西氣東輸一、二線管道工程的幾項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步

摘 要

摘要：提高管線鋼強(qiáng)度級(jí)別和管道輸送壓力是天然氣輸送管道的發(fā)展趨勢(shì)，是輸氣管道技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。近年來(lái)，我國(guó)管道企業(yè)和相關(guān)科研院所聯(lián)合攻關(guān)，取得了一批關(guān)鍵技術(shù)成果，使西氣
摘要：提高管線鋼強(qiáng)度級(jí)別和管道輸送壓力是天然氣輸送管道的發(fā)展趨勢(shì)，是輸氣管道技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。近年來(lái)，我國(guó)管道企業(yè)和相關(guān)科研院所聯(lián)合攻關(guān)，取得了一批關(guān)鍵技術(shù)成果，使西氣東輸(為便于區(qū)別，以下稱為西氣東輸一線)和西氣東輸二線等國(guó)家重點(diǎn)管道工程的設(shè)計(jì)壓力和鋼管強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到或領(lǐng)先于同時(shí)期的國(guó)際水平。這些成果包括：①研制了X70、X80鋼級(jí)高性能管線鋼及焊管、管件；②突破國(guó)際上螺旋縫埋弧焊管的使用禁區(qū)，確立了具有中國(guó)特色的“大口徑高壓輸送主干線螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管聯(lián)合使用”的技術(shù)路線；③在國(guó)內(nèi)首次研究了高壓輸氣管道動(dòng)態(tài)斷裂與止裂問(wèn)題，分別采用Battelle簡(jiǎn)化公式和Battelle雙曲線法預(yù)測(cè)了西氣東輸一線和西氣東輸二線等管道延性斷裂的止裂韌性；④在國(guó)內(nèi)首次研究了油氣管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，解決了該設(shè)計(jì)方法及抗大變形管線鋼管在強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層管段應(yīng)用的技術(shù)難題；⑤研究解決了高強(qiáng)度焊管的腐蝕控制和應(yīng)變時(shí)效控制技術(shù)等。上述成果對(duì)降低輸氣管道建設(shè)成本、保障管道運(yùn)行安全具有重要意義。
關(guān)鍵詞：西氣東輸一線；西氣東輸二線；輸氣管道；管線鋼；螺旋縫埋弧焊管；止裂韌性；基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)
0 引言
    目前，全世界石油、天然氣管道總長(zhǎng)度為260×104km，并以每年2×104km以上的速度增長(zhǎng)。截至2009年底，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道總長(zhǎng)度已達(dá)7×104km[1]。
    20世紀(jì)初，輸送油、氣的大口徑鋼管首先在美國(guó)發(fā)展起來(lái)。1926年，美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布的API 5L標(biāo)準(zhǔn)只包括3個(gè)碳素鋼級(jí)(A25、A、B)。1947年發(fā)布的API 5LX增加了X42、X46、X52三個(gè)鋼級(jí)。1964年，API 5LS將螺旋焊管標(biāo)準(zhǔn)化。1967～1970年期間API 5LX和5LS增加了X56、X60、X65鋼級(jí)，1973年增加了X70鋼級(jí)。1987年API 5LX和5LS合并于第36版SPEC 5L中。第36～43版包括A25、A、B、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80共11個(gè)鋼級(jí)。2007年，API 5L第44版與ISO 3183整合，增加了X90、X100、X120鋼級(jí)。目前在油氣管道工程上正式使用的最高強(qiáng)度級(jí)別管線鋼是X80鋼級(jí)。
   天然氣輸送管的幾個(gè)里程碑[2]：1925年美國(guó)建成第一條焊接鋼管天然氣管道；1967年第一條高壓、高鋼級(jí)(X65)跨國(guó)天然氣管道(伊朗至阿塞拜疆)建成；1970年在北美開始將X70管線鋼用于天然氣管道；1994年德國(guó)開始在天然氣管道上使用XS0鋼級(jí)[3]；1995年加拿大開始使用X80鋼級(jí)[4]；2002年TCPL(Trans Canada Pipeline Ltd.)在加拿大建成了一條管徑1219mm、壁厚14.3mm X100鋼級(jí)的1km試驗(yàn)段[5]；2004年2月，ExxonMobil石油公司采用與新日鐵合作研制的X120焊管在加拿大建成一條管徑914mm、壁厚16mm、長(zhǎng)1.6km的試驗(yàn)段。
    在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，全球各石油公司都在不斷尋找降低成本的途徑。在管線項(xiàng)目投資中，鋼管的成本占40%左右，采用高鋼級(jí)管線鋼管可以減小壁厚，高壓輸送可以在不改變輸量的情況下減小管徑。管徑和壁厚的減小可帶來(lái)工程費(fèi)用的降低。因此，采用高鋼級(jí)管線鋼管和高壓輸送可有效降低輸送成本。在1998年舉行的國(guó)際管道會(huì)議上，加拿大的NOVA公司介紹了該公司采用高鋼級(jí)管線鋼管和高壓輸送的效益情況[5]。圖1所示為采用不同鋼級(jí)管線鋼管和不同輸送壓力時(shí)管線的投資對(duì)比情況[5]?？梢姡诟邏狠斔蜁r(shí)，采用高鋼級(jí)管線鋼管可明顯降低管道成本。
 

