外徑1422mm的X80鋼級(jí)管材技術(shù)條件研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

張偉衛(wèi)　李　鶴　池　強(qiáng)　趙新偉　霍春勇　齊麗華李炎華　楊　坤

1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院　2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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外徑1422mm的X80鋼級(jí)管材技術(shù)條件研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

張偉衛(wèi)1,2李鶴1,2池強(qiáng)1,2趙新偉1,2霍春勇1,2齊麗華1,2李炎華1,2楊坤1,2

1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張偉衛(wèi)等.外徑1 422mm 的X80鋼級(jí)管材技術(shù)條件研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā).天然氣工業(yè)，2016,36(6):84-91.

摘 要為了滿足中俄東線天然氣管道工程380×108m3/a超大輸氣量的要求，大口徑、厚壁、高鋼級(jí)鋼管便成為了主要選擇。為此，結(jié)合該管道工程用外徑為1 422mm的X80鋼管材技術(shù)條件的研究制訂過(guò)程，對(duì)國(guó)內(nèi)外管線鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)外徑為1 422mm X80鋼管材技術(shù)條件中的化學(xué)成分和止裂韌性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及制訂過(guò)程進(jìn)行了分析探討，并對(duì)外徑為1 422mm X80鋼管的開(kāi)發(fā)過(guò)程及產(chǎn)品性能進(jìn)行了介紹。通過(guò)生產(chǎn)試制和產(chǎn)品檢測(cè)，證明現(xiàn)有技術(shù)條件合理有效地解決了化學(xué)成分控制、斷裂控制、產(chǎn)品焊接穩(wěn)定性等技術(shù)問(wèn)題，不僅滿足了工程要求，而且也適應(yīng)生產(chǎn)情況，可以保障中俄東線天然氣管道的本質(zhì)安全。該研究成果可為中俄東線建設(shè)外徑為1 422mm X80鋼天然氣管道提供技術(shù)支撐，同時(shí)對(duì)于其他天然氣管道工程技術(shù)條件的制訂也具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞中俄東線天然氣管道工程1 422mm外徑X80 管線鋼管技術(shù)條件技術(shù)指標(biāo)化學(xué)成分止裂韌性焊接

近年來(lái)，隨著天然氣需求量的日益增加，我國(guó)油氣管道特別是天然氣管道建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的高峰期，大口徑、厚壁、高鋼級(jí)鋼管成為管道建設(shè)的主要選擇[1-2]。在“十一五”期間中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中石油）正式立項(xiàng)開(kāi)展了外徑為1 219mm的X80管線鋼前期先導(dǎo)技術(shù)研究，取得了一些成果，制訂了一系列外徑為1 219mm的X80鋼管材技術(shù)條件，并用于“西氣東輸”二線等天然氣管線建設(shè)中。就當(dāng)時(shí)全球已經(jīng)建成和正在建設(shè)的天然氣高壓長(zhǎng)輸管道而言，不論鋼級(jí)、長(zhǎng)度、管徑、壁厚還是輸送壓力，“西氣東輸”二線工程都堪稱(chēng)世界之最[3]。

2014年5月，中石油與俄羅斯天然氣公司正式簽署了《中俄東線管道供氣購(gòu)銷(xiāo)協(xié)議》，約定從2018年起，俄羅斯開(kāi)始通過(guò)中俄東線天然氣輸送管道向中國(guó)供氣。為了滿足中俄東線380×108m3/a超大輸氣量的要求，中石油通過(guò)對(duì)外徑為1 422mm的X80鋼管線應(yīng)用技術(shù)的攻關(guān)，形成了第三代大輸量天然氣管道應(yīng)用配套技術(shù)，并決定在國(guó)內(nèi)737km的中俄東線黑河—長(zhǎng)嶺段干線首次使用外徑為1 422mm的X80鋼管。

