新编标准时借鉴,以保证该类工程安全可靠地运行。

1 标准的定义和作用

1.1 定义

为了说明油气集输与长输管道工程应用的某些技术标准存在问题,首先应对标准、规范的定义和作用加以规定,GB/T 20000.1-2014《标准化工作指南第1部分:标准化和相关活动的通用术语》[1]对标准做了以下定义:

标准:通过标准化活动,按照规定的程序协商一致,为各种活动或其结果提供的规则、指南或特性,供共同使用和重复使用的文件。

规范:规范产品、过程或服务应满足的技术要求的文件。

1.2 标准的作用和要求

GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》[2]规定了制定标准的要求是规定明确且无歧义的条款,以便促进贸易和交流。为此对标准的要求是:在其范围所规定的界限内按需要力求完整、清楚和准确;充分考虑最新技术水平;为未来技术发展提供框架;能被未参加标准编制的专业人员所理解。

标准的内容及要求理应符合GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》的规定,才能保证工程的质量和安全运行。

2 某些技术标准存在的问题

2.1 GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》

GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》[3]作为管件设计、制造、检验与验收的标准,却对管件力学性能、冲击韧性、金相及管件制造工艺规范、管件试验与检验的要求等内容无明确规定,存在严重的技术缺陷,详细分析可见资料《油气集输与长输管道工程用管件标准分析》[4]。该标准的编制也不符合GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》的规定;没有按照管件安全运行的需要,力求内容完整,缺少了很多必须的技术规定,没有充分考虑最新的技术水平。

2.2 GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》

目前天然气输送管道大量采用控轧控冷技术(TMCP)生产的钢管,特别是高压大口径长输管道更是大量推广使用高钢级的TMCP直缝钢管,对于采用TMCP生产的钢管,由于管道现场焊接可能出现淬硬组织,焊接接头中存在一定浓度的扩散氢和较大的焊接拉伸应力,因此存在产生延迟裂纹的倾向,根据试验数据,X 52～X 80钢级均存在这种倾向[5-6]。延迟裂纹的特征就是焊接接头冷却后不会立即发生裂纹,而是可能在冷却后数小时,甚至更长时间才会产生。延迟裂纹/冷裂纹的定义:焊接接头冷至较低的温度,大约在钢的马氏体转变温度Ms(200～300 ℃)或更低的温度区间产生的裂纹。

天然气集输和长输管道设计遵循GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》[7],规定管道焊接接头的检测与试验按照SY/T 4103-2006《钢质管道焊接及验收》[8]进行,但目前该规范已根据国家能源局公告2018年第9号被废止,由GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》[9]代替。

鉴于延迟裂纹具有在钢管焊接接头冷却至常温后数小时甚至更长时间才产生的特性,对于采用TMCP技术生产的钢管现场焊接的环向焊接接头,应该在完成焊接的一个时间段之后再进行无损检测,这样才能准确地判定焊接接头是否有裂纹存在,但是作为无损检测标准的GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》对此却没有进行规定。该标准是修改采用API std 1104:2010《钢质管道焊接及验收》,虽然API std 1104:2010没有对延迟裂纹的无损检测时机做出规定,但是作为修改采用API std 1104:2010《钢质管道焊接及验收》的标准GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》却应该根据我国的国情对此加以修改补充,方便我国输气管道工程焊接施工的标准执行和质量判定。

2.3 GB/T 13299-91《钢的显微组织评定方法》

油气集输和长输管道工程要使用大量的C-Mn钢无缝钢管,在C-Mn钢无缝钢管连铸的生产过程中会出现C-Mn元素的成分偏析,这种成分偏析会导致钢管轧制中产生珠光体的带状组织,这种珠光体组织在无缝钢管经过调质热处理后会转变为回火索氏体,其中的带状组织依然存在。

钢中的带状组织有两种物态：一是钢中的化学元素成分偏析造成的；二是钢中的非金属夹杂物,主要由硫化物和氧化物形成的,特别是硫化锰这种夹杂物对钢的性能影响最大。带状组织对钢的性能影响主要表现在:降低钢管的韧性,提高钢管材料的韧脆转变温度;导致钢管材料性能的各向异性,在横向和厚度方向上钢的韧性严重恶化[5];降低钢管的抗腐蚀性能。

由于带状组织对管道用钢性能的危害性,因此应该对钢管中的带状组织进行评定并规定其合格级别,这样才能保证管道工程运行的安全性。据笔者了解,目前我国对钢中带状组织的评定标准还是GB/T 13299-91《钢的显微组织评定方法》[10],且该标准限定仅适用于珠光体钢,因此缺乏钢中金相组织为索氏体的带状组织评定的标准依据,造成目前有的钢管公司对管道工程中调质无缝钢管不进行带状组织评定,使油气集输和长输管道工程中使用的回火索氏体无缝钢管的安全性缺乏保证。

3 标准存在问题的危害性分析

3.1 GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》

该管件标准自2005年8月1日开始实施,至2017年9月1日被GB/T 12459-2017《钢制对焊管件类型与参数》和GB/T 13401-2017《钢制对焊管件技术规范》代替,有效期整整12年,据笔者了解,该标准在石化和化工多个领域的工程中得到了广泛长期的应用,在不同的工程设计中作为管件标准被选用,由于该标准对管件的力学性能、冲击韧性等合格指标及管件制造工艺等均无明确规定,因此仅仅以此作为管件制造、检验与验收的依据,在强度和性能安全上无法保证,使用这些管件的工程在运行中存在潜在的不安全性。虽然该标准现在被代替了,但是由于以该标准作为制造、检验与验收依据的管件依然在大量的工程中被继续使用运行,因此这些装置、站场的安全可靠性是存在着潜在危险的,这个安全问题并不会随着 GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》被代替而消除,因此很有必要对这些装置、站场进行检查和处置,消除不安全性,这也是写作本文的目的。

