基于0.8管道設計系數的X80焊管性能研究*

畢宗岳 ， 張萬鵬 ， 牛 輝 ， 祝少華 ， 趙紅波 ， 牛愛軍

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著大型長距離輸氣管道的建設，管道所經地域越來越復雜，如何根據地域特征合理確定設計系數、保證管道安全可靠，并能節省鋼材與投資費用，是輸氣管道線路設計面臨的新問題。提高管道設計系數可大大節約投資。美國和加拿大等國家自20世紀90年代開始，就已經將設計標準中一級一類地區的設計系數提高到了0.8或0.83， 且在 Alliance、 Rockies Express和 Alaska NG Pipeline等管道設計中采用了這一系數［1］。

設計系數的提高，可提高管線的許用壓力和最大輸送壓力，進而提高管線的輸送效率和整體經濟效益。西氣東輸一線輪南―靖邊至少有1 200 km處于無人居住的戈壁沙漠中。該工程采用鋼管直徑1 016 mm，設計壓力10 MPa，鋼級X70，管材單價6 000元/t。若設計系數從0.72提高到0.80，可少用鋼材52 392 t，節省費用31 435萬元，所節約的鋼材在一類地區可敷設長約120 km的管線［2］。中國石油天然氣集團公司（以下簡稱中石油）正在規劃建設的西氣東輸三線工程的中衛以西段基本與西氣東輸二線并行敷設，管道經過一級地區總長約2 160 km。西三線一級一類地區采用0.72設計系數，進行管道強度設計時，推薦使用φ 1 219 mm×18.4 mm的X80螺旋埋弧焊管。若西三線的一級一類地區采用0.8設計系數，則可以采用φ 1 219 mm×16.5 mm的X80螺旋埋弧焊管，每1 km可節省管材55.5 t，對于降低管道建設與油氣輸送成本意義重大［3］。

近幾年，在大量高壓輸氣管線建設的推動下，國內管線鋼的冶金技術、制管技術、管道施工以及質量控制水平有了長足進步，管線鋼管的質量和產品標準已經達到國際先進水平，另外，管道完整性管理技術快速發展，管道安全管理水平顯著提高，我國輸氣管道采用較高設計系數已具備了良好的基礎和條件［4－6］。為了參照歐美標準將一級一類地區的管道設計系數從目前國家標準規定的0.72提高到0.80，以節省鋼材和投資，中石油對提高一級地區管道的設計系數等進行了專題研究，寶雞石油鋼管有限責任公司根據專題要求，進行了0.8設計系數焊管批量試制與性能評價。

1 天然氣管道采用0.8設計系數的背景與現狀

天然氣管道設計系數最早由美國在20世紀50年代提出。1955年，美國標準協會（ASA）壓力管道委員會提出，在進行管道設計時，應該把管道的環向應力限定在最小屈服強度與設計系數的乘積之間，并建議鋼管在工廠的水壓試驗按90%最小屈服強度進行，在此基礎上，再乘以一個80%的安全因子，這樣就把管道的環向應力限定在72%的最小屈服強度以內，也就是采用0.72的設計系數。這個建議被納入規范ASA B31.8—1955。

1966年，ASME B31.8委員會收到一項提案，建議把管道的設計系數提高到0.72以上。該提案的理念與0.72設計系數相同，同樣保證80%的安全因子，而鋼管在工廠的水壓試驗基于100%最小屈服強度進行，設計系數就可以提高到0.8。但是這個提案當時被擱置。

直到20世紀80年代，ASME B31.8再次考慮采用高于設計系數的可靠性，并開展了一系列研究，內容包括管道設計、管道試壓和管道斷裂控制。1990年，0.8設計系數正式納入ASME B31.8標準，一直沿用至 ASME B31.8—2007。目前，國際上天然氣管道的許多設計標準中對設計系數的取值都是引用 ASME B31.8 規定［1，3，7］。

世界上各個國家和地區在輸氣管道設計規范中，對一級地區強度設計系數的規定都有所不同。美國的ASME B31.8和加拿大的CSA Z662采用的設計系數均為0.8；ISO 13623采用的設計系數為0.78；英國的IGE/TD/1采用的設計系數為0.73。我國的GB 50251采用的設計系數為0.72，其他國家和地區的天然氣設計規范采用的設計系數也都沒有超過 0.72［8］。

