鄧 波，劉迎來(lái)，王高峰，蔡 彬，王文嘉，王 潔

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.渤海裝備華油鋼管公司 福建 福州 350512)

0 引 言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)油氣資源的巨大需求、冶金技術(shù)的進(jìn)步以及管道工程建設(shè)鋪設(shè)成本控制和系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的要求，加速了高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼在長(zhǎng)輸管道建設(shè)項(xiàng)目上的應(yīng)用。目前，我國(guó)天然氣管道工業(yè)也已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，在西氣東輸管線(xiàn)首次采用X70鋼后，X70鋼在陜京二線(xiàn)、冀寧聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上得到推廣；另外在冀寧聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上同時(shí)完成了X80管線(xiàn)試驗(yàn)段的鋪設(shè)，目前X80管線(xiàn)鋼已具備大批量生產(chǎn)的工業(yè)化條件，管線(xiàn)用鋼等級(jí)與國(guó)外同步。

長(zhǎng)輸管道不僅要穿越地域平坦、寬廣的區(qū)域，而且也要通過(guò)許多高山峻嶺、河流等地形復(fù)雜及地質(zhì)條件惡劣的地域。管道工程建設(shè)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足輸送介質(zhì)分流、變向和緩解、改善苛刻負(fù)荷下管道系統(tǒng)內(nèi)干線(xiàn)鋼管所承受的異常外來(lái)負(fù)荷的作用，干線(xiàn)、站場(chǎng)及閥室管道鋪設(shè)中往往需要大量的強(qiáng)韌性和可焊性相匹配的彎管、三通等管道結(jié)構(gòu)件。

彎管、三通等管件由于其結(jié)構(gòu)特殊，其所受載荷比干線(xiàn)管所受載荷更加苛刻，是整個(gè)管道中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一，也是管道運(yùn)行中需要重點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的部位之一。一條管道就是一個(gè)系統(tǒng)，管道系統(tǒng)中任何一個(gè)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)使整個(gè)管道全系統(tǒng)處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。從管道建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)件是管道事故多發(fā)部位，三通、彎頭等管件的質(zhì)量水平對(duì)整個(gè)長(zhǎng)輸管線(xiàn)的安全、高效運(yùn)營(yíng)有很大的影響?，F(xiàn)階段，我國(guó)油氣輸送管道工程建設(shè)質(zhì)量需要達(dá)到更高的水平，正確客觀地認(rèn)識(shí)國(guó)內(nèi)外彎管、管件生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)攻關(guān)、深入研究其生產(chǎn)技術(shù)瓶頸問(wèn)題，對(duì)確保新建油氣管道工程建設(shè)用管道結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)及質(zhì)量控制有著重要的工程意義。

1 三通、彎頭等管件的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

三通、彎頭等管件的主要制造方式、用途及特點(diǎn)見(jiàn)表1。國(guó)內(nèi)的彎管、管件制造業(yè)技術(shù)隨著電力、化工等能源工業(yè)的進(jìn)步而發(fā)展。受管件服役工況的約束，管件選材以普通碳鋼(10#、20#、A3、20g、20G、16Mn)、耐熱合金鋼(12Cr1MoV、10CrMo910)及不銹鋼(1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、304L、316L)等為主。上述系列材料管件的加工技術(shù)及生產(chǎn)有著較好的基礎(chǔ)，盡管已有的GB、HG、SG及JB等產(chǎn)品規(guī)范不是十分完善，但由于這些非油氣管道工程用管件綜合技術(shù)品質(zhì)要求較低，國(guó)內(nèi)管件企業(yè)借助多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，基本可滿(mǎn)足行業(yè)工程建設(shè)需要。

表1 管件的主要制造方式、用途及特點(diǎn)

大口徑、高強(qiáng)韌性和良好的施工現(xiàn)場(chǎng)可焊性是石油天然氣管道工程用管道結(jié)構(gòu)件與電力等其它應(yīng)用領(lǐng)域管道結(jié)構(gòu)件的主要區(qū)別。管線(xiàn)鋼的更新是油氣管道工程用彎管、管件的選材及制造技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素。由于國(guó)內(nèi)機(jī)械制造業(yè)整體技術(shù)落后等原因，我國(guó)油氣管道結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)落后于長(zhǎng)輸管道用鋼發(fā)展技術(shù)水平；管件制造公司在管件工藝技術(shù)研究及質(zhì)量控制方面存在一定差距，產(chǎn)品尚不能完全滿(mǎn)足管道工程設(shè)計(jì)的需要。如國(guó)內(nèi)近年來(lái)相繼完工的多條管道試壓階段頻頻發(fā)生彎管、管件部位泄漏事故，不僅延誤了工期，造成了巨大的工程經(jīng)濟(jì)損失，而且也造成了不良的社會(huì)影響。

