趙新偉1,2 池強1,2 張偉衛(wèi)1,2 李麗鋒1,2 楊鋒平1,2

1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室

摘 要： 在西氣東輸二線X80管線鋼管研究開發(fā)和建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量試驗研究和計算分析，進一步優(yōu)化了OD（外徑） 1 422 mm X80管線鋼管化學(xué)成分和機械性能試驗方法，提出了OD 1 422 mm X80鋼管的關(guān)鍵性能指標(biāo)，制定了中俄天然氣管道工程用OD 1 422 mm X80鋼管的技術(shù)條件。從管道刺穿抗力、失效概率、個體風(fēng)險等方面，計算并對比分析了OD 1 422 mm X80和OD 1 219 mm X80管道的風(fēng)險水平，分析結(jié)果為選擇中俄東線設(shè)計方案提供了決策參考。聯(lián)合國內(nèi)鋼鐵和制管企業(yè)，成功開發(fā)并試制了OD 1 422 mm X80鋼管產(chǎn)品，產(chǎn)品性能滿足中俄東線天然氣管道用鋼管技術(shù)條件。

關(guān)鍵詞： OD 1 422 mm X80管線鋼管； 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)； 管道風(fēng)險水平； 產(chǎn)品試制； 中俄天然氣管道工程

天然氣管道設(shè)計和建設(shè)中，在不影響管道安全可靠性的前提下，如何最大限度地降低管道建設(shè)成本和提高管道輸送效率，一直備受管道建設(shè)投資者和管道運營企業(yè)的關(guān)注。與X70鋼管相比，西氣東輸二線采用管徑為1 219 mm、壓力為12 MPa的X80鋼管，節(jié)約了10%鋼材，降低了成本，但其經(jīng)濟輸量范圍為（250～300）×108 m3/a，最經(jīng)濟輸量為280×108 m3/a，最大輸氣量只能達到330×108m3/a，不能滿足中俄東線天然氣管道、西氣東輸四線及五線等超大輸量（超過400×108 m3/a）管道的建設(shè)需求。通過技術(shù)經(jīng)濟綜合分析，可主要采取三種技術(shù)方案提高管輸效率和降低管道建設(shè)成本：一是管道設(shè)計系數(shù)和規(guī)格不變，采用X90/X100超高強度鋼管；二是設(shè)計系數(shù)和鋼級不變，管徑增至1 422 mm；三是管道規(guī)格和鋼級不變，設(shè)計系數(shù)由0.72提高到0.80。為滿足超大輸量天然氣管道建設(shè)需求，從“十二五”開始，中國石油天然氣集團公司設(shè)立重大科技專項，組織開展了第三代大輸量天然氣管道工程關(guān)鍵技術(shù)的研究攻關(guān)，上述三種技術(shù)方案都取得了重要突破[1-7]。其中，制定了OD（外徑）1 422 mm X80鋼管板材、管材技術(shù)條件，成功開發(fā)試制了OD 1 422 mm X80鋼管（包括HSAW和LSAW）以及配套的彎管和管件，開展了OD 1 422 mm X80管道安全可靠性和風(fēng)險評估，為中俄東線天然氣管道工程建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 OD1 422 mm X80管線鋼管關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

在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》和西氣東輸二線1 219 mm X80管道建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，借鑒API SPEC 5L―2012《管線鋼管規(guī)范》的最新成果，結(jié)合中俄東線天然氣管道工程的具體特點，對OD 1 422 mm X80管線鋼及鋼管的各項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行研究，優(yōu)化了X80鋼管化學(xué)成分和力學(xué)性能試樣取樣位置，計算并確定了鋼管韌性指標(biāo)CVN要求值，制定了中俄東線天然氣管道工程用外徑1 422 mm X80管材技術(shù)條件。