    提高管線鋼管鋼級(jí)和輸送壓力是天然氣管道建設(shè)強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)，API標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展也反映了這種趨勢(shì)。圖2為我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家管線鋼發(fā)展情況對(duì)比示意圖[6]。20世紀(jì)90年代之前，我國(guó)天然氣管道普遍采用A3、16Mn、TS52K等低強(qiáng)度焊管，輸送壓力大都在4MPa以下。我國(guó)按API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)和使用管線鋼管比發(fā)達(dá)國(guó)家滯后約40年。1993年，陜京管線采用X60鋼級(jí)、6.4MPa壓力，縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距；2000年，西氣東輸(為便于區(qū)別，以下稱為西氣東輸一線)管線采用X70鋼級(jí)、10MPa壓力，跟上了發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐；現(xiàn)在，西氣東輸二線干線全部采用X80鋼級(jí)，西段采用12MPa設(shè)計(jì)壓力，使我國(guó)管道建設(shè)跨上了新的臺(tái)階。就全球已經(jīng)建成和正在建設(shè)的X80輸氣管道而言，無(wú)論是設(shè)計(jì)壓力、管道長(zhǎng)度，還是管徑、壁厚，西氣東輸二線(簡(jiǎn)稱西二線)均堪稱世界之最。
 

    為了給西氣東輸一、二線管道工程提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)和中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱中石油)先后于2000年和2007年組織了科研攻關(guān)，科技部還將部分應(yīng)用基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容列入了“973”項(xiàng)目。特別是中石油啟動(dòng)的《西氣東輸二線管道工程關(guān)鍵技術(shù)研究》重大專項(xiàng)，投資力度大，目標(biāo)明確，效果良好。這些科研工作圍繞高鋼級(jí)鋼管與高壓輸送的關(guān)鍵技術(shù)展開，取得了一批重要成果：①研制了針狀鐵素體型X70、X80鋼級(jí)高性能管線鋼及焊管、縫管件；②突破國(guó)際上螺旋埋弧焊管的使用禁區(qū)，確立了具有中國(guó)特色的“大口徑高壓輸送干線螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管聯(lián)合使用”的技術(shù)路線；③在國(guó)內(nèi)首次研究了高壓輸氣管道動(dòng)態(tài)斷裂與止裂問(wèn)題，采用Battelle簡(jiǎn)化公式或Battelle雙吐線模型預(yù)測(cè)了西氣東輸一、二線等管道延性斷裂的止裂韌性；④在國(guó)內(nèi)首次研究了油氣管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，解決了該設(shè)計(jì)方法及抗大變形管線鋼管在強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷裂層管段應(yīng)用的技術(shù)難題；⑤研究解決了高強(qiáng)度焊管的腐蝕控制和應(yīng)變時(shí)效控制技術(shù)等。這些成果對(duì)降低管道建設(shè)成本、保障管道運(yùn)行安全都有著重要意義，使西氣東輸一、二線等國(guó)家重點(diǎn)管道工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到或領(lǐng)先于國(guó)際水平。
1 X70、X80鋼級(jí)高強(qiáng)韌性管線鋼的研究開發(fā)
1.1 管線鋼的技術(shù)進(jìn)步
    管線鋼是近40年來(lái)基于低合金高強(qiáng)度鋼而發(fā)展起來(lái)的。為了全面滿足油氣輸送管道對(duì)鋼管使用性能的要求，在成分設(shè)計(jì)和冶煉、加工成型工藝上采取了許多措施，從而自成體系。管線鋼已成為低合金高強(qiáng)度鋼和微合金鋼領(lǐng)域最富活力、成果豐碩的一個(gè)重要分支[6～7]。
    現(xiàn)代冶金技術(shù)可以使鋼具有很高的潔凈度、均勻性和超細(xì)化的晶粒。為了使高強(qiáng)度管線鋼獲得高韌性，必須提高鋼的潔凈度，即降低鋼中硫、磷、氧、氫的含量。一般采取多步復(fù)合操作，包括鐵水預(yù)處理脫硫、脫磷，轉(zhuǎn)爐冶煉降碳、脫磷，爐外精煉脫氣、脫硫等。高均勻性的連鑄技術(shù)包括連鑄過(guò)程的電磁攪拌和輕壓下技術(shù)等。此外，控制軋制、強(qiáng)制加速冷卻使管線鋼獲得優(yōu)良的顯微組織和超細(xì)晶粒。鋼的各種強(qiáng)化手段中，晶粒細(xì)化是唯一能夠既提高強(qiáng)度又提高韌性的方法?？剀埧乩?TMCP)可以使微合金化管線鋼的鐵素體晶粒細(xì)化到5μm，而對(duì)控軋工藝進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)施形變誘導(dǎo)鐵素體相變(DIFT)，可以進(jìn)一步使鐵素體晶粒細(xì)化到1～2μm。
    目前，X80和X80以下鋼級(jí)商用管線鋼按組織形態(tài)分類，主要有鐵素體+珠光體(包括少珠光體)型和貝氏體(含針狀鐵素體)型兩類。
   鐵素體-珠光體(Ferrite-Pearlite)鋼的基本成分是C-Mn系。這是20世紀(jì)60年代以前管線鋼的基本組織形態(tài)，一般采用熱軋和正火處理。
   少珠光體管線鋼的典型化學(xué)成分為Mn-Nb、Mn-V、Mn-Nb-V等，代表性鋼級(jí)為20世紀(jì)60年代末的X56、X60和X65。在工藝上突破了熱軋-正火工藝，進(jìn)入微合金化鋼控軋工藝的生產(chǎn)階段，綜合運(yùn)用了晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等手段。近年來(lái)，X65、X7O少珠光體鋼除成分設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化外，還普遍采用了TMCP工藝。
