日本第一条X80 高强度管线钢管的设计制造与现场施工

2021-03-19刘炜辰李嘉良蒋浩泽编译

焊管 2021年1期

刘炜辰，李嘉良，蒋浩泽编译

（1. 中国石油测井公司国际事业部，北京102206；2. 成都索贝数码科技股份有限公司，成都610041；3. 中国石油测井公司，西安710089）

0 前言

近年来，高强度管道的使用大大降低了天然气输送管道的建设成本。 X80 钢级管线钢已在世界范围内使用，并且正在对X100 和X120等更高级别管线钢进行深入研究。在可能发生地面位移的区域，例如穿越地震活跃区的管道，设计时应考虑其承受纵向变形的能力。在日本，包括土壤液化在内的地震事件并不少见，管道规范通常适用于X65 以下等级管材。东京燃气公司对上述地区使用X80 管线钢管进行了广泛的技术研究，并进行了大量的试验，包括全尺寸爆破试验、全尺寸弯曲试验及环焊缝有限元分析等。东京燃气公司和住友金属在日本首次建造了1 条具有抗震性能的X80（L555）级高压天然气管道。住友金属为日本第一条X80 高强度管道提供管材，该管道已于2011 年秋季竣工。在钢管制造过程中，特别要求钢管涂层加热后的拉伸试验应具有圆屋顶型的应力-应变曲线，这是避免管线钢管纵向变形集中的关键。同时，对管线钢的化学成分进行了设计，优化了热机械控轧工艺（TMCP），开发了外径610 mm、壁厚14.5～18.9 mm 管线钢管，以及同一钢级的感应加热弯管，并成功应用于管道工程。管道环焊缝焊接由住友金属管道公司实施，选择机械化熔化极气体保护焊（GMAW），以满足焊缝金属的强度完全超过钢管母材的强度，避免环焊缝上纵向应力集中和出现氢应力开裂（HISC），焊缝的硬度最大为300HV10，并且对所有环焊缝进行了射线检测和超声波检测。笔者总结了日本第一条X80 高强钢管道的设计思路、管材制造、环缝焊接和施工技术要点，以期为高强度天然气管道建设提供技术参考。

1 设计思路

1.1 许用应力

在日本，高压天然气管道通常在城市地区修建，因此制定了极其严格的标准。由于这些标准适用于钢级为X80 的管道，因此最大工作压力下的许用环向应力限制在222 MPa （40%SMYS）以下。这意味着设计系数≤0.4，管道才被认为是安全的。

1.2 抗震性能

考虑到日本是一个多地震国家，在API 标准的基础上，提出了纵向拉伸性能的补充要求，并要求管材纵向拉伸应力-应变曲线为具有连续屈服特征的圆屋顶型，并且要求在外部涂层经过热循环后，钢管的纵向拉伸应力-应变曲线依然保持这种特征。

1.3 环缝焊接

由于环焊缝的宽度与管道长度相比非常窄，因此要防止地面移动的拉伸载荷引起的应力集中。此外，由于管道是在城市地区修建，因此对管道安全性要求很高，所有环焊缝必须防止应力集中产生。为了达到这一目的，焊缝金属的强度必须完全超过钢管母材的强度。同时，提出了高水平的无损检验要求，使用射线检测和自动超声检测对每个环焊缝进行无损检测，比API 1104标准要求更高。

2 钢管制造

2.1 圆屋顶型应力-应变曲线要求

UOE 钢管由控制轧制的钢板制成，在制管过程中经过了冷变形，且存在着可动位错密度。钢管的外表面通常涂有防腐层，该涂层工艺包括将管道在150～250 ℃下加热约5 min。在这一过程中，可动位错要么减少，要么固定，从而使管道的应力-应变曲线出现屈服平台。为了使管线钢管在加热后应力-应变曲线保持圆屋顶型，必须保持足够的可动位错密度。为实现这一目标，研究了成分、轧制工艺及变形时效的规律，开发了含有M/A 硬质相显微组织结构的X80 管线钢。

2.2 制造工艺

在研究的基础上，日本住友金属工业株式会社鹿岛钢铁厂生产了钢板和钢管。钢板生产过程中，含有加速冷却装置的钢板轧制设备已被动态加速冷却（DAC）技术所取代，该技术大大提高了冷却性能和控制能力，使得大批量高效生产的钢板满足钢管技术规范的材料性能要求。

管线钢的典型化学成分见表1，其中Ti/N 比得到控制。对于钢板制造，将终止加速冷却的温度设定为室温，并将M/A 含量增加到最佳水平以保证位错移动。此外，钢管还采用了160 ℃的低温外涂层工艺，以保证钢管纵向拉伸圆屋顶型应力-应变曲线。

表1 典型的X80 管线钢主要化学成分 %

工程中使用的钢管、弯管规格见表2。壁厚14.5 mm 的X80 钢管涂层加热后的纵向拉伸应力-应变曲线如图1 所示，由图1 可以看出，应力-应变曲线表明圆屋顶轮廓得到了完美的保持。表3 为典型钢管的纵向拉伸性能，该数据证实了拉伸曲线的圆屋顶形状，延伸率为24% （圆棒试样），这是相当令人满意的结果；屈强比低至近80%，表明材料具有很高的变形能力。表4 为钢管夏比冲击试验和落锤撕裂试验（DWTT）的典型结果，从表4 可以看出，管体、焊缝和热影响区夏比冲击功保持在200 J以上，该值是在74%SMYS 的内部压力下、防止不稳定韧性断裂所需值（约100 J）的两倍以上，安全裕度远高于当前管道项目中使用的管线管（其许用设计应力为40%SMYS）所需的安全裕度，表明该钢管在实际运行条件下使用具有很高的安全性。母材的显微组织如图2 所示，钢管焊缝横截面的宏观形貌如图3 所示。