2 我國0.72與0.8設計系數焊管技術條件對比

2.1 管材理化性能

在Q/SY GJX 0102—2007《西氣東輸二線管道工程用螺旋縫埋弧焊管技術條件》（以下簡稱“西二線焊管技術條件”）和Q/SY GJX 117—2012《西氣東輸三線0.8設計系數管道用X80螺旋縫埋弧焊管技術條件》（以下簡稱 “西三線0.8設計系數焊管技術條件”）中，對兩種不同設計系數下X80焊管的化學成分、拉伸強度、DWTT落錘剪切面積等性能指標要求相同，但對夏比沖擊韌性指標的要求有一定差異，具體見表1。相對于西二線0.72設計系數，西三線0.8設計系數焊管的沖擊韌性指標單值和平均值分別提高了30 J和40 J。

表1 X80焊管夏比沖擊韌性技術要求

由于焊縫和熱影響區的韌性一般較低，是整條管道斷裂控制的重點。國際上的研究表明，焊縫的韌性指標要求可以低于母材。焊縫的韌性不起止裂作用，其數值只要能防止延性起裂就夠了，母材的韌性則必須大到足以阻止延性裂紋的擴展。

2.2 靜水壓試驗

管道在運行中發生的破裂，是在低于管材的最低屈服強度以下發生的，因此必然是由缺陷引起的，高強度試壓的目的就是將存在有破裂隱患的缺陷，在試壓過程中顯露出來。美國天然氣協會（AGA）的專題研究證明，管道水壓試驗的強度越高，暴露的缺陷越多，暴露缺陷較集中在強度（90%～110%）SMYS范圍；水壓試驗過程中，在低強度下暴露出的缺陷尺寸大，在高強度下暴露的缺陷尺寸小；試壓時穩壓時間是必須的，有些缺陷暴露需要時間，約有15%的缺陷是在穩壓時暴露的。一級一類地區的管道，設計系數為0.72～0.80， 其操作強度可在 （72%～80%）SMYS，試壓的強度可達到（100%～110%）SMYS，這也是國外輸氣管道比較普遍的做法。試驗證明，在試壓的強度下，有足夠的穩壓時間，沒有暴露的缺陷以后在低于試驗的壓力下運行，將不會出現破裂的事故［9－12］。

西二線0.72設計系數用焊管技術條件對靜水壓試驗壓力的規定為：“試驗壓力根據規定外徑和壁厚進行計算，試驗壓力所產生的環向應力應達到管材規定屈服強度最小值的95%，壓力上限波動范圍應控制在0.5 MPa以下。”而根據西三線0.8設計系數焊管技術條件對靜水壓試驗壓力的規定：“試驗壓力所產生的環向應力S的數值不得低于鋼管規定最小屈服強度的100%，壓力波動范圍控制在0～0.5 MPa。”采用0.8設計系數的焊管靜水壓試驗壓力要高于0.72設計系數的焊管。

若西三線的一級一類地區采用0.8的設計系數，若按設計采用的φ 1 219 mm×16.5 mm的X80螺旋埋弧焊鋼管計算，則工廠在現場對管道都必須進行100%SMYS的強度試壓，試驗壓力將達到15 MPa。

2.3 壁厚要求

相對于西二線焊管技術條件中壁厚偏差-3%～+7%，西三線0.8設計系數焊管技術條件壁厚偏差要求為-2%～+7%，壁厚偏差控制更加嚴格。

從以上對比可知，西二線0.72設計系數用X80焊管與西三線0.8設計系數用焊管技術條件有一定差別，主要體現在沖擊韌性、壁厚偏差和靜水壓試驗壓力的要求有所提高。

在實際生產中，焊管制造企業均采取了嚴格的措施加強質量控制，實際工藝控制指標一般要高出技術條件要求，并遠高于設計采用的基礎標準。同時，在國內鋼鐵冶金企業裝備技術日益提高的前提下，提高管線的設計系數是完全可行的。