1.1 化學(xué)成分優(yōu)化

在西氣東輸二線等重大管道工程建設(shè)的推動下， X80管線鋼得到了大量應(yīng)用，國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身的特點，開發(fā)出了多種合金體系的X80管線鋼，其化學(xué)成分差異較大，甚至同一企業(yè)在不同階段生產(chǎn)的管線鋼化學(xué)成分也有很大差異[8]。這種化學(xué)成分上的較大差異，會降低焊接工藝和焊材的適用性，增加管道現(xiàn)場焊接難度，加劇焊縫力學(xué)性能波動，并可能會給管道服役帶來安全隱患。對于壁厚20 mm以上的X80管線鋼，這一問題尤為突出。為了解決這一難題，在西二線 X80管線鋼應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過試驗研究，進一步優(yōu)化X80管線鋼化學(xué)成分，縮小化學(xué)成分波動范圍，從而穩(wěn)定X80管線鋼管質(zhì)量和現(xiàn)場焊接工藝窗口，提高管線本質(zhì)安全。對OD 1 422 mm X80管線鋼采用低C、 Mn成分設(shè)計，并加入適量的Mo、 Ni、 Nb、 V、 Ti、 Cu、Cr等元素。經(jīng)對西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)果進行研究分析發(fā)現(xiàn) ，管線鋼中C、 Mn、 Nb的劇烈波動（圖 1～3），對焊接性能有較大影響。管線鋼中C是增加鋼強度的有效元素，但是它對鋼的韌性、塑性和焊接性有負面影響[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含量過低則需要加入更多的其它合金元素來提高管線鋼的強度，使冶煉成本增高[10]。綜合考慮經(jīng)濟和技術(shù)因素， C含量應(yīng)控制在0.05%～0.07%之間。

圖 1  X80鋼管的C含量分布統(tǒng)計

圖 2  X80鋼管的Mn含量分布統(tǒng)計

圖 3  X80鋼管的Nb含量分布統(tǒng)計

為保證管線鋼中低C含量，避免引起其強度損失，需要在管線鋼中加入適量的合金元素，如Mn、Nb、 Mo等。 Mn的加入引起固溶強化，從而提高管線鋼的強度。 Mn在提高強度的同時，還可以提高鋼的韌性，但有研究表明Mn含量過高會加大控軋鋼板的中心偏析，對管線鋼的焊接性能造成不利影響[11]。因此，根據(jù)板厚和強度的不同要求，管線鋼中Mn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，能通過晶粒細化、沉淀析出強化作用改善鋼的強韌性。過低的Nb含量，在焊接熱循環(huán)過程中不能有效抑制熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大，導(dǎo)致相變時產(chǎn)生大尺寸的塊狀M/A和粒狀貝氏體產(chǎn)物，使韌性惡化。過高的Nb含量，在焊接熱循環(huán)過程中會導(dǎo)致較大尺寸的沉淀析出，并使晶粒均勻性惡化，也會損害熱影響區(qū)韌性 [12,13]。研究表明， Nb含量控制在0.030%～0.075%比較合理。 依據(jù)研究結(jié)果，并組織冶金、材料和焊接領(lǐng)域?qū)＜矣懻搮f(xié)商，對OD 1422mm X80管材C、Mn、Nb、Cr、Mo、Ni的含量進行了約定。確定管線鋼中C、Mn、Nb含量的目標(biāo)值分別為0.060% 、 1.75% 、 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%�？紤]到生產(chǎn)控制偏差、檢測誤差及經(jīng)濟性， 規(guī)定OD 1 422 mm X80管材C含量不大于0.070%， Mn含量不大于1.80%。直縫鋼管Nb、Mo、Ni的含量范圍分別為0.04%～ 0.08%、0.08%～0.30%、0.10%～0.30%；螺旋縫鋼管中Nb、Cr、Mo、Ni的含量范圍分別為0.05%～0.08% 、 0.15%～0.30% 、 0.12%～0.27%、0.15%～0.25%。表1給出了確定的OD1 422 mm X80管材化學(xué)成分含量的要求。

1.2 力學(xué)性能測試試樣的取樣位置

西氣東輸二線工程之前，油氣管道用螺旋縫埋弧焊鋼管的管徑均小于1 219 mm，為了取樣方便，熱軋板卷力學(xué)性能測試試樣取樣位置均要求與板卷軋制方向成30°。力學(xué)性能測試試樣的取樣角度與板寬和鋼管管徑的關(guān)系如公式（1）。

sinα ＝B /πD  （1）

式中,α 為螺旋角，°； B 為板寬， mm； π 為圓周率； D 為鋼管外徑， mm。

按目前主流熱軋板卷產(chǎn)品寬度1 500～1 600 mm計算，管徑1 219 mm、 1 422 mm的螺旋縫埋弧焊管，熱軋板卷的取樣角度分別為23.1°～24.7°、19.6°～21.0°。因此， OD 1 422 mm的螺旋縫埋弧焊管，與板卷軋制方向成20°取樣，更符合實際情況。圖 4和圖 5給出了實際生產(chǎn)的熱軋板卷在20°和30°位置取樣測得的力學(xué)性能結(jié)果對比�？梢钥闯雠c軋制方向夾角20°位置的屈服強度、抗拉強度、 DWTT（落錘撕裂試驗）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。因此在中俄東線天然氣管道工程中檢測取樣位置更改為與軋制方向成20°位置。