3.2 GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》

由于GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》(此前用SY/T 4103-2006《钢质管道焊接及验收》)未对管线钢钢管现场焊接接头的无损检测时机做出规定,因此对无损检测时机的理解和掌握存在较大差异,直接影响到输气管道钢管环向焊接接头的无损检测质量,可能使环向焊接接头的延迟裂纹无法检测出来,进而使输气管道的安全运行存在潜在的安全隐患。据笔者了解,对采用TMCP生产的管线钢钢管现场环向焊接接头的无损检测时机至少存在以下几种认识:一是认为无需延迟一段时间,焊接完成后只需要冷却到大气温度后即可进行无损检测;二是认为焊接完成后需要经过一段时间的放置再进行无损检测,但是经过多长时间后可以进行无损检测,却无标准依据。例如有的输气管道工程,对钢管环向焊接接头的无损检测是这样规定的:焊接接头冷却到大气温度后作第一次无损检测,放置4 h后作第二次无损检测,放置24 h后作第三次无损检测,由此显示标准对延迟裂纹的无损检测时机作出规定是十分必要的。国外也有标准和文献对此作出了规定,ISO 13847:2013《石油天然气工业管道输送系统-管道的焊接》规定:由于冷却后不会立即发生任何延迟裂纹,因此考虑在焊接完成后将无损检测推迟一段时间。对于焊接可能增大氢致开裂危险的情况,需延迟的时间一般应长些,在这方面应注意,用纤维素焊条焊接的焊缝,其开裂可能性较大,而且会随钢管强度或壁厚的增加而增大,文献[11]指出,对高强钢焊接接头(包括采用TMCP生产的管线钢)的无损检测通常要在焊接完成后放置1 d以上进行,这是因为考虑延迟裂纹影响的缘故。在GB/T 50235-2010《工业金属管道施工规范》[12]、NB/T 47013-2015《承压设备无损检测第2部分：射线检测》[13]和GB/T 34275-2017《压力管道规范长输管道》[14]也对延迟裂纹规定了在焊接完成24 h后进行无损检测。

3.3 GB/T 13299-91《钢的显微组织评定方法》

由于GB/T 13299-91《钢的显微组织评定方法》对钢的显微组织评定仅限定于珠光体无缝钢管,因此经调质热处理的索氏体金相组织中带状组织评定就缺乏标准依据,这也给某些大型钢管公司提供了不进行带状组织评定的借口,对其生产的调质热处理无缝钢管在客观上存在的索氏体带状组织不予评定,这是笔者在某油气输送管道工程中亲历的事情。据了解,材质L 245 QS,规格为D 168.3×10.97无缝钢管在经900 ℃淬火+600 ℃回火后产生的带状组织达到3～4级;材质L 360 QS,规格为D 114.3×20无缝钢管在经调质热处理后的金相组织为回火索氏体,带状组织达到3级。有的钢管公司生产的无缝钢管在热轧后珠光体带状组织评定的级别在4级左右,对于小直径规格的无缝钢管则可能达到4级,甚至个别达到5级。当经调质热处理后由珠光体转变为回火索氏体,带状组织依然存在,所以对索氏体带状组织的评定是必要的。如果带状组织的合格级别定在3级或3.5级,则有的无缝钢管可能因带状组织评定不合格而成为不合格品,这就是问题的本质,但不予评级的无缝钢管用在工程上则存在安全隐患。

4 结论和建议

4.1 结论

本文所述3个标准存在的问题或不足之处，既有对GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》的不符合,也给油气管道工程的设计、施工、检验与验收带来了不同程度的不良影响,特别是GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》由于技术要求上的不完整性导致的在用工程运行不安全性必须给予极大的重视与切实的解决,消除这些在用工程的运行不安全隐患,所以补充完善这些标准及消除其带给工程的不良影响是必须的。

4.2 建议

1)在2005-2017年的12年期间,曾经采用GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》标准且未补充技术要求作为工程上管件标准的工程项目设计单位与制造单位,均应主动检查这些工程项目的设计文件与制造检验文件,对存在安全隐患的管件适时予以更换。这些管件使用时间越长,其不安全的潜在危害性越大,是不易忽视的。

2)建议对GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》补充管线钢钢管焊接接头延迟裂纹无损检测时机的规定,由于国际标准、国家标准和文献对此有了规定和论述可以参照,而且由于近年来我国油气输送管道及大量管线钢的工程应用,各建设和施工单位均积累了很多经验,可以提供很多的技术规定供编制标准参考,具备了补充标准内容的条件,建议管线钢钢管环向焊接接头的无损检测时机考虑规定为焊接完全冷却后24 h进行。

3)油气输送管道应用了大量的管线钢无缝钢管,这些无缝钢管由于强度较高采用了调质热处理的交货状态,因此无缝钢管中的金相组织为索氏体,其中的带状组织由于化学元素的成分偏析而存在,对无缝钢管索氏体带状组织评定及合格性判定是必须的。因此建议将GB/T 13299-91《钢的显微组织评定方法》的适用范围扩大至索氏体钢,或者另行编制索氏体钢显微组织评定方法的标准,而且该标准的编制和实施已有27年,理应进行修订,以确保无缝钢管索氏体金相组织中的带状组织评定有标准可依,且是合格产品,进而保证管道运行安全。