   為進(jìn)一步提高管線鋼的強(qiáng)韌性，1985年以后研究開發(fā)了針狀鐵素體鋼和超低碳貝氏體鋼，也有人稱之為第二代管線鋼。
   所謂針狀鐵素體型管線鋼，并不是必須100%的針狀鐵素體，而是針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量塊狀鐵素體等的混合組織。對(duì)于這種類型管線鋼的組織目前尚無(wú)統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)。鑒于針狀鐵素體(又稱板條貝氏體鐵素體)和粒狀貝氏體都屬于貝氏體范疇。因此也有人把針狀鐵素體鋼稱為貝氏體鋼。圖3是X80針狀鐵素體型管線鋼TEM(透射電子顯微鏡)形貌。
 

   與傳統(tǒng)的鐵素體一球光體型管線鋼相比，針狀鐵素體型管線鋼的性能特點(diǎn)有：①優(yōu)良的強(qiáng)韌性；②較高的形變強(qiáng)化能力和較小的包申格(Bauschinger)效應(yīng)；③好的焊接性；④抗HIC性能良好。西氣東輸管道及隨后建設(shè)的陜京二線、川氣東送和中亞天然氣管線等重大管道工程均采用了X70鋼級(jí)針狀鐵素體型管線鋼。西氣東輸二線(簡(jiǎn)稱西二線)的干線全線489×104km采用了X80鋼級(jí)針狀鐵素體型管線鋼。
1.2 高強(qiáng)韌性管線鋼的研制
   2000年西氣東輸工程立項(xiàng)后，中石油和中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)(簡(jiǎn)稱中國(guó)鋼協(xié))聯(lián)合組織開展了X70管線鋼的研究開發(fā)。管線鋼的主要研制單位為寶山鋼鐵股份有限公司(簡(jiǎn)稱寶鋼)、武漢鋼鐵(集團(tuán))公司(簡(jiǎn)稱武鋼)、鞍鋼股份有限公司(簡(jiǎn)稱鞍鋼)和舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱舞鋼)。西氣東輸管道管徑為1016mm，壁厚14.6～26.2mm(其中14.6mm壁厚為螺旋縫埋弧焊管，17.5、21.0、26.4mm為直縫焊埋弧焊管)，全長(zhǎng)4000km。焊管用量156.7×104t，其中螺旋縫埋弧焊管60.7×104t，其卷板由寶鋼、武鋼、鞍鋼提供，焊管主要由寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱寶雞鋼管)和渤海石油裝備鋼管制造公司(簡(jiǎn)稱渤海裝備)完成。直縫焊埋弧焊管用量96×104t，其中14.7×104t為國(guó)產(chǎn)，由舞鋼提供鋼板，渤海裝備巨龍公司制成JCOE焊管。
    2003年開始X80管線鋼研制。2004年，西氣東輸工程冀寧支線建設(shè)了長(zhǎng)7.8km的X80試驗(yàn)段，管徑1016mm，螺旋焊管壁厚15.3mm，直縫埋弧焊管壁厚18.4mm，輸氣壓力10MPa，其鋼板和焊管全部由國(guó)內(nèi)制造。
    2007年，西氣東輸二線工程立項(xiàng)后，X80鋼級(jí)鋼板、卷板和焊管的試制全面展開。武鋼、北京首鋼股份有限公司(簡(jiǎn)稱首鋼)、鞍鋼、太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司(簡(jiǎn)稱太鋼)、馬鋼集團(tuán)(簡(jiǎn)稱馬鋼)、本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱本鋼)、寶鋼、邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱邯鋼)試制的18.4mm X80熱軋卷板，寶鋼、鞍鋼、沙鋼集團(tuán)(簡(jiǎn)稱沙鋼)、首鋼試制的22mm熱軋鋼板，寶雞鋼管、渤海裝備等試制的Ø1219×18.4mm螺旋焊管，管道局機(jī)械廠、渤海裝備等6廠家的感應(yīng)加熱彎管和管件，渤海裝備、寶鋼、沙市管廠試制的Ø1219×22mm直縫埋弧焊鋼管，先后通過(guò)了中石油和中國(guó)鋼協(xié)組織的聯(lián)合鑒定。經(jīng)抽樣檢驗(yàn)，625爐批Ø1219×18.4mm螺旋埋弧焊管的橫向屈服強(qiáng)度平均值617MPa，屈強(qiáng)比平均值0.88，-10℃時(shí)夏比沖擊功平均值328J(最高值491J)，-10℃焊縫夏比沖擊功平均值157J(最高值362J)，-10℃熱影響區(qū)夏比沖擊功平均值205J(最高值486J)，0℃DWTT(Drop-Weight Tear Test)平均值98%，DWTT SA85%時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度-40℃；366爐批Ø1219×22mm JCOE直縫埋弧焊管的橫向屈服強(qiáng)度平均值628mm，屈強(qiáng)比0.89，-10℃時(shí)夏比沖擊功平均值294.5J(最高值473J)，-10℃時(shí)焊縫夏比沖擊功平均值179J(最高值250J)，-10℃時(shí)熱影響區(qū)夏比沖擊功238J(最高值337J)，0℃時(shí)DWTT平均值91.5%。
    西氣東輸二線全線焊管用量432.6×104t。其中主干線4895km全部采用Ø1219mm X80鋼級(jí)焊管，合計(jì)271.5×104t；支干線4260km采用X70鋼級(jí)161.1×104t。X80鋼級(jí)焊管中，螺旋埋弧焊管(壁厚15.3、18.4mm)占73%；直縫埋弧焊管(壁厚22.0、26.4、27.5mm)72×104t，占27%。這些焊管約90%實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
2 確立螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管聯(lián)合使用的技術(shù)路線