表2 工程使用的X80 钢管规格

图1 典型的钢管纵向应力-应变曲线

表3 典型钢管的纵向拉伸性能

表4 典型的钢管韧性试验结果（试验温度0 ℃）

图2 管体母材的典型显微组织

图3 焊缝的典型宏观形貌

3 环缝焊接

3.1 焊接思路

工程设计要求环焊缝完全达到高强匹配。表3中母材的平均纵向抗拉强度为749 MPa，这意味着焊缝金属的强度必须以＞825 MPa 为目标，以达到10%或更大程度的高匹配。硬度方面，通过将抗拉强度的水平转换为硬度，发现硬度大约需要260HV10或更高，然而焊缝的硬度经常发生变化，其变化范围通常在±（30～40）HV10，因此，如果在对焊接方法没有特别要求的情况下，焊缝金属强度远超过825 MPa，则最大硬度可能远远超过300HV10，这种做法是不可取的。换言之，环焊缝强度的允许范围非常窄，有时是一个精确的数值。此外，焊缝无损检测要求严格的缺陷限制，这意味着需要具有极高水平的焊接技术，以满足接头的性能要求，同时满足无损检测规范（如图4 所示）。满足上述规范的环缝焊接思路包括： ①选择合适强度等级的焊接材料； ②使用焊接质量重复性好的GMAW 方法； ③采用窄焊接坡口，使每层焊道的热输入均匀（单个焊缝金属的硬度变化范围从正常的±（30～40）HV10降低到±30HV10或更低）； ④采用宽焊接坡口，以提高无损检测质量。由于思路③和思路④的要求矛盾，研究决定采用30°的V 形坡口作为最佳选择。

图4 环焊缝金属允许强度范围与管体强度对比示意图

3.2 焊接材料的选择

首先，选择6 种符合AWS A5.28 ER 100S-G或AWS A5.28 ER 110S-G 规范的商用焊接材料作为候选，并使用与X80 钢管成分相同的13.2 mm厚钢板进行焊接性试验。 GMAW 的平均热输入为8.7～11.1 kJ/cm，形成多层焊缝（5 层），焊接在两个位置进行，即平焊（1G）和垂直向下焊（3G）。在初步评定焊缝金属最大硬度和焊接工艺性（熔渣的粘附性和流动性）的基础上，选择标号为A 的“低C-中Mn-低Ni-Mo” 焊材。

3.3 焊接接头的性能和无损检测结果

采用符合AWS A5.28 ER 100S-G 标准的标记A 焊接材料，在Φ610 mm X80 钢管上，采用GMAW 在固定水平位置（5G）进行焊接，对接头的力学性能和无损检测结果进行了研究。表5列出了最初设定的焊接工艺参数，图5 为保护气体混合比与焊缝硬度、抗拉强度和屈服强度之间的关系。从图5 可以看出，随着CO2在保护气体中混合比例的增加，焊缝的硬度和强度逐渐降低。射线检测到环焊缝中的气孔数量与保护气体成分有很大的相关性，随着保护气体中CO2含量的增加，气孔率明显降低；自动超声波检测未发现任何缺陷。当CO2浓度为20%时，焊道的外观（咬边、圆滑度）和飞溅量方面获得了最理想的结果，随着CO2浓度的增加，焊道外观逐渐恶化。在此基础上，结合接头性能、无损检测质量和焊接工艺性，确定采用标记A 焊接材料、 30°坡口、 60%Ar+40%CO2保护气的焊接工艺。

表5 最初设定的焊接工艺参数

图5 CO2 混合比对焊缝性能的影响

3.4 保护气体成分对焊缝化学成分和组织的影响

保护气体成分对焊缝化学成分的影响见表6，由表6 可以看出，焊缝金属中的氧浓度随着CO2比例的增加而增加，作为固溶强化元素的Mn、Si 和Ti 随着CO2比例的增加而减少。焊缝金属晶界组织中铁素体的面积比随CO2的增加而增加。这些观察结果表明，可以通过改变保护气体中CO2的比例，来控制焊缝金属的强度（硬度）。

表6 不同CO2 混合比的焊缝金属化学成分

3.5 环焊缝力学性能

表7 为为本研究开发的焊接工艺， X80 钢级钢管规格为Φ610 mm×（14.5～18.9） mm，坡口形式及焊道顺序如图6 所示。表8 为环焊缝的力学性能，图7 为环焊缝截面宏观形貌，从表8 和图7 可以看出，焊接接头性能优良，与管体母材相比，屈服强度和抗拉强度完全达到高匹配。另外，还研究了钨极气体保护焊（GTAW）方法补焊工艺。

表7 环焊缝焊接工艺参数

图6 环焊坡口形式及焊道顺序示意图

表8 环焊缝的力学性能

图7 环焊缝截面宏观形貌

4 施工

该管道全长约20.5 km，位于东京郊区，敷设在道路下面。图8 为该工程X80 钢级Φ610 mm 管道现场施工照片。首先，将道路沥青铺面破碎并移除，并在清理区域内开挖沟槽；其次，起重机将钢管逐根放入管沟，并在管沟（地下）中单独进行环缝焊接；然后，进行无损检测；最后，进行表面防腐和管沟回填。对于无损检测，要求对每个焊接接头进行严格的射线和超声波检测，降低管道环焊缝缺陷。

施工中还使用了冷弯钢管。一般情况下冷弯管在现场进行制作，但是鉴于其质量的重要性，该工程根据项目的具体要求，在特定工厂内制作弯管，并由专业机构监督质量。图9 为冷弯管的生产和现场安装情况。