天然氣集輸管道工程用無縫鋼管標準的分析

張有渝 譙雯希 陳曉南 魏善濤 周 函 陳學文

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 四川石達能源發展有限公司, 四川 成都 610041;3. 四川科宏石油天然氣工程有限公司, 四川 成都 610051

0 前言

天然氣集輸管道工程(包括集氣管道工程和輸氣管道工程)中的干線管道、閥室、站場工藝管道、壓力容器和壓力管道設備，使用了大量的各種規格、材質的無縫鋼管,這些無縫鋼管制造的4項標準有：GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》(以下簡稱GB/T 9711—2017)、GB 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》(以下簡稱GB 6479—2013)、GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》(以下簡稱GB/T 5310—2017)、GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》(以下簡稱GB/T 8163—2018),以及上述標準的引用標準YB/T 4149—2018《連鑄圓管坯》(以下簡稱YB/T 4149—2018)、YB/T 5137—2018《高壓用熱軋和鍛制無縫鋼管圓管坯》(以下簡稱YB/T 5137—2018)、YB/T 5222—2014《優質碳素結構鋼熱軋和鍛造圓管坯》(以下簡稱YB/T 5222—2014)。按照這些標準制造的無縫鋼管,具有各不相同的化學成分、制造方法(包括鋼和管坯、鋼管的制造方法)、交貨狀態和力學性能、沖擊韌性、金相組織、檢驗要求等,因而它們的質量和工程適用性也各不相同,有些無縫鋼管雖然同鋼號,但由于是按照不同的無縫鋼管標準制造的,它們的性能和質量差別也很大。因此，應根據天然氣集輸管道工程的設計參數(包括設計壓力、設計溫度和介質條件)、外部環境條件、其他質量要求和投資狀況,恰當地選擇無縫鋼管以保證工程安全和節省投資,是工程設計的主要內容。

天然氣集輸管道工程設計標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》(以下簡稱GB 50251—2015)和GB 50349—2015《氣田集輸設計規范》(以下簡稱GB 50349—2015)均規定了上述4項無縫鋼管標準為其使用標準,其中對GB/T 8163無縫鋼管的適用條件給出了不同規定,這種對GB/T 8163無縫鋼管使用的分歧意見,也在工業管道的設計標準中有體現,這些標準GB/T 50316—2000(2008年版)《工業金屬管道設計規范》(以下簡稱GB/T 50316—2000)、GB 20801.2—2006《壓力管道規范工業管道第2部分材料》(以下簡稱GB 20801.2—2006)、SH/T 3059—2012《石油化工管道設計器材選用規范》(以下簡稱SH/T 3059—2012)。標準上的技術分歧已存在多年,給壓力管道設計人員帶來了不必要的困惑和疑點,體現出來的是對同一標準的無縫鋼管給出不同的適用條件,必然有不恰當的規定存在,因此給某些工程帶來了安全隱患(雖然有標準依據)。

本文針對上述標準對無縫鋼管性能和質量的規定,結合天然氣集輸管道工程設計和環境的條件進行分析,提出對無縫鋼管適用條件和工程上選用的意見,供標準編制和設計參考。

1 影響無縫鋼管性能和質量的主要因素

無縫鋼管性能和質量決定于無縫鋼管標準,為了滿足國民經濟不同領域對無縫鋼管性能和質量的要求,中國編制了各種不同的無縫鋼管標準,僅碳鋼和低合金鋼材質，還有GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》(以下簡稱GB 3087—2008)、GB 9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》(以下簡稱GB 9948—2006),GB 18248—2000《氣瓶用無縫鋼管》(以下簡稱GB 18248—2000),GB/T 18984—2016《低溫管道用無縫鋼管》(以下簡稱GB/T 18984—2016)等標準,這些標準雖然內容各不相同,但影響無縫鋼管性能和質量的主要因素都有共通性,通過對這些因素的對比分析,能對無縫鋼管性能和質量作出判斷。

1.1 化學成分中的磷、硫、鋁含量

無縫鋼管化學成分中的磷、硫元素是殘存在鋼中的有害元素,但卻是無法避免的元素。

1.1.1 磷

磷是造成鋼較嚴重偏析的有害元素,且能增加鋼的脆性,尤其是低溫脆性。

磷在鋼中造成偏析的原因是:由于磷擴大了鐵的固相線和液相線的間距,所以鐵合金需要更多的時間進行凝固，在此過程中，含磷量偏大的鐵液集聚在已成固相的枝晶夾縫中，成為磷的偏析。由于磷在鐵中的擴散速度較慢,因此具有磷偏析的鋼促進了軋材中帶狀組織的產生,要通過鍛造或熱處理方法消除偏析是不可能的,要獲得均勻的組織較困難[1]。研究表明,為獲得最佳的鋼材表面和內部性能,無縫鋼管用低碳鋼的最佳化學成分中含磷量不大于0.005%[2]。