    美國(guó)、日本等多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家總體上是否定螺旋縫埋弧焊管的，認(rèn)為天然氣管道高壓輸送主干線不宜使用螺旋縫埋弧焊管。美國(guó)本土近20年建造的天然氣輸送主干線，幾乎均為UOE直縫埋弧焊管。而我國(guó)當(dāng)時(shí)的情況是，各天然氣輸送管企業(yè)都是清一色的螺旋焊管生產(chǎn)線。如果螺旋焊管不能用于西氣東輸?shù)戎?。大工程，就要大量從?guó)外進(jìn)口UOE焊管，除了將大幅度提高建設(shè)成本外，還有可能導(dǎo)致國(guó)內(nèi)大部分焊管企業(yè)蒙受巨大損失。
2.1 天然氣輸送鋼管的主要類型
    API SPEC 5L規(guī)定油氣輸送管按生產(chǎn)工藝不同分為無(wú)縫鋼管、電阻焊鋼管、埋弧焊鋼管等8種[7]。主要使用的有無(wú)縫鋼管(Seamless)、直縫高頻電阻焊管(E1ectric Resistance Welding，即ERW)、直縫埋弧焊管(Longitudinally Submerged Arc Welding，即LSAW)、螺旋縫埋弧焊管(Spirally Submerged Arc Welding，即SSAW)等4種。其中，LSAW按成型方式的不同分為UOE、JCOE、RBE、CFE、PFE等10余種。
    UOE制管工藝是1951年由美國(guó)國(guó)家鋼鐵公司(U.S.Steel)首先使用的。1968～1976年得到較大發(fā)展?，F(xiàn)代UOE機(jī)組“O”型壓力機(jī)的能力達(dá)到(5～6)×104t，可生產(chǎn)外徑1420mm、壁厚達(dá)40mm的鋼管。這種工藝投資高、產(chǎn)量大，適合單一規(guī)格大批量生產(chǎn)，但在小批量、多規(guī)格的場(chǎng)合則靈活性較差。為此，1976年以后發(fā)展了許多不采用UO成型的直縫埋弧焊管制造工藝。近年來(lái)比較注目的是德國(guó)開發(fā)的PFP成型法，又稱“漸進(jìn)式JCO成型技術(shù)”。這種工藝比較靈活，能夠兼顧大批量與小批量、大管徑與小管徑，適合中等規(guī)模企業(yè)。
2.2 螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管的比較與選擇
    由于無(wú)縫鋼管和ERW鋼管尺寸的限制，主干線(一般管徑較大)主要采用LSAW(過(guò)去以UOE為主)和SSAW。而在高壓輸送管道主干線選用SSAW阻力很大。
    通過(guò)對(duì)加拿大等少數(shù)使用SSAW的國(guó)家考察后我們認(rèn)為，SSAW和LSAW都采用雙面埋弧焊，焊接接頭質(zhì)量應(yīng)該可以達(dá)到同樣水平。SSAW和LSAW的主要區(qū)別是焊縫的長(zhǎng)度和走向：SSAW的焊縫較LSAW長(zhǎng)，焊縫缺陷的幾率較高，這是SSAW的劣勢(shì)；SSAW焊縫與管道主應(yīng)力方向有一定角度，使焊縫缺陷當(dāng)量長(zhǎng)度縮短(對(duì)單個(gè)缺陷而言，危險(xiǎn)性減小)，這又是SSAW的優(yōu)勢(shì)。上述劣勢(shì)與優(yōu)勢(shì)大體上可以相互抵消。SSAW的焊縫走向及母材的特殊方向性，對(duì)止裂是有利的。
    1998年，中石油石油管材研究所和石油規(guī)劃設(shè)計(jì)總院共同對(duì)國(guó)產(chǎn)SSAW和進(jìn)口LSAW(UOE)進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)論是：
    1) 國(guó)產(chǎn)SSAW母材、焊縫、熱影響區(qū)的強(qiáng)度、韌性[包括低溫韌性、FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)、DWTT]和疲勞性能(包括σ-1、da/dN、△Kth和Nf)都達(dá)到了進(jìn)口UOE焊管水平。
    2) 國(guó)產(chǎn)SSAW的殘余拉應(yīng)力總體上比進(jìn)口UOE焊管高，表面質(zhì)量與尺寸精度也較UOE差。
    3) 經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制的國(guó)產(chǎn)SSAW可以用于油氣輸送主干線。建議一、二類地區(qū)采用SSAW，三、四類地區(qū)采用LSAW。
    4) 國(guó)產(chǎn)SSAW若能采取措施，進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力，提高尺寸精度，其質(zhì)量水平和安全可靠性的可以全面達(dá)到進(jìn)口UOE水平。
    2000年以來(lái)，承擔(dān)西氣東輸工程制管任務(wù)的寶雞、青縣等6個(gè)焊管廠對(duì)各自的螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)線進(jìn)行了大規(guī)模的技術(shù)改造，包括創(chuàng)立了低殘余應(yīng)力成型法，研制成功了螺旋縫焊管管端擴(kuò)徑裝置。新生產(chǎn)線生產(chǎn)的螺旋埋弧焊管的殘余應(yīng)力狀況優(yōu)于經(jīng)過(guò)機(jī)械擴(kuò)徑的UOE焊管，可在螺旋焊管內(nèi)表面形成有利的殘余壓應(yīng)力；經(jīng)管端擴(kuò)徑的螺旋焊管管端尺寸精度(外徑公差、圓度等)與進(jìn)口UOE焊管相當(dāng)。經(jīng)對(duì)西氣東輸工程使用的157×104t焊管質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，管體和焊縫、熱影響區(qū)的力學(xué)性能指標(biāo)(包括低溫韌性)，國(guó)產(chǎn)螺旋焊管與進(jìn)口UOE焊管處于同一水平；而全尺寸水壓爆破試驗(yàn)的爆破應(yīng)力，國(guó)產(chǎn)螺旋焊管還略優(yōu)于進(jìn)口UOE焊管。這說(shuō)明，國(guó)產(chǎn)螺旋焊管的安全可靠性不亞于進(jìn)口UOE焊管。