管線鋼的質(zhì)量是保證管線安全的最基本也是最關(guān)鍵的因素之一，鋼管訂貨技術(shù)條件是鋼管生產(chǎn)、檢驗(yàn)和驗(yàn)收的依據(jù)，確定其合理的技術(shù)要求對(duì)保證管線的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可行性是非常重要的。受中國(guó)石油管道項(xiàng)目經(jīng)理部的委托，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研究、制訂了中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm的X80管線鋼、鋼管系列技術(shù)條件。筆者對(duì)中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm的X80管線鋼、鋼管系列技術(shù)條件制訂過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了論述，并對(duì)其開(kāi)發(fā)過(guò)程及產(chǎn)品性能進(jìn)行了介紹。

1　國(guó)內(nèi)外相關(guān)管線鋼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

油氣輸送管道用鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可分為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。如ISO 3183屬國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 9711是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，API SPEC 5L可認(rèn)為是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)石油發(fā)布的Q/SY 1513以及中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部發(fā)布的Q/SY GJX 149—2015等是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前在我國(guó)使用的陸上油氣輸送鋼管基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要有API SPEC 5L、ISO 3183和GB/T 9711等。中國(guó)石油在吸收國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究成果的基礎(chǔ)上，還形成了自己的油氣輸送鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，經(jīng)常使用的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有Q/SY 1513和CDP-S-NGP-PL-006等，此外根據(jù)不同的工程需求，還制訂了大量的工程技術(shù)條件，如“西氣東輸”二線天然氣管道工程用管材技術(shù)條件和中俄東線天然氣管道工程用管材技術(shù)條件等。

ISO 3183是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管標(biāo)準(zhǔn)，被GB/T 9711等同采用。由于GB/T 9711的采標(biāo)修訂工作受管理因素限制，更新較ISO 3183慢，目前等同采用ISO 3183：2007版本。API SPEC 5L是美國(guó)石油學(xué)會(huì)制訂的一個(gè)被普遍采用的規(guī)范。上述標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范兼顧了管線鋼的技術(shù)要求與制造廠實(shí)際生產(chǎn)的可行性，但相對(duì)管線與制管技術(shù)的發(fā)展，這些標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中的技術(shù)要求顯得比較寬松，許多條款僅給出了原則性能要求，具體指標(biāo)不明確。因此已經(jīng)很少單獨(dú)用于管線項(xiàng)目。

目前，世界上大多數(shù)石油公司都習(xí)慣采用API SPEC 5L作為管線鋼管采購(gòu)的基礎(chǔ)規(guī)范，在該規(guī)范基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況或管線工程的具體要求，制訂補(bǔ)充技術(shù)條件。中國(guó)石油的管線鋼管通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1513、CDP-S-NGP-PL-006等就是以API SPEC 5L《管線管規(guī)范》為基礎(chǔ)，吸收了國(guó)內(nèi)外管線鋼和工程經(jīng)驗(yàn)編制而成，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可行性，但由于是通用技術(shù)條件，有些指標(biāo)，如化學(xué)成分、夏比沖擊功（CVN）等要求比較寬松，需要根據(jù)具體工程情況進(jìn)一步確定。

在具體技術(shù)指標(biāo)方面，GB 9711—2011、ISO 3183:2012、API 5L:2012等標(biāo)準(zhǔn)的最大適用管徑包括1 422mm，化學(xué)成分指標(biāo)要求較為寬松，其技術(shù)指標(biāo)要求只滿足一般鋼管的最基本要求，如要求C含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）不大于0.12%，Si含量不大于0.45%，其他合金元素范圍也非常寬泛[4-6]，沒(méi)有考慮現(xiàn)場(chǎng)焊接對(duì)化學(xué)成分的要求，缺乏工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。CVN要求3個(gè)試樣最小平均值為54 J，僅能滿足管體材料不發(fā)生啟裂失效的最基本要求，不能滿足鋼管自身止裂要求，因而不能保證長(zhǎng)輸管道的本質(zhì)安全。