磷在低碳鋼中增加脆性主要表現在鋼的沖擊韌性降低,且當含磷量較高時,提高鋼的韌脆轉變溫度,這對鋼的性能很不利。

1.1.2 硫

硫是造成鋼的宏觀組織極不均勻的元素,又是形成非金屬夾雜物的主要元素,從而降低鋼的延展性和韌性,且對鋼的熱變形加工性有嚴重不良影響。在鍛軋過程中會產生網狀裂縫,甚而導致大開裂,產生廢品,再則不利于鋼的焊接性,易導致焊縫熱裂[1]。

硫在鋼中除與鐵形成化合物FeS外,更易與鋼的其他某些金屬元素形成化合物,其中硫和錳親和力遠大于硫和鐵的親和力,因此硫在鋼錠中以硫化錳這種高熔點化合物分布在晶粒內部或晶界上,形成不連續的網狀組織,這種硫化物的網狀組織,降低鋼的延展性和韌性,降低沖擊試驗的沖擊值。研究表明,無縫鋼管內部缺陷隨著鋼中硫和氮含量的降低及Mn/S比值的增大而減少,當平均錳含量為0.40%時,鋼中的硫含量不應超過0.020%[2]。

1.1.3 鋁

鋁和氧、氮元素有很強的親和力，在鋼中是優良的脫氧劑，其作用是脫氧定氮,且細化晶粒,阻抑低碳鋼的時效,提高鋼在低溫下的韌性[1]。

鋁在鋼中細化本質晶粒的原因，是由于鋁在鋼中與其他元素,主要是N元素形成細小彌散分布的難熔化合物AlN起到阻抑作用。研究表明,AIN中鋁含量應控制在0.008%以上，目的是使鋼的晶粒細化，鋁含量低于該值時，則晶粒粗大，但若再增加鋁含量，也不可能繼續細化晶粒[1]。

1.2 制造方法

無縫鋼管的生產分3個階段，從原材料煉鋼到制成管坯,再軋拔成無縫鋼管,其標準的技術要求中必定有“制造方法”項。制造方法的技術要求必然包括鋼的冶煉方法、管坯制造方法和鋼管制造方法,這是直接影響無縫鋼管性能和質量的技術要求，但往往被設計人員選用標準時忽視而造成不良后果。無縫鋼管化學成分指標控制的嚴格程度，加上其制造方法的先進程度，決定了無縫鋼管性能和質量的優劣，即鋼的化學成分加制造工藝決定了無縫鋼管的性能和質量。

1.2.1 鋼的冶煉方法

鋼的冶煉一般采用電爐或氧氣轉爐等設備進行,差別在于是否采用爐外精煉及采用哪些爐外精煉。

鋼性能和質量的優良,主要表現在純潔度高、均勻性好,各向異性小,合金成分范圍窄等方面,這就要求鋼中雜質含量低,特別是非金屬夾雜物含量少,級別低,軋制后鋼的縱向和橫向力學性能沒有差別或差別很小。

鋼管用鋼的表面和內部質量,取決于其化學成分(宏觀純度)、脫氧的方法(微觀純度)和澆注條件[2]。

爐外精煉的主要方法有以下四種。

1)渣洗。這是提高轉爐、電爐鋼純度的措施,渣洗可以有效脫硫、脫氧和去除雜質,減輕出鋼過程中二次氧化的有害作用。

2)吹氬。它是通過鋼包底部專門安裝的透氣磚吹入氬氣,依靠鋼液中上浮的氬氣泡粘附乳化的渣滴,以脫除鋼中的有害氣體。

3)真空脫氣。目的是減少鋼中有害氣體,特別是氫氣。工藝方法很多種,其中真空脫氣VC法,可使鋼中氫含量降到低于2 ppm(0.000 2%)以下,氧含量為20 ppm(0.002 0%)左右；DH法(中國稱為提升脫氣法或虹吸法)可使鋼中氫含量去除50%～70%,平均含量為1.7 ppm(0.000 17%),氧含量降到20～40 ppm(0.002 0%～0.004 0%);RH法又稱真空循環脫氣法,中國大量使用了RH裝置,該法脫氫可使鋼中氫含量降低到2 ppm(0.000 2%)以下,還可脫氧去氮,鋼液經過RH裝置真空脫氣后可提高純凈度,減少各向異性,提高塑性和韌性，中國無縫鋼管標準一般都要求進行真空脫氣,但 GB/T 8163—2018不要求真空脫氣[3]。