隨著X系列管線(xiàn)鋼及鋼管的最新研究、開(kāi)發(fā)成果在許多已建或正在建設(shè)的石油、天然氣管道工程上的推廣應(yīng)用，管道系統(tǒng)對(duì)管件的質(zhì)量可靠性提出了十分嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)階段，Te485和Te555強(qiáng)度級(jí)別的壁厚44～52 mm的三通產(chǎn)品相繼成功開(kāi)發(fā)，使困擾重大長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)的瓶頸問(wèn)題被成功化解，確保了工程建設(shè)的急需，也使國(guó)內(nèi)大直徑三通制造技術(shù)達(dá)到了國(guó)際管件制造行業(yè)的先進(jìn)水平[1]。目前，我國(guó)進(jìn)入又一個(gè)長(zhǎng)輸管道建設(shè)的新階段，大直徑和更高輸送壓力管道用三通的開(kāi)發(fā)問(wèn)題再次成為熱點(diǎn)問(wèn)題。

高強(qiáng)度管件所選用的材料與各管件公司的生產(chǎn)裝備、工藝技術(shù)都有較緊密的依賴(lài)關(guān)系，選材的針對(duì)性很強(qiáng)，材料和生產(chǎn)工藝的有機(jī)結(jié)合是高強(qiáng)度三通、彎頭等管件生產(chǎn)的基本特點(diǎn)。多年來(lái)，國(guó)外管件公司在高強(qiáng)度管件選材、工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)方面已形成了一整套嚴(yán)密、可行的技術(shù)控制體系。圖1為選材技術(shù)路線(xiàn)示意圖。

圖1 管件選材技術(shù)路線(xiàn)

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備加工能力、自動(dòng)化程度、技術(shù)先進(jìn)性等方面均落后于國(guó)外技術(shù)水平較高的同行。工藝、品質(zhì)及生產(chǎn)管理等還待完善[2]，同時(shí)X80或者更高強(qiáng)度級(jí)彎管管件的現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)需要進(jìn)一步提高。

1.2 管道結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外管件標(biāo)準(zhǔn)一般由兩個(gè)或兩個(gè)以上的基本標(biāo)準(zhǔn)組成完整的管件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。管道用對(duì)焊管件，如ASME、ASTM管件是由管件型式尺寸標(biāo)準(zhǔn)和管件材料標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)部分構(gòu)成，其標(biāo)準(zhǔn)體系見(jiàn)表2。管件型式尺寸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了管件的型式、系列、尺寸、尺寸公差、型式試驗(yàn)基本要求及該類(lèi)管件可采用的基本材料標(biāo)準(zhǔn)。材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其所適用的對(duì)象(包括管件類(lèi)別)、原材料(毛坯)品種、管件的化學(xué)成分及力學(xué)性能、加工成型工藝(包括焊接、熱處理、無(wú)損檢測(cè)、管件的取樣和性能檢驗(yàn)、質(zhì)量證明書(shū)及標(biāo)志等)內(nèi)容。管件毛坯材料有軋材和鍛件兩大類(lèi)。

表2 ASME、ASTM 鋼制管件標(biāo)準(zhǔn)體系

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的管件規(guī)范種類(lèi)較多，包括GB、HG、JB、SH及SY等，常見(jiàn)的主要有GB/T 12459-2017《鋼制對(duì)焊管件 類(lèi)型與參數(shù)》、GB/T 13401-2017《鋼制對(duì)焊管件 技術(shù)規(guī)范》、SY/T 0510-2017《鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》、SY/T 0609-2016《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》等。但基本內(nèi)容以型式尺寸要求為主，對(duì)于油氣管道工程用彎管和管件的內(nèi)容不完整，且缺乏可操作性。具體表現(xiàn)在：管件材料標(biāo)準(zhǔn)與管件毛坯材料技術(shù)要求不明確；對(duì)管件性能和質(zhì)量要求、取樣頻次等規(guī)定不詳細(xì)等。對(duì)國(guó)外管件規(guī)范非正確的理解和貫徹已成為制約國(guó)內(nèi)管件制造業(yè)的一大癥結(jié)，系統(tǒng)研究國(guó)外規(guī)范，修正管件制造技術(shù)要求十分重要。