3 采用0.72與0.8設計系數的焊管性能對比

以下選用某鋼廠熱軋板卷生產的X80螺旋埋弧焊管，對采用不同設計系數的X80鋼級螺旋埋弧焊管進行對比，選用數據均為小批量試制階段焊管首檢結果。

3.1 試驗方法與材料

試驗材料采用某鋼廠西二線0.72與西三線0.8設計系數用管提供的熱軋板卷，以及采用該熱軋板卷生產的X80螺旋埋弧焊管。

依據Q/SY GJX 107—2009《天然氣輸送管道螺旋縫埋弧焊管用熱軋卷板通用技術條件》，QSY GJX 0102—2007《西氣東輸二線管道工程用螺旋縫埋弧焊管技術條件》、QSY GJX 117—2012《西氣東輸三線0.8設計系數管道用X80螺旋縫埋弧焊管技術條件》標準要求，對板卷及對應鋼管進行成分、組織、力學性能和沖擊韌性等性能檢測， 并進行對比分析［13－14］。

拉伸試驗采用板狀與圓棒試樣，板狀試樣標距長50 mm，標距內寬38.1 mm，采用全壁厚試樣；圓棒試樣標距段直徑12.5 mm，標距長50 mm。沖擊韌性試樣沿厚度中心處加工成10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，V形缺口垂直厚度方向，卷板沖擊試驗溫度-20℃，鋼管沖擊試驗溫度-10℃。

板狀拉伸試驗機為WAW－2000微機控制電液伺服萬能試驗機。圓棒試驗機為CMT5505微機控制電子萬能試驗機。沖擊試驗機為CMT5505微機控制電子萬能試驗機。

3.1 化學成分

西二線0.72與西三線0.8設計系數焊管化學成分對比結果見表2。

由表2可知，兩種X80焊管成分分析結果均滿足技術要求，在合金成分設計上存在一定差異。相對于西二線X80焊管材料來講，西三線0.8系數焊管化學成分中，提高了微合金元素Nb，V，Ti與Cr元素的含量，而Mn的含量稍有下降。V是最常用的微合金化元素之一，作用是通過形成 V（C，N）影響鋼的組織和性能，主要在奧氏體晶界的鐵素體中沉淀析出，在軋制過程中能抑制奧氏體的再結晶并阻止晶粒長大，從而起到細化鐵素體晶粒，提高鋼的強度和韌性，還可以改善鋼材焊后韌性［15－16］。 在鋼中適量加入 V， 通過采用合理的軋制工藝，可以補償Mn元素的強化作用。C和Mn元素的降低，可以減輕鋼的中間偏析，提高鋼的組織與性能的均勻性，加入適量的Cr元素，也可以補償C和Mn元素的降低帶來的強度損失。

表2 某鋼廠兩種X80焊管化學成分對比 %

3.2 熱軋板卷力學性能

對卷板的頭部、中部及尾部沿軋制方向30°取樣，加工成板狀試樣和圓棒試樣進行力學性能檢測。板卷拉伸試驗結果見表3。

西二線焊管試制用卷板對應頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強度值分別為582 MPa，540 MPa和540 MPa，最大差值為42 MPa；對應頭、中、尾位置板狀試樣屈服強度值分別為627 MPa，565 MPa和578MPa，最大差值為62MPa。西三線0.8設計系數焊管試制采用的卷板對應頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強度值分別為594 MPa，588 MPa和587 MPa，差值為7 MPa；對應頭、中、尾位置板狀試樣屈服強度值分別為591 MPa，597 MPa和605 MPa，最大差值為14 MPa。西三線0.8設計系數焊管試制用卷板偏差值均小于西二線卷板。該數據選用的是制管廠小批量試制時抽檢數量的平均值，偏差值不代表鋼廠實際控制水平，但可從一定程度上說明鋼廠對于X80卷板力學性能均勻性的控制上有所提高。

表3 卷板沿軋制方向30°的拉伸試驗結果

3.3 熱軋板卷沖擊韌性

板卷沖擊試驗結果見表4。

表4 板卷沖擊試驗結果

從表4可以看出，西三線0.8設計系數焊管用板卷沖擊韌性相對于西二線提高了約70 J，說明鋼廠在鋼材的設計與制造工藝方面采取了更為嚴格的控制措施，包括成分設計上的調整與冶煉軋制工藝的優化等，來應對板卷技術指標的提高。

3.4 熱軋板卷不同位置金相組織對比

對板卷頭、中、尾部分別取金相試樣，加工為全厚度金相試樣進行金相觀察。

圖1和圖2為兩種焊管用熱軋板卷不同位置金相組織照片。可以看出，西三線0.8系數熱軋板卷組織均以粒狀貝氏體為主，含有少量多邊形鐵素體，頭、中、尾三個位置組織更加均勻，差別小；西二線熱軋板卷組織頭、中部組織為粒狀貝氏體+少量多邊形鐵素體，但鐵素體晶粒尺寸較大，尾部出現大量多邊形鐵素體，并且晶粒尺寸較大。組織的不均勻性也是西二線板卷力學性能差異性大的原因之一。