4)鋼包噴粉。屬于固體料的添加方法,就是將粉狀的反應劑用氣體載流噴入鋼的液態熔池中,噴入的粉料一般是鈣、鎂或其合金、化合物,鋼包噴粉不僅可以達到脫硫脫氧的目的,還可以降低非金屬夾雜物含量和改變夾雜物的形態,提高鋼的質量[3]。

1.2.2 管坯制造方法

無縫鋼管的管坯可以用連鑄機生產,也可以用鋼錠經型鋼軋機軋成管坯,還可以直接使用鋼錠。采用連鑄管坯不僅經濟合理,質量比鋼錠好。

通常管坯的缺陷都會轉移到鋼管上,管坯上的缺陷可能是煉鋼引起的,也可能是軋制或拔制時產生的。研究表明,無縫鋼管產生缺陷的原因40%是管坯質量缺陷造成的,60%是軋制過程操作不正確而造成的[2]。

減少連鑄管坯缺陷的主要措施在于提高鋼的純潔度,減少非金屬夾雜。

因為管坯質量直接影響到鋼管的質量,所以任何無縫鋼管的標準都對管坯規定了應符合的標準,例如GB 6479—2013、GB 5310—2017和GB/T 8163—2018均規定了連鑄管坯應符合YB/T 4149《連鑄圓管坯》(以下簡稱YB/T 4149)的規定,GB 6479—2013和GB 5310—2017均規定了熱軋(鍛)管坯應符合YB/T 5137《高壓用熱軋和鍛制無縫鋼管圓管坯》(以下簡稱YB/T 5137)的規定,GB/T 8163—2018規定熱軋(鍛)管坯應符合 YB/T 5222《優質碳素結構鋼熱軋和鍛制圓管坯》(以下簡稱YB/T 5222)的規定。YB/T 4149、YB/T 5137和YB/T 5222標準對管坯的質量,除了化學成分、冶煉方法規定,主要包括:交貨狀態、低倍組織缺陷的控制、表面質量的控制,非金屬夾雜物的控制等內容的技術要求,由于GB/T 8163—2018的熱軋和鍛制圓管坯遵循的是YB/T 5222—2014標準,而YB/T 5222—2014的技術要求遠低于YB/T 5137—2018的規定,因此按照GB/T 8163—2018生產的無縫鋼管,從煉鋼和管坯開始,其質量就低于按GB 6479—2013和GB 5310—2017生產的同牌號無縫鋼管。

1.2.3 無縫鋼管制造方法

較大直徑的無縫鋼管均采用熱軋(擠壓)或熱擴工藝生產,熱軋無縫鋼管生產工藝有多種方法,但主要工序之一是將實心的管坯在穿孔機上穿成厚壁的荒管,成品管的質量很大程度上取決于荒管質量,穿孔時的主要缺陷之一是荒管內、外表面上的折疊。產生折疊的主要原因是原始管坯質量有問題。這與管坯中非金屬夾雜物的數量和分布有關,折疊的表征是在鋼管內、外表面上有薄的金屬分層,分層的形態為鱗狀,獨立分層的外形近似于閉合的曲線,一般分布在鋼管全長上。研究表明,在非金屬夾雜的周圍存在氣孔,在穿孔過程中氣孔裂開,形成內折疊,經定徑機定徑后呈現鱗皮狀,而管坯中的非金屬夾雜是從鋼錠中帶來的。鋼錠質量,決定于非金屬夾雜和帶狀偏析的嚴重程度,帶狀偏析很大程度上是磷、硫、碳、錳元素的偏析[2],由此可以看出,無縫鋼管化學成分中磷、硫元素含量對鋼管質量影響的重要性。