圖 4 熱軋板卷20°和30°位置的拉伸性能對比

圖 5 熱軋板卷20°和30°位置的DWTT結(jié)果對比

1.3 鋼管焊縫及熱影響區(qū)啟裂韌性指標(biāo)

大量的油氣管道失效事故統(tǒng)計分析表明，焊管啟裂一般均發(fā)生在鋼管焊縫或熱影響區(qū)，因此選擇焊接接頭斷裂韌性作為焊管啟裂韌性指標(biāo)。在國際上，通常假設(shè)鋼管焊縫或熱影響區(qū)存在深度為t /4（t 為鋼管壁厚）的表面裂紋缺陷，采用斷裂力學(xué)分析方法獲得裂紋不發(fā)生擴展的臨界斷裂韌性值，將此臨界斷裂韌性值作為焊管的啟裂韌性指標(biāo)。

鋼管管徑1 422 mm，設(shè)計壁厚21.4 mm，輸送壓力12 MPa，鋼級X80，設(shè)計系數(shù)取0.72，屈服強度、抗拉強度分別取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值555 MPa、625 MPa。假定裂紋深度 a =5.35 mm，將表面裂紋分為軸向半橢圓外表面裂紋、軸向半橢圓內(nèi)表面裂紋、軸向外表面長裂紋、軸向內(nèi)表面長裂紋4種類型，分析不同裂紋長度下焊接接頭斷裂韌性敏感性。由于斷裂韌性測試費用高且周期長，為了便于工程應(yīng)用，利用API 579-1―2007/ASME FFS-1―2007《Fitness-forservice-second edition》推薦的斷裂韌性指標(biāo)KC與夏比沖擊功CVN的經(jīng)驗關(guān)系式，將KC指標(biāo)轉(zhuǎn)化為CVN指標(biāo)。

4種類型裂紋中，軸向內(nèi)表面長裂紋最為苛刻，即在同樣裂紋長度下，對材料斷裂韌性的要求最高。為保守起見，基于軸向內(nèi)表面長裂紋的敏感性分析結(jié)果（圖 6）來確定管徑1 422 mm的X80焊管焊接接頭斷裂韌性指標(biāo)。最終，根據(jù)分析結(jié)果，為了確保管道安全，鋼管焊縫和熱影響區(qū)啟裂韌性取60 J。上述計算分析是針對一類地區(qū)設(shè)計系數(shù)0.72的鋼管，對二、三、四類地區(qū)鋼管焊縫及熱影響區(qū)也統(tǒng)一 按上述指標(biāo)控制。由于二、三、四類地區(qū)管道設(shè)計系數(shù)更低，因此同樣設(shè)計壓力下管壁更厚，運行過程中管道產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力越低，采用同樣的啟裂韌性，管道更不容易發(fā)生啟裂，這樣處理更加保守，安全裕度更大。

圖 6 不同裂紋長度下焊縫啟裂韌性預(yù)測結(jié)果

1.4 鋼管母材止裂韌性指標(biāo)

為防止天然氣管道開裂后發(fā)生延性裂紋的長程擴展，管材必須有足夠的韌性以保證天然氣管道一旦開裂能在一定長度范圍內(nèi)止裂。隨著鋼級、輸送壓力、管徑及設(shè)計系數(shù)不斷提高，管道的延性斷裂止裂問題也更加突出，是高鋼級管線鋼管應(yīng)用的瓶頸技術(shù)問題。針對中俄東線天然氣管道工程，采用Battelle雙曲線（BTC）方法，并引入修正系數(shù)，計算了一類地區(qū)管徑1 422 mm X80管道止裂的韌性需求，提出了鋼管母材的止裂韌性指標(biāo)。

API SPEC 5L―2012《管線鋼管規(guī)范》推薦了4種鋼管延性斷裂止裂韌性的計算方法，包括EPRG準(zhǔn)則、 Battelle簡化公式、 BTC方法以及AISI方法。對比4種方法的適用范圍（表 2）可見，對于設(shè)計壓力12 MPa、管徑1 422 mm X80的天然氣管道，適宜采用BTC模型并引入修正系數(shù)的方法來計算止裂韌性。

