油氣管道用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的問題剖析與建議

張有渝 袁 勇

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 四川石達能源發(fā)展有限公司, 四川 成都 610041

0 前言

油氣集輸與長輸管道工程設(shè)計、制造、施工安裝、檢驗環(huán)節(jié)中應(yīng)用了很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是保證油氣集輸與長輸管道投產(chǎn)運行的安全依據(jù),根據(jù)筆者多年來在油氣集輸與長輸管道工程中的經(jīng)驗和各種不同場合講課所了解的情況,認(rèn)為該類工程所應(yīng)用的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在某些技術(shù)上的問題,是工程安全運行的隱患,有必要提出來探討,以期修改或新編標(biāo)準(zhǔn)時借鑒,以保證該類工程安全可靠地運行。

1 標(biāo)準(zhǔn)的定義和作用

1.1 定義

為了說明油氣集輸與長輸管道工程應(yīng)用的某些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在問題,首先應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的定義和作用加以規(guī)定,GB/T 20000.1-2014《標(biāo)準(zhǔn)化工作指南第1部分:標(biāo)準(zhǔn)化和相關(guān)活動的通用術(shù)語》[1]對標(biāo)準(zhǔn)做了以下定義:

標(biāo)準(zhǔn):通過標(biāo)準(zhǔn)化活動,按照規(guī)定的程序協(xié)商一致,為各種活動或其結(jié)果提供的規(guī)則、指南或特性,供共同使用和重復(fù)使用的文件。

規(guī)范:規(guī)范產(chǎn)品、過程或服務(wù)應(yīng)滿足的技術(shù)要求的文件。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的作用和要求

GB/T 1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》[2]規(guī)定了制定標(biāo)準(zhǔn)的要求是規(guī)定明確且無歧義的條款,以便促進貿(mào)易和交流。為此對標(biāo)準(zhǔn)的要求是:在其范圍所規(guī)定的界限內(nèi)按需要力求完整、清楚和準(zhǔn)確;充分考慮最新技術(shù)水平;為未來技術(shù)發(fā)展提供框架;能被未參加標(biāo)準(zhǔn)編制的專業(yè)人員所理解。

標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容及要求理應(yīng)符合GB/T 1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》的規(guī)定,才能保證工程的質(zhì)量和安全運行。

2 某些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

2.1 GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》

GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》[3]作為管件設(shè)計、制造、檢驗與驗收的標(biāo)準(zhǔn),卻對管件力學(xué)性能、沖擊韌性、金相及管件制造工藝規(guī)范、管件試驗與檢驗的要求等內(nèi)容無明確規(guī)定,存在嚴(yán)重的技術(shù)缺陷,詳細(xì)分析可見資料《油氣集輸與長輸管道工程用管件標(biāo)準(zhǔn)分析》[4]。該標(biāo)準(zhǔn)的編制也不符合GB/T 1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》的規(guī)定;沒有按照管件安全運行的需要,力求內(nèi)容完整,缺少了很多必須的技術(shù)規(guī)定,沒有充分考慮最新的技術(shù)水平。

2.2 GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》

目前天然氣輸送管道大量采用控軋控冷技術(shù)(TMCP)生產(chǎn)的鋼管,特別是高壓大口徑長輸管道更是大量推廣使用高鋼級的TMCP直縫鋼管,對于采用TMCP生產(chǎn)的鋼管,由于管道現(xiàn)場焊接可能出現(xiàn)淬硬組織,焊接接頭中存在一定濃度的擴散氫和較大的焊接拉伸應(yīng)力,因此存在產(chǎn)生延遲裂紋的傾向,根據(jù)試驗數(shù)據(jù),X 52～X 80鋼級均存在這種傾向[5-6]。延遲裂紋的特征就是焊接接頭冷卻后不會立即發(fā)生裂紋,而是可能在冷卻后數(shù)小時,甚至更長時間才會產(chǎn)生。延遲裂紋/冷裂紋的定義:焊接接頭冷至較低的溫度,大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms(200～300 ℃)或更低的溫度區(qū)間產(chǎn)生的裂紋。

天然氣集輸和長輸管道設(shè)計遵循GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》[7],規(guī)定管道焊接接頭的檢測與試驗按照SY/T 4103-2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》[8]進行,但目前該規(guī)范已根據(jù)國家能源局公告2018年第9號被廢止,由GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》[9]代替。

鑒于延遲裂紋具有在鋼管焊接接頭冷卻至常溫后數(shù)小時甚至更長時間才產(chǎn)生的特性,對于采用TMCP技術(shù)生產(chǎn)的鋼管現(xiàn)場焊接的環(huán)向焊接接頭,應(yīng)該在完成焊接的一個時間段之后再進行無損檢測,這樣才能準(zhǔn)確地判定焊接接頭是否有裂紋存在,但是作為無損檢測標(biāo)準(zhǔn)的GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》對此卻沒有進行規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)是修改采用API std 1104:2010《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》,雖然API std 1104:2010沒有對延遲裂紋的無損檢測時機做出規(guī)定,但是作為修改采用API std 1104:2010《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》卻應(yīng)該根據(jù)我國的國情對此加以修改補充,方便我國輸氣管道工程焊接施工的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和質(zhì)量判定。