當然,無縫鋼管折疊缺陷的產生,還與鋼管原材料鋼錠的澆鑄工藝有關,即澆鑄強度和澆鑄速度,這是鋼管制造方法上的工藝問題,這里不予討論。

1.2.4 推論

從上述無縫鋼管制造方法的分析中,可以得到其影響質量的四點推論。

1)無縫鋼管標準中鋼、管坯、鋼管的制造方法直接影響無縫鋼管的質量,因此在選用無縫鋼管標準時,必須對此技術要求給予高度關注,慎重分析。

2)無縫鋼管原料鋼的治煉方法直接關系到無縫鋼管材質的純潔度和均勻性,所以鋼的冶煉方法中必須要有爐外精煉的技術要求。

3)管坯的缺陷一般會轉移到無縫鋼管上,因此對管坯的質量控制應有標準規定,而且采用的標準嚴格程度直接影響到無縫鋼管成品的質量。YB/T 5222—2014的技術要求遠低于YB/T 5137—2018。

4)鋼管原料鋼和管坯中的化學成分偏析和非金屬夾雜是重要的缺陷,今后會轉移到無縫鋼管成品上,無縫鋼管成品實際也存在著以帶狀組織出現的成分偏析和非金屬夾雜物,所以在盡量降低化學成分中磷、硫含量的同時,關注鋼管制造方法。

1.3 沖擊韌性

天然氣集輸管道工程使用的無縫鋼管都應具備一定的沖擊韌性,沖擊韌性是指金屬材料在破斷前吸收能量和進行塑性變形的能力,一般用沖擊值大小來衡量[1]。這是由天然氣集輸管道工程的功能和屬性所決定的,這類工程一般處于荒郊野外,受自然環境條件的影響很大,特別是環境氣溫條件的影響,為了防止材料受到沖擊載荷的突然加載發生斷裂,或者受環境低溫的影響發生脆性斷裂或延性斷裂擴展,需要鋼管具備一定的沖擊吸收能量,并在無縫鋼管標準中給予明確規定。如在低溫地區,無縫鋼管在-20 ℃以下環境運行,還應對無縫鋼管補充要求進行系列溫度下的韌脆轉變溫度測定,作為其安全運行的保證指標。

在無縫鋼管的沖擊試驗項目中,特別應關注的指標是試件的試驗溫度和合格的沖擊吸收能量值,試驗溫度應低于天然氣集輸工程的設計溫度和環境氣溫最低值,該值與GB 150.1—2011壓力容器標準的規定不同,一般在無縫鋼管標準中對合格的沖擊吸收能量值有規定,當試件的試驗溫度降低時,仍可采用此值作為低溫沖擊試驗的合格指標。

1.4 非金屬夾雜/帶狀組織

非金屬夾雜是鋼中不溶解的非金屬元素化合物,如氧化物、硫化物、氮化物以及硅酸鹽等的總稱,簡稱夾雜或夾雜物[1]。鋼中非金屬夾雜物的存在,直接影響到無縫鋼管的質量,降低鋼管韌性,升高韌脆轉變溫度,并導致鋼管的材料各向異性[4]。減少非金屬夾雜物的關鍵問題是提高鋼的純度(2)。在用于高壓的無縫鋼管標準中,均規定了對非金屬夾雜物控制的合格指標,并規定了檢驗的標準GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》。

在無縫鋼管質量控制中,還有一項很重要的項目是帶狀組織,帶狀組織包括兩種類型：一類是由于化學元素的成分偏析在鋼的軋制中形成條帶狀偏析組織；另一類是由鋼中非金屬夾雜物在軋制中形成的條帶。帶狀組織不僅存在于管線鋼中,同樣存在于低碳結構鋼顯微組織中,某危害性是使鋼的力學性能呈各向異性,降低鋼的塑性和韌性,熱處理時易產生變形,且硬度不均勻[5]。帶狀組織在無縫鋼管標準中未予以列入控制項目,這是其不足之處;但卻是客觀存在,而且應予以評級控制,無縫鋼管帶狀組織的評級對于經調質處理的無縫鋼管索氏體金相組織,目前存在標準適用性的問題,這有待解決,但是評級卻是必須的[6]。

2 對GB/T 8163—2018的分析

GB/T 8163《輸送流體用無縫鋼管》最早的編制版本是1987年版,至最新有效版本共經歷修訂出版了4個版本(1987年版、1999年版、2008年版和2018年版),中間還有2個版本是1999年版和2008年版。該標準頒布30多年來,逐漸被壓力管道工程設計、施工采用,但是也不斷出現分歧和爭論,而且這種分歧存在于壓力管道的設計標準中,雖然這種分歧是正常的,但對于工程設計和施工而言,則不是正常狀態,因為必定在對這個標準的鋼管使用中會存在不應有的安全隱患。為了解決這種分歧問題,本文擬根據掌握的資料進行詳細地分析。

