油氣集輸與長輸管道工程用管件標準分析

張有渝 傅賀平 熊 皓 宋清安

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

我國油氣工程正處于大規模發展與建設階段，大量的油氣管件投入應用。管件的質量和性能直接影響到工程的安全運行和使用壽命，保證管件質量和性能的關鍵，主要取決于管件標準的內容和標準的正確應用。目前，我國管件標準不同程度地存在諸多值得商榷的技術問題，為此，有必要對現有的標準進行分析、研究和修訂，以制定相應的對策，保證管道設施的安全運行。

1 管件標準涵蓋內容

油氣工程使用的管件包括三通、彎頭、異徑接頭和管帽，其中三通、彎頭規格最多，應用范圍最廣。按受力狀態、力學性能、制造工藝和尺寸條件等方面的要求，三通特別是模壓拔制三通要求最為嚴格。

1.1 管件的性能

管件長期安全與穩定運行是管件設計、制造和安裝的根本要求，而管件標準則是達到這一根本要求的基本保證，管件標準必須對管件質量、性能予以明確規定，至少應包括以下內容：

a）力學性能：在介質內壓和溫度作用下，管件必須具有足夠的強度和剛度。

b）沖擊韌性：判定材料的缺口敏感性和脆性傾向或冶金缺陷，保證管件在外荷載或低溫下有足夠的韌性，不出現斷裂和低溫脆裂［1］。

c）硬度：在含H2S 或硫化物、水、CO2等具有腐蝕性的介質作用下，管件具有較低的應力腐蝕或氫致裂紋概率。

d）金相組織和晶粒度：保證管件應符合性能要求。 e）化學成分：保證原材料滿足管件在制造特別是熱加工和熱處理后的性能要求的基本條件。

1.2 管件的制造工藝

隨著油氣工程的大型化，管件向著高壓、大尺寸、高鋼級、大壁厚方向發展。目前，西氣東輸二線、三線工程設計壓力10 MPa，管道外徑1 219 mm，管件的材質屈服強度最低值555 MPa，相當于X80 鋼級的鋼管/鋼板。在管件原材料為高鋼級、大直徑、大壁厚的條件下，其制造技術必須采用多次加熱、多次模壓拔制或高溫擠壓彎制的工藝，特別是高壓大直徑的三通和彎頭［2］。

管件的原材料鋼管/鋼板，特別是采用控軋控冷工藝（TMCP）生產的高鋼級鋼管/鋼板，在多次長時間高溫加熱或短時高溫加熱并經水急冷的制造工藝作用下，其金相組織和晶粒度會發生相當大的改變，原有的性能特別是力學性能也發生較大的改變（一般表現為較大幅度的降低）。為使管件保持與其原材料相同的性能，成形后的管件需進行相應的熱處理。

管件的結構、尺寸決定了管件的制造工藝，而制造工藝又影響著管件的性能和質量，管件的性能和質量直接關系到油氣工程管件的長期、安全和穩定運行，這種因果關系應在管件標準的內容上明確表述。

管件的制造工藝（含熱處理）決定了管件的性能。對不同規格或材質的管件，應采用不同的制造工藝。而對相同材質和相同規格的管件，采用的制造工藝參數不同，其性能也不同。為保證管件的性能，必須對管件的制造工藝進行明確規定，特別是應力分布復雜、高鋼級大直徑、大厚壁的模壓拔制三通和高壓大直徑彎頭。焊接工程中金屬焊接接頭不可能在焊接后進行破壞性取樣試驗，否則焊接接頭就不能使用了，所以要對擬定的焊接工藝進行試驗和檢測評定，并編制焊接工藝規程，以保證焊接接頭性能和質量。

為了規范焊接工藝評定和焊接工藝規程，國內外均制定了相應的國家或行業標準，如我國的行業標準NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》［3］和NB/T 47015-2011《壓力容器焊接規程》，美國API 標API 1104-2005《管道及有關設施的焊接》。同樣，為規范管件的制造工藝，在管件標準中需提出對管件制造工藝規范（MPS）的要求。

管件標準對管件制造工藝規范（MPS）不僅要有規定，而且應有嚴格細致的程序性要求，使之編制、評定和操作都有章可循，至少應包括：MPS 制訂的程序；MPS 至少應包含的內容；MPS 的評定；MPS 的執行和修改等。