2 管道結(jié)構(gòu)件熱點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題研究

2.1 高強(qiáng)度管件的選材與熱加工技術(shù)

冶金技術(shù)的進(jìn)步是高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼發(fā)展的動(dòng)力之一。近40年來(lái)，國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員選用與干線(xiàn)用管材料相同或相近的材料進(jìn)行油氣輸送管線(xiàn)用高強(qiáng)度彎管的開(kāi)發(fā)，并取得了一定成果。但由于采用管線(xiàn)鋼制造的彎管，其強(qiáng)韌性不僅與原材料化學(xué)成分、控軋工藝、彎管的具體熱煨制工藝參數(shù)有關(guān)，而且與產(chǎn)品鋼級(jí)、管徑、厚度尺寸等有關(guān)，所以對(duì)適用于具體不同工況環(huán)境彎管的熱煨制工藝需要結(jié)合選材進(jìn)行研究。

傳統(tǒng)高強(qiáng)度正火鋼或調(diào)質(zhì)鋼在綜合力學(xué)性能方面與管線(xiàn)鋼相比，兩者在強(qiáng)度、韌性匹配方面存在很大差異；管件壁厚與干線(xiàn)管對(duì)接端部壁厚尺寸相差較多，不僅影響現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量，而且會(huì)增加管線(xiàn)的安全性風(fēng)險(xiǎn)，X80或者更高強(qiáng)度級(jí)管件的選材及制造工藝是目前國(guó)內(nèi)外高壓輸氣管道建設(shè)中急需攻克的難題。

2.2 高強(qiáng)度管件的焊接技術(shù)

徑向補(bǔ)厚是大口徑管件制造的一種基本方法，為了滿(mǎn)足支管處開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)需要，被選用管件毛坯管的外徑通常要大于管件外徑。管件毛坯管相當(dāng)于一個(gè)帶有縱焊縫的短節(jié)，在管件成型過(guò)程中，管件毛坯要經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)加熱和冷卻，因此焊接接頭的強(qiáng)韌性能會(huì)隨著加熱過(guò)程的不同而發(fā)生變化。對(duì)于X80或者更高強(qiáng)度級(jí)管件，要求經(jīng)過(guò)多次加熱后，焊接接頭不僅強(qiáng)度要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而且接頭和熱影響區(qū)的夏比沖擊韌性必須滿(mǎn)足不起裂的要求。

2.3 高強(qiáng)度管件韌性指標(biāo)的匹配

管件是通過(guò)焊接方式連接到管道上的，一般在失穩(wěn)狀況下，由于受環(huán)焊縫止裂作用限制，裂紋可擴(kuò)展的尺寸較小，在管件設(shè)計(jì)時(shí)一般只需考慮其材料不起裂即可。

國(guó)內(nèi)在進(jìn)行西氣東輸和陜京復(fù)線(xiàn)工程用管件設(shè)計(jì)時(shí)，除制定夏比沖擊功外，同時(shí)提出了夏比沖擊斷口剪切面積技術(shù)指標(biāo)要求。據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)管件抽檢結(jié)果，夏比沖擊功與其斷口剪切面積技術(shù)指標(biāo)不匹配。往往夏比沖擊功滿(mǎn)足要求，甚至有很大的余量，但斷口剪切面積檢測(cè)值卻達(dá)不到要求。因此對(duì)高強(qiáng)度管件材料夏比沖擊功與斷口剪切面積相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，有著十分重要的工程意義。劉迎來(lái)等人利用熱模擬試驗(yàn)方法研究X80感應(yīng)加熱彎管用鋼在850～1 150 ℃熱處理溫度下的組織與性能[5]。結(jié)果表明，在不同溫度下，經(jīng)過(guò)熱處理后的X80鋼，其沖擊吸收能量數(shù)值與未經(jīng)熱處理的彎管母管相比較，數(shù)據(jù)離散性顯著增大，但其在較寬范圍的結(jié)果均可滿(mǎn)足現(xiàn)行長(zhǎng)輸油氣管道工程建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2和圖3所示。