2.3 GB/T 13299-91《鋼的顯微組織評定方法》

油氣集輸和長輸管道工程要使用大量的C-Mn鋼無縫鋼管,在C-Mn鋼無縫鋼管連鑄的生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)C-Mn元素的成分偏析,這種成分偏析會導(dǎo)致鋼管軋制中產(chǎn)生珠光體的帶狀組織,這種珠光體組織在無縫鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后會轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w,其中的帶狀組織依然存在。

鋼中的帶狀組織有兩種物態(tài)：一是鋼中的化學(xué)元素成分偏析造成的；二是鋼中的非金屬夾雜物,主要由硫化物和氧化物形成的,特別是硫化錳這種夾雜物對鋼的性能影響最大。帶狀組織對鋼的性能影響主要表現(xiàn)在:降低鋼管的韌性,提高鋼管材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度;導(dǎo)致鋼管材料性能的各向異性,在橫向和厚度方向上鋼的韌性嚴(yán)重惡化[5];降低鋼管的抗腐蝕性能。

由于帶狀組織對管道用鋼性能的危害性,因此應(yīng)該對鋼管中的帶狀組織進行評定并規(guī)定其合格級別,這樣才能保證管道工程運行的安全性。據(jù)筆者了解,目前我國對鋼中帶狀組織的評定標(biāo)準(zhǔn)還是GB/T 13299-91《鋼的顯微組織評定方法》[10],且該標(biāo)準(zhǔn)限定僅適用于珠光體鋼,因此缺乏鋼中金相組織為索氏體的帶狀組織評定的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),造成目前有的鋼管公司對管道工程中調(diào)質(zhì)無縫鋼管不進行帶狀組織評定,使油氣集輸和長輸管道工程中使用的回火索氏體無縫鋼管的安全性缺乏保證。

3 標(biāo)準(zhǔn)存在問題的危害性分析

3.1 GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》

該管件標(biāo)準(zhǔn)自2005年8月1日開始實施,至2017年9月1日被GB/T 12459-2017《鋼制對焊管件類型與參數(shù)》和GB/T 13401-2017《鋼制對焊管件技術(shù)規(guī)范》代替,有效期整整12年,據(jù)筆者了解,該標(biāo)準(zhǔn)在石化和化工多個領(lǐng)域的工程中得到了廣泛長期的應(yīng)用,在不同的工程設(shè)計中作為管件標(biāo)準(zhǔn)被選用,由于該標(biāo)準(zhǔn)對管件的力學(xué)性能、沖擊韌性等合格指標(biāo)及管件制造工藝等均無明確規(guī)定,因此僅僅以此作為管件制造、檢驗與驗收的依據(jù),在強度和性能安全上無法保證,使用這些管件的工程在運行中存在潛在的不安全性。雖然該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在被代替了,但是由于以該標(biāo)準(zhǔn)作為制造、檢驗與驗收依據(jù)的管件依然在大量的工程中被繼續(xù)使用運行,因此這些裝置、站場的安全可靠性是存在著潛在危險的,這個安全問題并不會隨著 GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》被代替而消除,因此很有必要對這些裝置、站場進行檢查和處置,消除不安全性,這也是寫作本文的目的。

3.2 GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》

由于GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》(此前用SY/T 4103-2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》)未對管線鋼鋼管現(xiàn)場焊接接頭的無損檢測時機做出規(guī)定,因此對無損檢測時機的理解和掌握存在較大差異,直接影響到輸氣管道鋼管環(huán)向焊接接頭的無損檢測質(zhì)量,可能使環(huán)向焊接接頭的延遲裂紋無法檢測出來,進而使輸氣管道的安全運行存在潛在的安全隱患。據(jù)筆者了解,對采用TMCP生產(chǎn)的管線鋼鋼管現(xiàn)場環(huán)向焊接接頭的無損檢測時機至少存在以下幾種認(rèn)識:一是認(rèn)為無需延遲一段時間,焊接完成后只需要冷卻到大氣溫度后即可進行無損檢測;二是認(rèn)為焊接完成后需要經(jīng)過一段時間的放置再進行無損檢測,但是經(jīng)過多長時間后可以進行無損檢測,卻無標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。例如有的輸氣管道工程,對鋼管環(huán)向焊接接頭的無損檢測是這樣規(guī)定的:焊接接頭冷卻到大氣溫度后作第一次無損檢測,放置4 h后作第二次無損檢測,放置24 h后作第三次無損檢測,由此顯示標(biāo)準(zhǔn)對延遲裂紋的無損檢測時機作出規(guī)定是十分必要的。國外也有標(biāo)準(zhǔn)和文獻對此作出了規(guī)定,ISO 13847:2013《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)-管道的焊接》規(guī)定:由于冷卻后不會立即發(fā)生任何延遲裂紋,因此考慮在焊接完成后將無損檢測推遲一段時間。對于焊接可能增大氫致開裂危險的情況,需延遲的時間一般應(yīng)長些,在這方面應(yīng)注意,用纖維素焊條焊接的焊縫,其開裂可能性較大,而且會隨鋼管強度或壁厚的增加而增大,文獻[11]指出,對高強鋼焊接接頭(包括采用TMCP生產(chǎn)的管線鋼)的無損檢測通常要在焊接完成后放置1 d以上進行,這是因為考慮延遲裂紋影響的緣故。在GB/T 50235-2010《工業(yè)金屬管道施工規(guī)范》[12]、NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分：射線檢測》[13]和GB/T 34275-2017《壓力管道規(guī)范長輸管道》[14]也對延遲裂紋規(guī)定了在焊接完成24 h后進行無損檢測。