將BTC方法應(yīng)用于中俄東線氣質(zhì)組分（表 3），計算溫度取0 ℃，計算結(jié)果（圖 7）表明，中俄東線氣質(zhì)組分存在明顯的減壓波平臺，止裂韌性CVN計算值為167.97 J。由于BTC方法止裂韌性計算值超過100 J，因此必須進行修正。其中修正系數(shù)的確定來源于X80全尺寸爆破試驗數(shù)據(jù)庫。目前國際上通用的全尺寸爆破試驗數(shù)據(jù)庫如圖 8所示[14,15]，由此確定的中俄東線1 422 mm X80管道止裂韌性修正方法為TGRC2，修正系數(shù)為1.46。經(jīng)過1.46倍的線性修正，將止裂韌性指標(biāo)確定為245 J。需要指出的是，計算并修正后得到的245 J是止裂概率為100%的單根鋼管的韌性要求值。參考美國DOT 49 CFR Part 192的規(guī)定，裂紋能在5～8根鋼管止裂，對應(yīng)的止裂概率達到95%和99%即可。按照這一原則，止裂韌性指標(biāo)確定為245 J應(yīng)該是偏于保守和安全的。

圖 7 管道止裂韌性的BTC方法預(yù)測結(jié)果

圖 8 全尺寸氣體爆破試驗數(shù)據(jù)庫

在OD 1 422 mm X80管線鋼管關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)研究基礎(chǔ)上，制定了中俄東線天然氣管道用OD 1 422 mm X80板材和管材的技術(shù)條件，包括Q/SY GD 0503.1－2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第1部分：X80級螺旋埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》、 Q/SYGD 0503.2－2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第2部分： X80級螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》、 Q/SYGD0503.3－2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第3部分： X80級直縫埋弧焊管用熱軋鋼板技術(shù)條件》和Q/SY GD 0503.3－2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第4部分： X80級直縫埋弧焊管技術(shù)條件》。

2 OD 1 422 mm X80管道風(fēng)險分析

外徑1 422 mm X80管線鋼管作為第三代管線鋼管首次在中俄天然氣管道工程中應(yīng)用，有必要對其風(fēng)險水平做系統(tǒng)的分析和評估。從刺穿抗力、腐蝕和第三方損壞（設(shè)備撞擊）失效概率、個體風(fēng)險等方面分析了OD 1 422 mm X80管道的風(fēng)險水平，并與已經(jīng)大量應(yīng)用的OD 1 219 mm X80管道的風(fēng)險水平做了對比，分析結(jié)果為中俄東線采用OD 1 422 mm X80管線鋼管的設(shè)計方案提供了重要決策依據(jù)。

2.1 管道刺穿抗力

采用Driver和Playdon提出的管道刺穿抗力的半經(jīng)驗估算模型[16]，計算了不同管徑、不同設(shè)計系數(shù)下X80管道的刺穿抗力，結(jié)果如圖 9所示�？梢钥闯觯�在相同操作壓力和設(shè)計系數(shù)下， OD 1 422 mmX80管道比OD 1 219 mm X80管道的刺穿抗力要大，主要因為管道壁厚的增加。以0.72的設(shè)計系數(shù)為例，OD 1 422 mm X80與OD 1 219 mm X80管道相比，刺穿抗力提高約16.7%。在操作壓力、外徑相同的條件下，設(shè)計系數(shù)提高，管道刺穿抗力降低，這是因為，設(shè)計系數(shù)的提高將降低對管道壁厚的需求。

圖 9 不同管徑和設(shè)計系數(shù)下的鋼管刺穿抗力

2.2 管道失效概率

計算了外腐蝕和設(shè)備撞擊兩種風(fēng)險因素下的失效概率。其中，外腐蝕失效與時間相關(guān)，考慮了低腐蝕（0.02 mm/a）和中等腐蝕（0.09 mm/a）兩種腐蝕速率，但未考慮定期檢測、換管和維修對腐蝕失效概率的影響，結(jié)果如圖 10所示。從圖 10可知，兩種腐蝕速率下， OD 1 422 mm X80管道失效概率均低于0.80和0.72設(shè)計系數(shù)的OD 1 219 mm X80管道，這與壁厚較大相關(guān)。

圖 10 管道腐蝕失效概率計算結(jié)果

設(shè)備撞擊是與時間無關(guān)的風(fēng)險因素，失效概率不隨時間變化，如圖 11所示。在第三方損壞預(yù)防措施（地上和地下定位標(biāo)記、尋呼系統(tǒng)、監(jiān)視間隔和方法參照類似管線的設(shè)置）、第三方活動頻率、挖掘設(shè)備參數(shù)相同的情況下，第三方設(shè)備沖擊引起的管道失效概率與管道壁厚相關(guān)。 0.72設(shè)計系數(shù)OD 1 422 mm X80管道設(shè)備撞擊失效概率最低。