圖2 X80鋼試樣-20 ℃沖擊吸收能隨加熱溫度變化

夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果分布在一個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)，且隨著試驗(yàn)溫度的升高，帶狀區(qū)域的上限和下限數(shù)值逐漸進(jìn)入平臺(tái)區(qū)；但當(dāng)試驗(yàn)溫度大于-10 ℃時(shí)，沖擊吸收能量的最小值趨于穩(wěn)定。隨著試驗(yàn)溫度的升高，斷口剪切面積最大值與最小值所形成的帶寬明顯減小，當(dāng)試驗(yàn)溫度大于-40 ℃時(shí)，斷口剪切面積上限值變成100%，進(jìn)入上平臺(tái)區(qū)，如圖4和圖5所示。

圖3 X80鋼試樣-20 ℃斷口剪切面積隨加熱溫度變化

圖4 X80鋼沖擊吸收能隨試驗(yàn)溫度的變化

圖5 X80鋼斷口剪切面積隨試驗(yàn)溫度的變化

2.4 管件設(shè)計(jì)與連接管的強(qiáng)度匹配原則

成品管件的材料力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)與管件的設(shè)計(jì)方式有關(guān)，即等強(qiáng)度設(shè)計(jì)和以厚補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。另外過(guò)去所建管道因管線(xiàn)鋼材料強(qiáng)度較低，設(shè)計(jì)輸送壓力也較小，采用普通碳鋼或者合金鋼生產(chǎn)的管件，其材料強(qiáng)度完全可滿(mǎn)足管道設(shè)計(jì)要求，因此管件設(shè)計(jì)一般選擇等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。隨著高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼的推廣應(yīng)用，由于受生產(chǎn)工藝、材料熱加工特性及現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)管件可焊性等要求，與之匹配的高強(qiáng)度管件生產(chǎn)技術(shù)難度相應(yīng)增加，X80或者更高強(qiáng)度級(jí)別的管件在設(shè)計(jì)理念上可能不一定采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，也可選擇等承載能力(低強(qiáng)度增厚補(bǔ)承載能力)設(shè)計(jì)方法，這樣采用以厚補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法生產(chǎn)的三通，其材料力學(xué)性能就可以低于管件的強(qiáng)度級(jí)別。

2.5 小口徑管件微裂紋的檢測(cè)與評(píng)估

管道的站場(chǎng)、閥室施工過(guò)程中會(huì)使用大量的三通、彎頭、管帽等小口徑管件，這些管件質(zhì)量對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)水平有很大的影響。這些管件因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何尺寸小，因而現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其表面裂紋還不能進(jìn)行有效的檢測(cè)，管件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其一些性能指標(biāo)要求也不明確。為了確保站場(chǎng)、閥室的安全，應(yīng)對(duì)小口徑管件表面裂紋的二次擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行研究，并制定相應(yīng)的檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范與方法。

2.6 管件的無(wú)損檢測(cè)

管件的結(jié)構(gòu)比鋼管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同部位壁厚差異也很大，對(duì)其進(jìn)行和鋼管同等技術(shù)要求的質(zhì)量檢測(cè)在技術(shù)上有一定的難度。其中MT、UT、RT無(wú)損探傷是管件質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，多條管道建設(shè)過(guò)程中發(fā)生的批量管件質(zhì)量事故與無(wú)損探傷方法的選擇有著直接的關(guān)系。因此，應(yīng)對(duì)輸氣管道工程用管件無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)研究，從管件選材、制造、檢測(cè)方法等多方面綜合考慮，形成一套科學(xué)、嚴(yán)密、可行的生產(chǎn)、檢測(cè)實(shí)用性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

3 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)油氣輸送工程用彎管和管件的生產(chǎn)設(shè)備加工能力、自動(dòng)化程度、技術(shù)先進(jìn)性等方面均落后于國(guó)外，彎管和管件的工藝、質(zhì)量及生產(chǎn)管理等還需改進(jìn)，X80及更高強(qiáng)度級(jí)彎管管件的現(xiàn)場(chǎng)焊接性技術(shù)需要進(jìn)一步提高，需系統(tǒng)研究國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，修正完善國(guó)內(nèi)管件制造技術(shù)要求,從而使國(guó)內(nèi)油氣輸送工程用彎管和管件的結(jié)構(gòu)和所用材料更加合理、性能符合油氣田的使用要求。