    經(jīng)過(guò)近年來(lái)的科研攻關(guān)和西氣東輸、陜京二線及西氣東輸二線的工程實(shí)踐，我國(guó)輸氣管道行業(yè)突破了國(guó)際上螺旋縫埋弧焊管的使用禁區(qū)，確立了具有中國(guó)特色的“大口徑高壓輸送主干線螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管聯(lián)合使用”的技術(shù)路線。
3 高壓輸氣管道動(dòng)態(tài)斷裂及止裂韌性預(yù)測(cè)
    20世紀(jì)60年代以前，由于冶金水平的局限，管材韌脆轉(zhuǎn)化溫度較高，經(jīng)常發(fā)生脆性斷裂事故。20世紀(jì)70年代以后，隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，脆性斷裂事故基本消除，經(jīng)常發(fā)生的是延性斷裂事故。輸氣管的斷裂往往導(dǎo)致災(zāi)難性后果。裂紋擴(kuò)展越長(zhǎng)，后果越嚴(yán)重。保障高壓輸氣管道本質(zhì)安全性，首要的措施是延性斷裂的止裂控制。
3.1 高壓輸氣管道延性斷裂止裂控制研究進(jìn)展
    近30年來(lái)，如何判定輸氣管道延性斷裂止裂所需要的韌性一直是研究的熱點(diǎn)[7～8]。許多機(jī)構(gòu)建立了自己的模型和公式。其中，Battelle雙曲線法和Battelle簡(jiǎn)化方程得到最廣泛的應(yīng)用。Battelle雙曲線法的原理是比較裂紋擴(kuò)展速率隨壓力變化曲線(J曲線，材料阻力曲線)和氣體減壓速率隨壓力變化曲線，從而預(yù)測(cè)出止裂韌性。當(dāng)這兩條曲線相切，代表的是裂紋擴(kuò)展與停止裂紋擴(kuò)展的臨界條件，與此條件相對(duì)應(yīng)的韌性被規(guī)定為Battelle Two Curve方法的止裂韌性。Battelle簡(jiǎn)化方程采用環(huán)向應(yīng)力、直徑及壁厚等參數(shù)來(lái)表征止裂韌性。它是在對(duì)Battelle Two Curve方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。后來(lái)，根據(jù)全尺寸鋼管爆破試驗(yàn)結(jié)果對(duì)此方程進(jìn)行了進(jìn)一步的修正。
    Battelle雙曲線法及其簡(jiǎn)化方程成功地對(duì)X70及更低鋼級(jí)的全尺寸爆破試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋。然而隨著輸送壓力的提高和高鋼級(jí)管線鋼的應(yīng)用，這些模型和方程已不能夠正確地預(yù)測(cè)止裂韌性。為了擴(kuò)大Battelle雙曲線法與Battelle簡(jiǎn)化方程的可用性，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果采用修正系數(shù)給予修正。近期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，X120管線鋼已不能單靠材料韌性解決止裂問(wèn)題，必須使用止裂環(huán)。X100鋼級(jí)處于臨界狀態(tài)，當(dāng)服役條件相當(dāng)嚴(yán)酷——比如輸送富氣、采用高的設(shè)計(jì)系數(shù)和低的設(shè)計(jì)溫度，則應(yīng)使用止裂環(huán)。
   止裂韌性預(yù)測(cè)的研究動(dòng)向：
   Wikowski試圖通過(guò)CVN(Charpy V-notch)、標(biāo)準(zhǔn)缺口DWTT和預(yù)裂紋DWTT能量的關(guān)系找出有效止裂韌性值。
    Leis提出當(dāng)預(yù)測(cè)值超過(guò)94J時(shí)，采用如下修正公式：CVN=CVNBMI+0.002CVNBMI2.04-21.18。
    為了增加安全性，Leis提出指數(shù)2.04可以用2.1代替。
    美國(guó)西南研究院、意大利CSM(Centro Sviluppo Materiali S.P.A.)等機(jī)構(gòu)提出輸氣管道縱向裂紋擴(kuò)展問(wèn)題的計(jì)算模型，并用裂紋尖端張開角(CTOA)作為對(duì)管道動(dòng)態(tài)延性裂紋擴(kuò)展和止裂的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。
    日本提出了HLP(High Strength Line Pipe Cornmittee in The Iron and Steel Institute of Japan)方法。該方法保留了Battelle方程的基本形式，用單位面積上的預(yù)裂紋DWTT能代替Battelle Two Curve方法的CVN能來(lái)表征材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力，并對(duì)裂紋擴(kuò)展速率方程的常數(shù)和指數(shù)進(jìn)行了修正，據(jù)稱比Battelle方法更可靠。
3.2 西氣東輸一、二線管道延性斷裂止裂韌性的預(yù)測(cè)
    西氣東輸一線采用Battelle簡(jiǎn)化公式預(yù)測(cè)了止裂韌性。
    西氣東輸二線管道延性斷裂止裂控制面臨的挑戰(zhàn)是：鋼級(jí)更高，管徑和壁厚更大，特別是輸送的天然氣組分近于富氣(雙相)[9～10]。預(yù)測(cè)西二線止裂韌性值采用的氣體組分見表1。
    新頒布的ISO 3183 2007中給出了幾種常用的止裂韌性預(yù)測(cè)方法的適用范圍(見表2)?？梢?，對(duì)于西二線，只有Battelle雙曲線法適用。ISO 3183—2007進(jìn)一步指出，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果大于100J時(shí)，應(yīng)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。而修正系數(shù)是由已經(jīng)進(jìn)行的全尺寸實(shí)物爆破試驗(yàn)結(jié)果確定的。由圖4得出西二線止裂韌性修正系數(shù)為1.43。幾種預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