中國(guó)石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1513.1—2012 《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件 第1部分：埋弧焊管》最大適用管徑為1 219mm，最高適用鋼級(jí)為X80，理化性能指標(biāo)基本與ISO 3183、GB/T 9711和API SPEC 5L：2012相同，區(qū)別在于Q/SY 1513.1—2012中碳當(dāng)量不要求CEIIW指標(biāo)（表1）。夏比沖擊韌性只給出了確定方法（沖擊功值要求應(yīng)按API SPEC 5L的附錄G確定），沒(méi)有給出具體數(shù)值，需要根據(jù)具體工程進(jìn)行計(jì)算或試驗(yàn)驗(yàn)證確定。

表1　Q/SY 1513.1-2012對(duì)X80管線鋼化學(xué)成分的要求表

中俄東線天然氣管道工程用管材技術(shù)條件則是在Q/SY 1513基礎(chǔ)上，借鑒了API SPEC 5L：2012的最新成果，結(jié)合中俄東線工程的具體特點(diǎn)，對(duì)外徑為1 422mm管線鋼及鋼管的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究攻關(guān)，主要針對(duì)近年來(lái)管線工程的熱點(diǎn)問(wèn)題，確定了更為嚴(yán)格的化學(xué)成分指標(biāo)，計(jì)算并驗(yàn)證了鋼管的CVN值，規(guī)定了夾雜物評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等，此外，還對(duì)管材和板材的試驗(yàn)檢驗(yàn)方法和要求進(jìn)行了優(yōu)化，提出了更嚴(yán)格的制造、檢驗(yàn)程序和更科學(xué)合理的質(zhì)量控制措施。如化學(xué)成分要求C含量不大于0.07%，Mn含量不大于1.85%，Nb、Mo、Ni含量等根據(jù)螺旋縫埋弧焊管和直縫埋弧焊管管型的不同分別有不同的要求，有效地解決了現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性問(wèn)題。關(guān)于CVN指標(biāo)，采用了Battelle雙曲線（BTC）方法進(jìn)行了理論計(jì)算，并利用近年來(lái)管道斷裂控制技術(shù)研究的最新成果，采用Leis-2、Eiber和TGRC2等多種修正方法進(jìn)行修正[7]，同時(shí)通過(guò)全尺寸氣體爆破試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm 的X80鋼管材技術(shù)條件還明確了試驗(yàn)樣品的加工要求，如板卷力學(xué)性能試驗(yàn)樣品要求與板卷軋制方向成20°取樣，拉伸試驗(yàn)采用直徑為12.7mm的圓棒試樣。

此外，通過(guò)研究，中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm的X80鋼管材技術(shù)條件還規(guī)定了嚴(yán)格的非金屬夾雜物驗(yàn)收極限。針對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)中普遍存在的斷口分離問(wèn)題，增加了夏比沖擊試樣斷口分離程度分級(jí)方法，針對(duì)鋼管管端非分層缺陷檢測(cè)問(wèn)題，增加了非分層缺陷的檢測(cè)和驗(yàn)收方法等。

2　外徑為1422mm的X80鋼管材技術(shù)條件制訂中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

2.1化學(xué)成分

自“西氣東輸”二線管道工程開(kāi)始，我國(guó)X80管線鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用越來(lái)越多，隨著鋼鐵冶金技術(shù)的進(jìn)步，為了降低生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了多種合金體系的管線鋼，不同鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的管線鋼化學(xué)成分差別很大，甚至同一企業(yè)在不同階段生產(chǎn)的管線鋼的化學(xué)成分也有很大的差異[8]。這種化學(xué)成分的較大差異，會(huì)降低焊接工藝和焊材的適用性，縮小現(xiàn)場(chǎng)焊接的工藝窗口，增加管線焊接的難度，造成焊縫力學(xué)性能波動(dòng)加劇，從而給管道的服役安全帶來(lái)隱患，對(duì)于壁厚超過(guò)20mm的X80管線鋼，這一問(wèn)題尤為突出。為了解決這一難題，在中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm的X80管材技術(shù)條件制訂過(guò)程中，對(duì)化學(xué)成分指標(biāo)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，目標(biāo)就是限定中俄東線天然氣管道工程用管線鋼的化學(xué)成分波動(dòng)范圍，制訂經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的化學(xué)成分指標(biāo)，從而穩(wěn)定管線鋼質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝窗口。