圖1 0.72設計系數用熱軋板卷頭、中、尾部金相組織對比

圖2 0.8設計系數用熱軋板卷頭、中、尾部金相組織對比

硬度檢測結果見表5。由表5可知，西三線0.8設計系數X80焊管焊縫及熱影響區硬度高于西二線焊管，并且差值較大。而鋼管母材硬度相差不大。這可能與西二線與西三線所使用的焊材及焊接規范不同有關。

表5 顯微硬度檢測結果HV10

3.5 鋼管力學性能對比

在對應于板卷頭、中、尾位置的試制焊管上取板狀和圓棒拉伸試樣進行檢測，鋼管拉伸檢驗結果見表6。

由表6可知，西二線焊管對應板卷頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強度最大差值為39 MPa，板狀試樣屈服強度最大差值為90 MPa；西三線0.8設計系數焊管對應板卷頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強度最大差值為28 MPa，矩形試樣屈服強度最大差值為15 MPa。西三線0.8設計系數焊管屈服強度偏差值小于西二線。

表6 鋼管拉伸檢驗結果對比

3.6 鋼管沖擊韌性對比

鋼管沖擊試驗結果見表7。由表7可以看出，西三線0.8設計系數焊管母材、焊縫韌性遠高于西二線，平均高出70 J左右，熱影響區基本相當。表明X80鋼級0.8設計系數卷板成分設計、組織控制以及軋制工藝合理，卷板性能達到較好水平。同時采用了合理的焊接材料及焊接工藝，極大地提高了鋼管焊縫質量。

表7 鋼管沖擊韌性檢驗結果對比

根據對同一家鋼廠原料及其生產的焊管性能進行對比，可以看出，西三線0.8設計系數焊管各項性能均高于西二線。特別是在原材料頭、中、尾組織與性能的均勻性方面明顯優于西二線普通X80卷板，也為高設計系數焊管的應用奠定了基礎。

3.7 鋼管靜水壓試驗對比

西二線焊管技術條件對靜水壓試驗壓力的要求為：所產生的環向應力應達到管材規定屈服強度最小值的 95%，壓力上限波動范圍應控制在0.5 MPa以下。西三線0.8設計系數焊管技術條件對靜水壓試驗壓力的要求為：試驗壓力所產生的環向應力S的數值不得低于鋼管規定最小屈服強度的100%，壓力波動范圍控制在0～0.5 MPa。

分別抽取兩批原料生產的X80鋼管各300余根，對其水壓前后周長變化進行統計，結果見表8。對比西二線與0.8設計系數正式生產時水壓前后管徑變化情況，可見，水壓前西二線與西三線0.8設計系數焊管最大與最小周長之差均為5 mm。而水壓后，西二線焊管周長增加率及最大與最小周長平均值之差均高于西三線0.8設計系數焊管。這一方面與生產工藝控制有關，另一方面也與原料板卷長度方向力學性能的均勻性有關。另外，從生產檢驗記錄來看，西二線由于靜水壓試驗不合格的降級管數量明顯高于西三線0.8系數焊管。

表8 鋼管靜水壓前后周長變化統計結果

4 結 論

（1）采用0.8設計系數，在鋼級、管徑和壁厚不變的情況下，可提高輸送壓力，理論上可提高輸量10.8%；或在輸送壓力和輸量不變的情況下，可以減少壁厚，減少用鋼量10.3%。具有較好的經濟效益。

（2）與普通X80卷板相比，0.8設計系數用X80熱軋卷板頭、中、尾不同位置組織更加均勻一致，晶粒更加細小，屈服強度最大差值為14 MPa，與0.72設計系數卷板相比減小48 MPa左右，同時沖擊韌性提高25%。

（3）0.8設計系數用X80鋼級焊管屈服強度和抗拉強度波動小，管體、焊縫韌性明顯提高，管體硬度控制在256 HV10以下，焊接接頭硬度控制在280 HV10以下，產品性能完全滿足西三線0.8設計系數焊管技術條件，特別是在100%屈服強度下進行靜水壓試驗均未發生管體變形和泄露，表明目前國內冶金制管水平可完全滿足0.8設計系數下焊管技術要求。

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