同時，應規定購方對MPS 進行書面認可，監督制造商是否認真執行MPS，保證管件的性能和質量。

1.3 試驗與檢驗

管件成品的試驗與檢驗是保證管件性能和質量的最后環節，其管件試驗與檢驗的要求至少應包含以下內容：

a）管件的性能指標，包括化學成分、力學性能、沖擊試驗、硬度、金相組織和晶粒度，特別對三通和彎頭，還應規定取樣的部位。

b）管件的表面質量。

c）管件不同部位的無損檢測。

d）管件中管體和管端幾何尺寸偏差要求。

上述試驗與檢驗項還應規定相應的檢驗方法，特別是尺寸偏差的檢測，應盡量詳細規定其檢測儀器、工具和方法，獲得準確的檢測值，以保證管件的產品質量，提高管件的現場組裝焊接質量。

在管件標準中，應規定管件試驗與檢驗的組批和頻次要求，否則，管件試驗與檢驗的結果很可能不能準確反映管件的實際性能和質量狀況。此外，還應對管件的缺陷和修補做出明確規定。

2 現行管件標準存在問題分析

2.1 對管件性能的要求

國內油氣工程現行管件標準較多，常用的主要有GB/T 12459-2005 《鋼制對焊無縫管件》［4］、SY/T 0510-2010《 鋼制對焊管件規范》［5］、SY/T 0609-2006《 優質鋼制對焊管件規范》［6］，其他還有SH 管件標準和企業標準/技術規格書。管件的性能要求見表1。

表1 管件的性能要求

從表1 可看出，現行管件標準在對管件性能的要求上極不一致，存在的問題：

a）對管件力學性能：在GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》中作為補充內容列出，而且要在合同中列入并確定合格標準才予以檢驗，這種做法危及管件安全，非常不恰當；SY/T 0510-2010《鋼制對焊無縫管件規范》規定管件力學性能“應滿足相應標準和技術文件的要求”，而其本身就是管件標準，為何還要滿足相應標準。

b）管件沖擊韌性：在GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》中只對低溫作了規定，對設計溫度高于-20℃非低溫鋼則無要求，如果有要求，也要在合同中予以補充，并在合同中對“合格標準”進行明確；而SY/T 0510-2010 《鋼制對焊無縫管件》對管件的沖擊試驗的“合格標準”未進行明確。

c） 管件硬度：SY/T 0609-2006《優質鋼制對焊管件》對此無規定，因此，如果油氣介質具有腐蝕性特別是含S 時，必須在設計中予以補充規定，否則不能用于酸性環境的內部集輸和天然氣凈化裝置。

d）金相：GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》、SY/T 0510-2010《鋼制對焊管件規范》、SY/T 0609-2006《優質鋼制對焊管件規范》正式條文中均未規定，GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》僅在補充檢驗項目中進行了規定，即“當購方有要求時，在合同中予以明確”。對于采用高鋼級的高壓大直徑管件，特別是三通，在多次高溫加熱、模壓拔制時，對管件的金相組織和晶粒度應給予檢驗，并在報告中列出檢驗結果。

綜上所述，設計文件采用管件標準時，特別是采用GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》時，必須對管件的性能要求予以補充，寫出技術協議并作為合同的正式文件予以規定，以保證管件的強度和其他性能。對其他標準，也應根據工程的性質補充相應的技術要求。

2.2 對管件制造工藝的要求

現行管件標準僅對管件成形的制造工藝方法作了粗略的規定，即管件的成形方法不產生有害缺陷，但對管件的制造工藝未作規范化和程序化的規定，也未明確管件按制造工藝規范（MPS）進行制造。因此，從標準執行上難以保證管件制造工藝滿足管件的性能要求，以致運行中管件可能有潛在安全風險。對管件的熱處理，GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》只要求冷加工成形和CrMo 鋼、不銹鋼熱加工成形及碳鋼最終成形溫度低于750℃的三種工藝情況進行管件熱處理，而對其它鋼材和制造工藝（包括成形溫度）加工的管件均不要求熱處理。這種規定，將難以保證管件的性能和質量以及消除管件制造中產生的殘余應力。

2.3 對管件試驗與檢驗的要求

管件的試驗與檢驗應包含試驗與檢驗的項目、試驗與檢驗的頻次和方法及合格評定的標準。GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》僅對管件硬度的檢驗作了規定，要求每批管件抽檢3%且不少于2 件，對合金鋼管件應逐件進行檢驗，而對碳鋼管件硬度檢驗組批含義也未作規定。這種規定的“伸縮性”很大，易使供需雙方產生矛盾。其他性能則無明確的檢驗規定，均應列入補充檢驗條款。當購方提出要求時，應在合同中予以規定，包括檢驗項目、檢驗方法和合格判定標準。