2.1.1碳、錳、鈮

化學(xué)成分對(duì)管線鋼的顯微組織、力學(xué)性能和焊接性能有著重要的影響。通過(guò)研究，決定外徑為1 422mm X80管線鋼采用低C、Mn的成分設(shè)計(jì)，并加入適量的Mo、Ni、Nb、V、Ti、Cu、Cr等元素。煉鋼時(shí)鋼材應(yīng)采用吹氧轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，并進(jìn)行爐外精煉，并采用熱機(jī)械控軋工藝（TMCP）生產(chǎn)，最終管線鋼的晶粒尺寸達(dá)到10級(jí)以上，從而保證生產(chǎn)出具有良好的強(qiáng)韌性、塑性和焊接性的管線鋼。

對(duì)“西氣東輸”二線等天然氣管道工程用X80鋼管的化學(xué)成分及焊接結(jié)果進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，管線鋼中C、Mn、Nb的劇烈波動(dòng)（圖1～3），對(duì)焊接性能影響具有較大的影響。

圖1　X80鋼管的C含量分布統(tǒng)計(jì)圖

圖2　X80鋼管的Mn含量分布統(tǒng)計(jì)圖

圖3　X80鋼管的Nb含量分布統(tǒng)計(jì)圖

在管線鋼中C是增加鋼強(qiáng)度的有效元素，但是它對(duì)鋼的韌性、塑性和焊接性有負(fù)面影響[9]。降低C含量可以改善管線鋼的韌脆，轉(zhuǎn)變溫度和焊接性，但C含量過(guò)低則需要加入更多的其他合金元素來(lái)提高管線鋼的強(qiáng)度，使冶煉成本提高[10]。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，C含量應(yīng)控制在0.05%～0.07%。

為保證管線鋼中低的C含量，避免引起其強(qiáng)度損失，需要在管線鋼中加入適量的合金元素，如Mn、Nb、Mo等。Mn的加入引起固溶強(qiáng)化，從而提高管線鋼的強(qiáng)度。Mn在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還可以提高鋼的韌性，但有研究表明Mn含量過(guò)高會(huì)加大控軋鋼板的中心偏析，對(duì)管線鋼的焊接性能造成不利影響[11]。因此，根據(jù)板厚和強(qiáng)度的不同要求，管線鋼中錳的加入量一般是1.1%～2.0%。Nb是管線鋼中不可缺少的微合金元素，能通過(guò)晶粒細(xì)化、沉淀析出強(qiáng)化作用改善鋼的強(qiáng)韌性。但有研究表明Nb對(duì)阻止焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和改善熱影響區(qū)韌性并不十分有效，這是因?yàn)樵诤附臃逯禍囟认?，Nb的碳、氮化物的熱穩(wěn)定性尚有不足[11]。較低的Nb含量，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中不能有效抑制熱影響區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致相變時(shí)產(chǎn)生大尺寸的塊狀M/A和粒狀貝氏體產(chǎn)物，使韌性惡化。過(guò)高的Nb含量，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致較大尺寸的沉淀析出，同時(shí)使晶粒均勻性惡化，也會(huì)損害熱影響區(qū)韌性[12-13]。研究結(jié)果表明，Nb的加入量一般控制在0.03%～0.075%比較合理。