    西二線埋地管道管體止裂韌性預(yù)測(cè)全部結(jié)果：西段1類地區(qū)(12MPa，壁厚18.4mm)CVN平均最小值220J，單個(gè)最小值170J；東段1類地區(qū)(10MPa，壁厚15.3mm)CVN平均最小值200J，單個(gè)最小值150J。2、3、4類地區(qū)：平均最小值180J，單個(gè)最小值140J。CVN剪切面積：平均最小值85%，單個(gè)最小值70%。夏比沖擊試驗(yàn)溫度：-10℃。
表1 預(yù)測(cè)西二線止裂韌性值采用的氣體組成表    %(體積分?jǐn)?shù))
計(jì)算用氣體組分
C1
C2
C3
iC4
nC4
iC5
nC5
C6
C7
CO2
N2
G1
92.14
3.55
1.40
0.40
0.40
0.2
0.2
0.11
/
0.2
1.40
G2
92.14
4.35
1.00
0.30
0.30
0.1
0.1
0.11
0.09
0.1
1.41
G3
92.00
4.50
1.50
0.40
0.40
0.2
0.2
0.20
/
0.1
0.50
土庫(kù)曼斯坦氣實(shí)際組分1)
92.55
3.96
0.34
0.12
0.09
/
/
/
/
1.9
0.85
注：1)表中部分?jǐn)?shù)據(jù)由實(shí)際結(jié)果4舍5入而得。
表2 ISO 3183—2007規(guī)定的幾種常用止裂韌性預(yù)測(cè)方法的適用范圍表
止裂韌性預(yù)測(cè)方法
適用范圍
鋼級(jí)
輸送壓力/MPa
管徑(D)/壁厚(t)
介質(zhì)
Battelle簡(jiǎn)化公式
≤X80
≤7.0
40＜D/t＜115
單相氣體
Battelle雙曲線法
≤X80
≤12.0
40＜D/t＜115
單相或富氣
AISI公式
≤X70
/
D≤1219；t≤18.3
單相氣體
EPRG指南
/
≤8.0
D＜1430；t＜25.4
單相氣體
注：表中管徑和壁厚的單位均為mm。
4 強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)段基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)及抗大變形鋼管的應(yīng)用
    西氣東輸二線管道沿線經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的強(qiáng)震區(qū)(地震峰值加速度0.2g以上，其中峰值加速度0.3g的地段約96km)和22條活動(dòng)斷層。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，這些地區(qū)的管道將產(chǎn)生較大的位移，必須進(jìn)行應(yīng)變控制，即進(jìn)行基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)，并同時(shí)采用抗大變形管線鋼。
4.1 強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)管段基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法
    中石油《西氣東輸二線工程關(guān)鍵技術(shù)研究》重大專項(xiàng)設(shè)置課題研究了西二線基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了抗大變形管線鋼的研究與開發(fā)。中石油規(guī)劃設(shè)計(jì)總院和管道設(shè)計(jì)院編制了《西氣東輸二線管道工程強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)段埋地管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)導(dǎo)則》[10～11]?；趹?yīng)變的管道設(shè)計(jì)流程如圖5所示。核心環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)應(yīng)變小于等于極限應(yīng)變/安全系數(shù)。此處的極限應(yīng)變就是鋼管應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的屈曲應(yīng)變。它可以直接由鋼管實(shí)物試驗(yàn)測(cè)出，也可由經(jīng)驗(yàn)公式、ECA(Engineer Critical Assessment)、寬板試驗(yàn)等確定。
    西二線天然氣管道用焊管技術(shù)條件是在API Spec 5L(43版)基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充修改而成，其中包括《西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件》。由于該管線在地震斷裂帶以及可能發(fā)生地層移動(dòng)的地區(qū)采用了基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)，相應(yīng)的需要采用具有特殊要求的抗大變形鋼管。為了明確大變形鋼管的性能要求和檢驗(yàn)方法，中石油管材研究所編制了《西氣東輸二線天然氣管道工程基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的直縫埋弧焊管技術(shù)條件》，作為對(duì)《西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件》的補(bǔ)充。

4.2 抗大變形管線鋼管的應(yīng)用