管件試驗與檢驗的頻次是管件標準中的重要內容，不僅包含了管件組批的要求，也包含了每批管件試驗與檢驗的數量，反映了試驗與檢驗的結果是否具有代表性，是否能真實反映被檢的各批次管件的性能和質量。因此，在標準中不僅要提出頻次的規定，而且還要列出檢驗頻次的依據，這是制定標準必須慎重考慮的問題。

2.4 其他問題

2.4.1 管件標準名稱不準確

管件標準名稱應與其內容相一致，讓使用者一目了然。 SY/T 0510-2010《鋼制對焊管件規范》在名稱上規定的是對焊管件，但實際上在規范性引用文件中列入了6 個無縫鋼管標準，如GB 3087、GB 5310、GB 6479 等，在管件尺寸表中又列入了不同規格的小直徑管件，例如DN 15～100 的長半徑彎頭、三通和四通等，顯然，這些管件是用無縫鋼管制作的無縫管件，不屬于對焊管件。因此，管件標準中的名稱必須準確，并與內容相一致。

2.4.2 管件規格不全

我國油氣工程經過多年來的快速發展，管件設計制造技術水平有了很大的提高，滿足了我國油氣工程建設的需要。管件標準列入了大量的管件的規格、尺寸等方面的信息，但對油氣工程上常用的一些管件規格，特別是異徑三通中大直徑主管小直徑支管的三通規格信息則較缺乏。實際上，國內許多管件制造廠都能生產這類管件，因此，管件標準應對這類信息進行補充，以方便管件制造廠與工程設計人員參閱與使用。

2.4.3 管件水壓試驗責任不明確

管件在制造廠一般不要求作水壓試驗，而是在油氣工程的投產前隨工程一起進行水壓試驗，若出現質量問題，制造方應承擔相應的責任，這一點應在管件標準中予以明確規定，以避免供需雙方的分歧和矛盾，但現行標準對此責任均未明確規定。GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》對水壓試驗的壓力規定不嚴謹：所有管件應能經受住與管件材料、公稱尺寸及壁厚等級相同的無縫鋼管，按適用的管道規范所要求的水壓試驗壓力而無泄漏或無損于使用性能的缺陷。很明顯，以無縫鋼管的試驗強度作為與之同材料、同公稱尺寸及壁厚等級的對焊管件壓力試驗的計算試驗壓力值是不嚴謹的規定。

3 結論與建議

油氣工程常用的管件標準在管件性能和質量、管件制造工藝規范及試驗與檢驗等方面應有明確的規定，保證管件滿足設計需求和安全運行。分析結果表明，常用標準或多或少地存在技術性問題，影響了管件設計和使用的安全可靠性，特別是GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》在管件的強度、沖擊韌性、制造工藝規范和檢驗項目、方法及合格評定標準上均存在較嚴重的技術問題，需要認真思考和研究。因此，建議如下：

a）在油氣工程設計和生產運行選用管件標準時，對常用管件標準必須作認真的研究，補充必要的技術要求作為設計文件的組成部分，以保證管件使用的安全性。

b）對正式頒布使用近8 年且在設計制造上已廣泛應用的GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》應盡快進行修訂與完善。修訂時應補充內容：管件材料的入廠復驗；管件性能和質量的明確要求，特別是管件的力學性能和沖擊韌性要求，而不是將其作為補充檢驗項目；管件制造工藝規范（MPS）的規定和確認程序；管件的試驗與檢驗項目、方法和合格評定標準，特別是檢驗頻次的要求；管件的規格、尺寸；管件水壓試驗的責任劃分。

［1］劉瑞堂，劉文博，劉錦云. 工程材料力學性能［M］. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001, 63-64.Liu Ruitang, Liu Wenbo, Liu Jinyun. Mechanics Performance of Engineering Materials［M］. Harbin: Harbin Industrial University Press, 2001. 63- 64.

［2］張有渝，成一宇. 站場用管件設計與制造［J］. 天然氣與石油，2005, 23(4): 44-46.Zhang Youyu, Cheng Yiyu. Design and Manufacture of Fittings Used in Stations［J］. Natural Gas and Oil, 2005, 23 (4): 44-46.

［3］NB/T 47014-2011，承壓設備焊接工藝評定［S］.NB/T 47014-2011, Welding Procedure Qualification for Pressure Equipments［S］.

［4］GB/T 12459-2005，鋼制對焊無縫管件［S］. GB/T 12459-2005, Steel Butt-Welding Seamless Fittings［S］.

［5］SY/T 0510-2010，鋼制對焊管件規范［S］.SY/T 0510-2010, Specification for Steel Butt-Welding Fittings［S］.

［6］SY/T 0609-2006，優質鋼制對焊管件規范［S］.SY/T 0609-2006, Specification for High Quality Steel Butt-Welding Fittings［S］.