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究、工業(yè)試制分析和專(zhuān)家組研討，認(rèn)為外徑為1 422mm、X80管線鋼的Mn含量最高不宜大于1.85%，Nb的含量應(yīng)控制在0.04%～0.08%之間。圖4、5給出了按最新技術(shù)條件工業(yè)試制的外徑為1 422 mmX80鋼管的環(huán)焊縫及熱影響區(qū)在-10 ℃下的CVN值，可以看出其合格率超過(guò)97%。

圖4　外徑為1 422 mmX80鋼管環(huán)焊縫的CVN分布圖

圖5　外徑為1 422 mmX80鋼管熱影響區(qū)的CVN分布圖

2.1.2其他合金元素

Ti是強(qiáng)的固N(yùn)元素，在管線鋼中可形成細(xì)小的高溫穩(wěn)定TiN析出相。這種細(xì)小的TiN粒子可有效地阻礙再加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時(shí)對(duì)改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用。研究表明 Ti/N的化學(xué)計(jì)量比為3.42左右，利用含量為0.02%左右的Ti就可以固定鋼中含量為0.006%的N。管線鋼中的N含量一般不超過(guò)0.008%。因此技術(shù)條件中Ti的含量規(guī)定控制在0.025%以下。

Cr、Mo是擴(kuò)大γ相區(qū)，推遲α相變時(shí)先析鐵素體形成、促進(jìn)針狀鐵素體形成的主要元素，對(duì)控制相變組織起重要作用，在一定的冷卻條件和終止軋制溫度下超低碳管線鋼中加入0.15%～0.35%的Mo和低于0.35%的Cr就可獲得明顯的針狀鐵素體及貝氏體組織，通過(guò)組織的相變強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。

Cu、Ni可通過(guò)固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)Cu還可以改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對(duì)韌性有益。在厚規(guī)格管線鋼中還可補(bǔ)償因厚度的增加而引起的強(qiáng)度下降。一般管線鋼中銅含量低于0.30%，鎳含量低于0.5%。

為了更好地穩(wěn)定產(chǎn)品的理化性能，保證鋼管具有良好的現(xiàn)場(chǎng)焊接性，結(jié)合國(guó)內(nèi)管線鋼生產(chǎn)中合金元素的實(shí)際控制能力，外徑為1 422 mmX80鋼管材技術(shù)條件根據(jù)鋼管類(lèi)型對(duì)C、Mn、Nb、Cr、Mo和Ni的含量進(jìn)行了約定。通過(guò)試驗(yàn)研究，并組織冶金和焊接專(zhuān)家討論協(xié)商，確定管線鋼中C的含量目標(biāo)值為0.060%，Mn的目標(biāo)值為1.75%，Nb的目標(biāo)值為0.06%。直縫鋼管中Ni目標(biāo)值為0.20%，必須加入適量的Mo，且含量應(yīng)大于0.08%。螺旋縫鋼管中Cr、Ni、Mo的目標(biāo)值均為0.20%。考慮到生產(chǎn)控制偏差、檢測(cè)誤差及經(jīng)濟(jì)性，外徑為1 422mm X80鋼管材技術(shù)條件中規(guī)定C含量不大于0.070%，Mn含量不大于1.80%。直縫鋼管Nb的含量范圍為0.04%～0.08%，Mo的含量范圍為0.08%～0.30%，Ni的含量范圍為0.10%～0.30%；螺旋縫鋼管中Nb的含量范圍為0.05%～0.08%，Cr的含量范圍為0.15%～0.30%，Mo的含量范圍為0.12%～0.27%，Ni的含量范圍為0.15%～0.25%。表2給出了外徑為1 422 mmX80鋼管材技術(shù)條件確定的化學(xué)成分含量要求。

表2　外徑為1 422mm X80鋼管的化學(xué)成分要求表

2.2 止裂韌性

API SPEC 5L:2012和ISO 3183:2012中規(guī)定的4種止裂韌性計(jì)算方法中，只有對(duì)BTC計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正的方法適用于12MPa、外徑為1 422 mmX80鋼管道的止裂韌性計(jì)算[14]，其中修正系數(shù)的確定來(lái)源于X80鋼管道全尺寸爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。目前國(guó)際上通用的全尺寸爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)如上篇霍春勇文章中的圖6所示，由此確定的中俄東線管道工程止裂韌性修正方法為T(mén)GRC2，修正系數(shù)為1.46。