3.3 GB/T 13299-91《鋼的顯微組織評定方法》

由于GB/T 13299-91《鋼的顯微組織評定方法》對鋼的顯微組織評定僅限定于珠光體無縫鋼管,因此經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理的索氏體金相組織中帶狀組織評定就缺乏標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),這也給某些大型鋼管公司提供了不進行帶狀組織評定的借口,對其生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)熱處理無縫鋼管在客觀上存在的索氏體帶狀組織不予評定,這是筆者在某油氣輸送管道工程中親歷的事情。據(jù)了解,材質(zhì)L 245 QS,規(guī)格為D 168.3×10.97無縫鋼管在經(jīng)900 ℃淬火+600 ℃回火后產(chǎn)生的帶狀組織達到3～4級;材質(zhì)L 360 QS,規(guī)格為D 114.3×20無縫鋼管在經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的金相組織為回火索氏體,帶狀組織達到3級。有的鋼管公司生產(chǎn)的無縫鋼管在熱軋后珠光體帶狀組織評定的級別在4級左右,對于小直徑規(guī)格的無縫鋼管則可能達到4級,甚至個別達到5級。當(dāng)經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w,帶狀組織依然存在,所以對索氏體帶狀組織的評定是必要的。如果帶狀組織的合格級別定在3級或3.5級,則有的無縫鋼管可能因帶狀組織評定不合格而成為不合格品,這就是問題的本質(zhì),但不予評級的無縫鋼管用在工程上則存在安全隱患。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

本文所述3個標(biāo)準(zhǔn)存在的問題或不足之處，既有對GB/T 1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》的不符合,也給油氣管道工程的設(shè)計、施工、檢驗與驗收帶來了不同程度的不良影響,特別是GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》由于技術(shù)要求上的不完整性導(dǎo)致的在用工程運行不安全性必須給予極大的重視與切實的解決,消除這些在用工程的運行不安全隱患,所以補充完善這些標(biāo)準(zhǔn)及消除其帶給工程的不良影響是必須的。

4.2 建議

1)在2005-2017年的12年期間,曾經(jīng)采用GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》標(biāo)準(zhǔn)且未補充技術(shù)要求作為工程上管件標(biāo)準(zhǔn)的工程項目設(shè)計單位與制造單位,均應(yīng)主動檢查這些工程項目的設(shè)計文件與制造檢驗文件,對存在安全隱患的管件適時予以更換。這些管件使用時間越長,其不安全的潛在危害性越大,是不易忽視的。

2)建議對GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》補充管線鋼鋼管焊接接頭延遲裂紋無損檢測時機的規(guī)定,由于國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和文獻對此有了規(guī)定和論述可以參照,而且由于近年來我國油氣輸送管道及大量管線鋼的工程應(yīng)用,各建設(shè)和施工單位均積累了很多經(jīng)驗,可以提供很多的技術(shù)規(guī)定供編制標(biāo)準(zhǔn)參考,具備了補充標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的條件,建議管線鋼鋼管環(huán)向焊接接頭的無損檢測時機考慮規(guī)定為焊接完全冷卻后24 h進行。

3)油氣輸送管道應(yīng)用了大量的管線鋼無縫鋼管,這些無縫鋼管由于強度較高采用了調(diào)質(zhì)熱處理的交貨狀態(tài),因此無縫鋼管中的金相組織為索氏體,其中的帶狀組織由于化學(xué)元素的成分偏析而存在,對無縫鋼管索氏體帶狀組織評定及合格性判定是必須的。因此建議將GB/T 13299-91《鋼的顯微組織評定方法》的適用范圍擴大至索氏體鋼,或者另行編制索氏體鋼顯微組織評定方法的標(biāo)準(zhǔn),而且該標(biāo)準(zhǔn)的編制和實施已有27年,理應(yīng)進行修訂,以確保無縫鋼管索氏體金相組織中的帶狀組織評定有標(biāo)準(zhǔn)可依,且是合格產(chǎn)品,進而保證管道運行安全。