   對(duì)于基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)地區(qū)使用的鋼管來(lái)說(shuō)，不僅要考慮普通地區(qū)使用鋼管的強(qiáng)度和韌性等要求，還要對(duì)鋼管的縱向變形能力作出規(guī)定，即對(duì)縱向拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線和塑性變形容量指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定[12]。
典型的管線鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線有Luders elongation型及Round house型兩種，如圖6所示。研究表明，Round house型管線鋼的變形能力優(yōu)于Luders elongation型管線鋼[12]，其屈曲應(yīng)變遠(yuǎn)高于Luders elongation型管線鋼。
 

   鋼管的屈曲應(yīng)變決定于其應(yīng)力應(yīng)變曲線。不同鋼管的應(yīng)力應(yīng)變曲線是不同的?？刂其摴軕?yīng)力應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)捷方法是對(duì)那些描述應(yīng)力應(yīng)變行為的指標(biāo)進(jìn)行控制。與鋼管屈曲應(yīng)變相關(guān)的性能指標(biāo)包括屈強(qiáng)比、均勻變形延伸率、形變硬化指數(shù)、應(yīng)力比等。
   屈強(qiáng)比反映鋼管在施工或運(yùn)行中抵御意外破壞的能力。屈強(qiáng)比較低時(shí)，表明抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度之差較大，當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度前，會(huì)發(fā)生較大的塑性變形。塑性變形的結(jié)果，一方面使裂紋尖端的應(yīng)力水平降低(應(yīng)力松弛)，另一方面會(huì)造成材料的強(qiáng)化；而且鋼管發(fā)生較大的塑性變形時(shí)可及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，以便采取有效的預(yù)防失效措施。屈強(qiáng)比越低，鋼管在屈服后產(chǎn)生起始塑性變形到最后斷裂前的形變?nèi)萘吭酱蟆?/span>
鋼管在塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的形變強(qiáng)化，可以阻止進(jìn)一步變形的發(fā)生，防止變形的局部集中。這一過(guò)程可以通過(guò)形變強(qiáng)化指數(shù)表征。提高管材的形變強(qiáng)化指數(shù)是提高輸送管變形能力的有效途徑(圖7)[13～14]。對(duì)于具有較高變形能力的管線鋼，其形變強(qiáng)化指數(shù)一般大于0.1。
 

    形變強(qiáng)化指數(shù)在測(cè)試上有一定難度。為了在生產(chǎn)中便于控制，用控制應(yīng)力比的方法來(lái)代替形變強(qiáng)化指數(shù)控制。應(yīng)力比是對(duì)應(yīng)兩個(gè)應(yīng)變水平的應(yīng)力的比值，如Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0等。這是描述應(yīng)力應(yīng)變行為的一個(gè)重要方法。由于變形能力較強(qiáng)的鋼管與普通鋼管拉伸曲線的主要區(qū)別是在屈服初期，所以Rt1.5/Rt0.5可能更能描述二者之間的區(qū)別(圖8)。
 

    延伸率越高，鋼管的變形能力越好。在總延伸率中，均勻塑性變形延伸率的大小對(duì)鋼管變形能力的貢獻(xiàn)更大。一般情況下，具有良好變形能力的高鋼級(jí)管線鋼的均勻塑性變形延伸率超過(guò)7%。
    抗大變形管線鋼既要有足夠的強(qiáng)度，又必須有足夠的變形能力，其組織一般為雙相或多相，硬相為管線鋼提供必要的強(qiáng)度，軟相保證了足夠的塑性。如日本開發(fā)的抗大變形鋼系列，組織為鐵素體+貝氏體、貝氏體+MA。
隨著硬相比例增加，管線鋼強(qiáng)度提高，如鐵素體+貝氏體管線鋼，隨著貝氏體體積分?jǐn)?shù)增加到30%左右，屈服平臺(tái)消失，屈服現(xiàn)象為Round house型，且當(dāng)貝氏體為長(zhǎng)條型時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)達(dá)到0.12[15]。而對(duì)于貝氏體+MA管線鋼，MA體積分?jǐn)?shù)在5%左右時(shí)屈強(qiáng)比最低，韌性最好。
用于西二線的抗大變形鋼管已試制成功。表4是西二線抗大變形管線鋼技術(shù)條件對(duì)縱向拉伸性能的要求。表5為外徑1219mm、壁厚22mm X80HD2鋼管的縱向拉伸性能測(cè)試結(jié)果。圖9為其縱向拉伸曲線。根據(jù)此拉伸曲線，利用FEM(Finite Element Method)方法進(jìn)行壓縮和彎曲載荷下的應(yīng)變能力計(jì)算，結(jié)果見表6。
 

表4 西二線抗大變形鋼縱向拉伸性能要求表
鋼級(jí)代號(hào)
屈服強(qiáng)度(Rt0.5)/MPa
抗拉強(qiáng)度(Rm)/MPa
屈強(qiáng)比(Rt0.5)/MPa
均勻變形伸長(zhǎng)率(UEL)/%
應(yīng)力比(Rt1.5/ Rt0.5)
拉伸曲線形狀(全曲線)
min
max
min
max
max
max
min
X80HD1
530
650
625
825
0.88
6.0
1.07
應(yīng)為Round house曲線形狀
X80HD2
530
630
625
825
0.85
7.0
1.10
應(yīng)為Round house曲線形狀
表5 外徑為1219mm、壁厚為22mm X80HD2鋼管的縱向拉伸性能測(cè)試結(jié)果表
抗拉強(qiáng)度(Rm)/MP
屈服強(qiáng)度(Rt0.5)/MPa
屈強(qiáng)比(Rt0.5)/Rm
伸長(zhǎng)率(A)/%