中俄東線的天然氣組成如表3所示，按照中俄東線實(shí)際工況管徑為1 422mm、壁厚為21.4mm、輸送壓力為12MPa、運(yùn)行溫度為0 ℃進(jìn)行止裂韌性計(jì)算。用BTC方法計(jì)算其止裂韌性結(jié)果為167.97 J，按1.46倍修正后止裂韌性為245 J，結(jié)果如表4所示。表4中還給出了Leis-2、Eiber、Wilkowski等方法的修正結(jié)果。

表3　中俄東線計(jì)算用氣質(zhì)組成表

表4　中俄東線止裂韌性計(jì)算結(jié)果表

由于現(xiàn)有的全尺寸氣體爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法覆蓋中俄東線天然氣管線X80鋼級(jí)、1 422mm外徑、12MPa壓力下輸送富氣的設(shè)計(jì)參數(shù)要求。因此，2015年12月在中國(guó)石油管道斷裂控制試驗(yàn)場(chǎng)，針對(duì)中俄東線天然氣管道具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和服役條件，對(duì)外徑為1 422 mmX80鋼管的延性斷裂止裂指標(biāo)進(jìn)行了全尺寸爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用BTC方法計(jì)算，并用TGRC2方法進(jìn)行修正后的外徑為1 422mm的X80鋼管止裂韌性指標(biāo)為245 J是安全和經(jīng)濟(jì)的。

2.3非金屬夾雜物

近年來(lái)，許多管道工程使用的高鋼級(jí)管線鋼均在金相檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了超尺寸大型夾雜物。管線鋼中大型夾雜物的存在會(huì)對(duì)其力學(xué)、焊接和耐腐蝕等性能產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而給油氣輸送管道的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大的工程風(fēng)險(xiǎn)。為了有效降低管線鋼中大型夾雜物的存在給管道輸送系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，石油管工程技術(shù)研究院李炎華[15]等，針對(duì)高鋼級(jí)管線鋼中大型夾雜物的特性進(jìn)行了大量的研究工作，進(jìn)而為高鋼級(jí)管線鋼中大型夾雜物級(jí)別判定標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供了依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)管線鋼夾雜物評(píng)判通常采用ASTM E 45-2005:Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel和GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》。ASTM E45-2005將夾雜物按形態(tài)和分布分為4類(lèi)，即A(硫化物類(lèi))、B(氧化鋁類(lèi))、C(硅酸鹽類(lèi))和D(球狀氧化物類(lèi))；而GB/T 10561-2005將夾雜物分為5類(lèi)，即除上述4種外，還增加了DS(單顆粒球類(lèi))。

李炎華等從大型夾雜物在高鋼級(jí)管線鋼冶煉過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律角度進(jìn)行了分析，認(rèn)為對(duì)于形態(tài)呈單顆粒球狀的DS類(lèi)夾雜物的厚度應(yīng)當(dāng)控制在50 μm以下，對(duì)于形態(tài)比小于3 的B 類(lèi)夾雜物，其厚度應(yīng)當(dāng)控制在33 μm 以下，即如果按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005對(duì)管線鋼中的大型夾雜物進(jìn)行評(píng)定，DS類(lèi)夾雜物評(píng)級(jí)應(yīng)該在2.5級(jí)（53 μm）以下。中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm的X80鋼管材技術(shù)條件采用了這一研究成果，在非金屬夾雜物級(jí)別驗(yàn)收極限中，定義了超標(biāo)大型夾雜物的概念，并給出了驗(yàn)收和復(fù)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。