圖 11 第三方設(shè)備撞擊管道失效概率計算結(jié)果

2.3 管道風(fēng)險

管道風(fēng)險是失效概率與失效結(jié)果的乘積。相比0.80和0.72設(shè)計系數(shù)下的OD1 219 mm管道，OD 1 422 mm管道刺穿抗力高，失效概率小，但其潛在危害半徑大。從圖 12可見，在距管道中心距離200 m以內(nèi)， OD 1 422 mm管道與兩種設(shè)計系數(shù)下的OD 1 219 mm管道個體風(fēng)險無明顯差別，在200 m以外，個體風(fēng)險的差別有增大的趨勢，這與危害區(qū)域半徑增大相對應(yīng)，且200 m以外為管道非高后果區(qū)，其失效后果低。

圖 12 管道個體風(fēng)險計算結(jié)果

3 OD1 422 mm X80管線鋼管開發(fā)和應(yīng)用情況

結(jié)合中國石油天然氣集團公司重大科技專項“第三代高壓大輸量油氣管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”攻關(guān)，從2013年開始，國內(nèi)寶鋼、首鋼、鞍鋼、太鋼、湘鋼、沙鋼等鋼鐵企業(yè)以及寶雞鋼管公司、渤海裝備公司等制管企業(yè)聯(lián)合開展了21.4 mm/25.7 mm/30.8 mm系列壁厚、外徑1 422 mm的 X80板卷、鋼板及焊管的開發(fā)與試制。 15家鋼鐵和制管企業(yè)，進行了3輪單爐試制，試制產(chǎn)品2 000余噸。 9家鋼鐵和制管企業(yè)開展了小批量試制（千噸級），試制產(chǎn)品14 000余噸（其中壁厚21.4 mm鋼管6 000 t，壁厚25.7 mm鋼管4 000 t，壁厚30.8 mm鋼管4 000 t）。經(jīng)檢驗評價，試制產(chǎn)品的性能滿足中俄東線天然氣管道工程用OD 1 422 mm的 X80鋼管技術(shù)條件要求。試制鋼管的屈服強度為555～668 MPa，抗拉強度為632～745 MPa，母材CVN值為309～486 J，焊縫CVN值為138～259 J，熱影響區(qū)CVN值為90～354 J。試制鋼管經(jīng)過環(huán)焊縫焊評試驗，其環(huán)焊縫性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。小批量試制產(chǎn)品性能穩(wěn)定，已用于中俄東線天然氣管道80 km試驗段工程建設(shè)。目前，OD 1 422 mm X80鋼管已進入大批量生產(chǎn)階段，以滿足中俄東線管道工程建設(shè)需要。

4 結(jié)語

（1）在西氣東輸二線1 219 mm X80管道建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，借鑒API SPEC 5L―2012最新成果，經(jīng)過大量試驗研究和理論計算分析，進一步優(yōu)化了X80管線鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能取樣位置，確定了OD 1 422 mm X80鋼管關(guān)鍵性能指標(biāo)，制定了中俄東線用OD 1 422 mm X80板材和焊管技術(shù)條件，并應(yīng)用于OD 1 422 mm X80板材和焊管的產(chǎn)品開發(fā)與試制。

（2）從管道刺穿抗力、失效概率和個體風(fēng)險等方面，計算分析了OD 1 422 mm X80管道風(fēng)險水平，并與OD 1 219 mm X80管道風(fēng)險水平進行了比較，結(jié)果表明，采用OD 1 422 mm X80設(shè)計方案，風(fēng)險水平并無明顯提高。

（3）通過國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)和制管企業(yè)的聯(lián)合開發(fā)，成功研制了OD 1 422 mm X80鋼管產(chǎn)品，產(chǎn)品性能滿足中俄東線用OD 1 422 mm X80管材技術(shù)條件。小批量試制產(chǎn)品性能穩(wěn)定，滿足中俄東線工程建設(shè)批量生產(chǎn)需要。

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基金項目：中國石油天然氣集團公司重大科技專項“第三代高壓大輸量油氣管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012E-28）。

作者：趙新偉，男， 1969年生，教授級高級工程師，2004年9月畢業(yè)于西安交通大學(xué)并獲博士學(xué)位，石油管工程技術(shù)研究院副院長。長期從事油氣輸送管和管道完整性領(lǐng)域的科研和技術(shù)服務(wù)工作。