均勻變形伸長(zhǎng)率(UEL)/%
Rt1.5/Rt0.5
724
580
0.80
43.0
8.1
1.17
表6 外徑為1219mm、壁厚為22mm X80HD2鋼管縱向變形能力表
規(guī)格
外徑/壁厚
壓縮應(yīng)變/%
彎曲應(yīng)變/%
10MPa
12MPa
10MPa
12MPa
HD2
1219/22.0
0.983
1.10
1.405
1.550
5 高鋼級(jí)管道的腐蝕控制和應(yīng)變時(shí)效控制
    西二線的外防腐與西一線相同，仍采用3層PE(Polyethylene)。但由于X80焊管強(qiáng)度較高，制管成型過(guò)程的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致250℃涂敷防腐層時(shí)發(fā)生應(yīng)變時(shí)效，從而使屈服強(qiáng)度上升，屈強(qiáng)比升高，影響焊管的變形能力和管道的安全性。西二線的腐蝕控制牽涉到焊管的應(yīng)變時(shí)效控制。
    應(yīng)變時(shí)效是鋼經(jīng)過(guò)冷塑性變形后，在室溫長(zhǎng)時(shí)間放置或稍加熱后，其力學(xué)性能發(fā)生變化(通常是屈服強(qiáng)度增高，屈強(qiáng)比提高，并伴有塑性和韌性降低)現(xiàn)象。原因是存在于鋼中的溶質(zhì)組元如C、N原子通過(guò)擴(kuò)散在位錯(cuò)周圍偏聚，形成柯氏(Cottrell)氣團(tuán)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得困難，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度升高。圖10為X80鋼管在不同時(shí)效條件下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化情況。由圖10可見，隨著時(shí)效溫度升高和時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼管的抗拉強(qiáng)度變化不明顯，但屈服強(qiáng)度則明顯上升。在實(shí)際防腐過(guò)程中，時(shí)間一般只有5min左右。而從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，防腐溫度在200℃以下時(shí)，屈服強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化。因此可以規(guī)定防腐時(shí)的加熱溫度不宜超討200℃。
 

    在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，中石油工程技術(shù)研究院已經(jīng)研制了適用于較低溫度(小于等于200℃)涂敷的3PE外防腐涂料和涂敷工藝。
6 結(jié)束語(yǔ)
    1) 提高管線鋼管鋼級(jí)和輸送壓力是國(guó)際上天然氣管道建設(shè)強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)。過(guò)去，我國(guó)天然氣管道普遍采用A3、16Mn等低強(qiáng)度鋼管和不超過(guò)4MPa的設(shè)計(jì)壓力，經(jīng)濟(jì)效益較低。2000年，西氣東輸管道工程采用X70鋼級(jí)和10MPa設(shè)計(jì)壓力，跟上了發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐；現(xiàn)在，西氣東輸二線干線全部采用XS0鋼級(jí)，西段采用12MPa的設(shè)計(jì)壓力，使我國(guó)天然氣管道建設(shè)跨上了新臺(tái)階。西氣東輸和西氣東輸二線管道工程的設(shè)計(jì)壓力和鋼管的強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到或領(lǐng)先于同時(shí)期的國(guó)際先進(jìn)水平。
    2) 西氣東輸和西氣東輸二線管道工程的幾項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步：①研制并大規(guī)模開發(fā)了針狀鐵素體型X70、X80鋼級(jí)高性能管線鋼及焊管、管件；②突破國(guó)際上螺旋縫埋弧焊管的使用禁區(qū)，確立了具有中國(guó)特色的“大口徑高壓輸送干線螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管聯(lián)合使用”的技術(shù)路線；③在國(guó)內(nèi)首次研究了高壓輸氣管道動(dòng)態(tài)斷裂與止裂問(wèn)題，采用Battelle簡(jiǎn)化公式或Battelle雙曲線模型預(yù)測(cè)了西氣東輸和西氣東輸二線等管道延性斷裂的止裂韌性；④在國(guó)內(nèi)首次研究了油氣管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，解決了該設(shè)計(jì)方法及抗大變形管線鋼管在強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷裂層管段應(yīng)用的技術(shù)難題；⑤研究解決了高強(qiáng)度焊管的腐蝕控制和應(yīng)變時(shí)效控制技術(shù)。
    3) 近年來(lái)，我國(guó)輸氣管道技術(shù)發(fā)展迅速。就高壓輸送和高鋼級(jí)焊管的工程實(shí)踐而言，我國(guó)已躋身國(guó)際上領(lǐng)跑者的行列。但就輸氣管道建設(shè)的整體技術(shù)，特別是高壓輸送和高鋼級(jí)焊管應(yīng)用的基礎(chǔ)研究方面而言，我們?nèi)詫俑櫻芯侩A段，與發(fā)達(dá)國(guó)家之間還有一定的差距。
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(本文作者：李鶴林 吉玲康 田偉 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所)