2.4力學(xué)性能試樣取樣位置

“西氣東輸”二線建成以來(lái)，油氣管道工程用螺旋縫埋弧焊鋼管的管徑均小于1 219mm，為了取樣方面，熱軋板卷技術(shù)條件中力學(xué)性能取樣位置均要求與板卷軋制方向成30°取樣。取樣角度與板寬和鋼管管徑的關(guān)系，如式（1）所示。

式中α表示螺旋角，（°）；B表示板寬，mm；π表示圓周率；D表示鋼管直徑，mm。

表5　外徑為1 422 mmX80鋼管材技術(shù)條件中的非金屬夾雜物級(jí)別限定表

按目前主流熱軋板卷產(chǎn)品寬度1 500～1 600mm計(jì)算，對(duì)于管徑1 219mm的螺旋縫埋弧焊管，熱軋板卷的取樣角度為23.1°～24.7°，對(duì)于管徑1 422mm的螺旋縫埋弧焊管，熱軋板卷的取樣角度為19.6°～21°。因此對(duì)于外徑1 422mm的螺旋縫埋弧焊管，與板卷軋制方向成20°取力學(xué)性能樣，更符合實(shí)際情況。

圖6、7給出了實(shí)際生產(chǎn)的熱軋板卷20°、30°位置的力學(xué)性能對(duì)比圖?？梢钥闯雠c軋制方向夾角20°位置的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、DWTT剪切面積高于30°位置，若按與軋制方向成30°位置取樣，容易低估熱軋板卷的力學(xué)性能，造成不必要的浪費(fèi)。因此在中俄東線天然管道工程用熱軋板卷技術(shù)條件中力學(xué)性能的檢測(cè)取樣位置更改為與軋制方向成20°位置。

圖6　熱軋板卷20°、30°位置的拉伸性能圖

圖7　熱軋板卷20°、30°位置的DWTT性能圖

3　外徑為1422mmX80鋼級(jí)大口徑鋼管的開(kāi)發(fā)

2013年以來(lái)，中石油組織相關(guān)科研單位和國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)和制管企業(yè)，開(kāi)展了外徑為1 422mm 的X80鋼級(jí)大口徑鋼管的聯(lián)合開(kāi)發(fā)。在研發(fā)階段，共進(jìn)行單爐產(chǎn)品試制3輪，參與生產(chǎn)制造企業(yè)15家，試制產(chǎn)品2 000 t。工業(yè)應(yīng)用階段，進(jìn)行了1次千噸級(jí)小批量試制，參與生產(chǎn)制造企業(yè)8家，試制產(chǎn)品6 000 t。經(jīng)第三方檢測(cè)評(píng)價(jià)表明，試制的外徑1 422mm、X80鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合中俄東線天然氣管道工程用外徑1 422mm、X80鋼管材技術(shù)條件要求。試制鋼管的屈服強(qiáng)度為595～668MPa，抗拉強(qiáng)度為677～745MPa，母材CVN值為324～486 J，焊縫CVN值為138～232 J，熱影響區(qū)CVN值為172～354 J。通過(guò)環(huán)焊試驗(yàn)證明，所試制的外徑1 422mm、X80鋼管的環(huán)焊縫性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4　結(jié)論

1）中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm、 X80鋼管材技術(shù)條件，借鑒了API SPEC 5L：2012的最新成果，結(jié)合中俄東線工程的具體特點(diǎn)，提出了適合外徑為1 422mm管材的化學(xué)成分、夾雜物評(píng)定、CVN值、力學(xué)性能試驗(yàn)方法等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求，技術(shù)條件具有很強(qiáng)的可操作性，既能滿足工程要求，也能適應(yīng)生產(chǎn)情況，其研究經(jīng)驗(yàn)在我國(guó)未來(lái)的天然氣管道工程建設(shè)上推廣應(yīng)用。

2）中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm、X80鋼管材技術(shù)條件規(guī)定管線鋼采用低C、Mn的成分設(shè)計(jì)，并對(duì)添加的Mo、Ni、Nb、V、Ti、Cu、Cr等合金元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格的限定，是國(guó)內(nèi)油氣管道建設(shè)以來(lái)對(duì)化學(xué)成分要求最為嚴(yán)格的工程技術(shù)條件。工業(yè)試制結(jié)果表明，該技術(shù)條件制訂的化學(xué)成分指標(biāo)符合生產(chǎn)要求，并可有效解決管材的理化性能和焊接性能穩(wěn)定性問(wèn)題。

3）采用BTC方法計(jì)算，并用TGRC2方法進(jìn)行修正來(lái)確定外徑為1 422mm、X80鋼管的止裂韌性指標(biāo)是安全和經(jīng)濟(jì)的，外徑為1 422mm、X80鋼管的止裂韌性指標(biāo)應(yīng)為245 J。

4）中俄東線天然氣管道工程用外徑為1 422mm、X80管材技術(shù)條件在非金屬夾雜物級(jí)別驗(yàn)收極限中，采用最新研究成果定義了超標(biāo)大型夾雜物的概念，并給出了驗(yàn)收和復(fù)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高鋼管的力學(xué)，焊接，耐腐蝕等性能。

5）對(duì)于外徑為1 422mm的螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷，與板卷軋制方向成20°取力學(xué)性能樣，更符合生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)板卷的力學(xué)性能評(píng)估也更為準(zhǔn)確。因此在中俄東線天然管道工程用熱軋板卷技術(shù)條件中力學(xué)性能的檢測(cè)取樣位置為與軋制方向成20°位置。

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（修改回稿日期2016-04-14編輯何明）

Technical specifcations of the X80 large OD 1 422mm line pipes and the corresponding product development

Zhang Weiwei1,2,Li He1,2,Chi Qiang1,2,Zhao Xinwei1,2,Huo Chunyong1,2,Qi Lihua1,2,Li Yanhua1,2,Yang Kun1,2
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute， Xi’an,Shaanxi 710077,China; 2.State Key Laboratory for Performance and Structure Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials， Xi’an,Shaanxi 710077,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.84-91,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:The steel pipes with large diameter,thick wall and high steel grade are preferred to meet the requirements of extremely high gas transmission rate (380×108m3/a) in the Sino–Russian eastern route gas pipeline project.In this paper,the technical standards of line pipes at home and abroad were comparatively analyzed after the research and formulation process of technical specifications of API 5L X80 line pipes (OD 1 422mm) used in the above mentioned project was introduced.The key technical indexes such as chemical components,crack-arrest-toughness values,etc.and its formulation process were discussed.In addition,the development process and product performance of the X80 line pipes (OD 1 422mm) were described.It is proved by trial production and product tests that using X80 line pipes (OD 1 422mm) in this gas project is a rational and effective solution to the following technical issues such as chemical composition control,fracture control and welding stability maintenance.This type of line pipes are proved to not only meet project requirements,but suit for production cases.As a result,the safety of Sino–Russian eastern route gas pipeline will be guaranteed essentially.The research results in this paper provide a strong technical support for the application of API 5L X80 line pipes (OD 1 422mm) in the Sino–Russian eastern route gas pipeline project,and play a guiding role in drawing up the technical specifications of other gas pipeline projects.

Keywords:Sino–Russian eastern route gas pipeline project; OD 1 422mm; API 5L X80 line pipe; Technical specification; Technical index; Chemical component; Crack-arrest-toughness value; BTC method; Charpy vee-notched (CVN) impact energy

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.013

作者簡(jiǎn)介：張偉衛(wèi)，1981年生，高級(jí)工程師，碩士；主要從事輸送管與管線材料及標(biāo)準(zhǔn)方面的研究工作。地址：（710077）陜西省西安市錦業(yè)二路89號(hào)。電話:(029)81887838。ORCID:0000-0002-3459-4420。E-mail:zhangweiwei@cnpc.com.cn