2.1 GB/T 8163編制版本的歷史變遷

第一版GB/T 8163—1987《輸送流體用無縫鋼管》編制時并未采標,第二版GB/T 8163—1999非等效采用ISO 559:1991《清水、污水用管》,第三版GB/T 8163—2008非等效采用EN 10216—1:2004《用于壓力的無縫鋼管交貨技術條件第1部分規定室溫性能的非合金鋼管》(以下簡稱EN 10216—1:2004),最新有效版本GB/T 8163—2018按照GB/T 1.1—2009《標準化工作導則第1部分:標準的結構和編寫》(以下簡稱GB/T 1.1—2009)給出的規則起草,但實際上僅是對GB/T 8163—2008標準進行了少量的補充、刪節、修改,一定程度上提高了技術要求內容[7-10],GB/T 8163各個版本采標與適用范圍對比見表1。

表1 GB/T 8163各個版本采標與適用范圍對比表Tab.1 Adopted standards and application scope comparison of different versions of GB/T 8163

從GB/T 8163編制歷史變遷可以看出以下三點。

1)GB/T 8163的采標標準是變化的,從采標ISO 559:1991到改成用于壓力和規定室溫的非合金鋼管,GB/T 8163—2018雖然按照GB/T 1.1—2009給出的規則起草,但技術要求的實質內容與GB/T 8163—2008并無根本改變,只是在GB/T 8163—2008的基礎上補充、刪除和修改了少量內容,技術要求某些內容得到了提高,所以仍可認為基本上是采標EN 10216—1:2004。

2)GB/T 8163—2008采標EN 10216—1:2004技術上核心內容:一是用于壓力輸送流體的無縫鋼管;二是對該標準的無縫鋼管規定了室溫性能,即從化學成分、制造方法、力學性能及沖擊韌性、試驗與檢驗等方面保證了室溫下用于壓力輸送流體的安全;三是該類無縫鋼管材質為非合金鋼。

3)GB/T 8163的歷次版本在該標準無縫鋼管的適用范圍規定上沒有什么變化,均是適用于輸送流體用一般無縫鋼管,僅在GB/T 8163—2018將流體定義為普通流體,但是普通流體的定義并未給出,筆者查了很多標準和術語標準,也沒有關于“普通流體”的定義,所以筆者認為GB/T 8163歷次版本在標準適用范圍上的規定是不恰當的,是造成該標準理解使用上分歧的重要原因。在其適用范圍的規定上不應該去掉被采標標準規定的室溫性能下的壓力輸送內容。

2.2 GB/T 8163—2008及GB/T 8163—2018與EN 10216—1:2004的差異

GB/T 8163—2008與EN 10216—1:2004在一致性程度上是非等效,實際上GB/T 8163—2008中鋼號僅有10、20、Q295與EN 10216—1:2004中6個鋼號在強度等級上是相當的,而其它鋼號Q345～Q460與EN 10216—1:2004毫無關系,所以該標準的適用范圍到底應該如何表述,確實讓人難于理解。

壓力管道設計中常用鋼號是20,將GB/T 8163—2008及GB/T 8163—2018中鋼號20與EN 10216—1:2004中強度等級相當的鋼號1.024 5和1.025 5進行技術上比較,其技術上的差異主要表現在化學成分中有害元素磷、硫含量,力學性能的斷后收縮率A,沖擊試驗和制造方法等方面[9-10],見表2。

表2 GB/T 8163與EN 10216—1:2004等強度鋼號的差異表Tab.2 Differences of steel numbers with equal strength in GB/T 8163 and EN 10216—1:2004

從表2可以看出以下三點。

1)雖然GB/T 8163—2008和GB/T 8163—2018均規定了鋼的制造方法應有爐外精煉,但是20號鋼的化學成分中有害元素磷、硫合格含量均比EN 10216—1:2004的鋼號1.024 5和1.025 5高出較多,磷、硫含量高對鋼的危害性見本文前述。

3)雖然20號鋼與1.024 5和1.025 5號鋼在強度等級上相當,但是由于有害元素磷、硫含量和塑性韌性的差異,所以可以看出20號鋼性能和質量(純潔度和各向異性、帶狀組織等)低于采標1.024 5和1.025 5號鋼,因此在使用條件上,20號鋼只宜用于常溫和較低壓力輸送流體。

2.3 壓力管道設計標準的分歧

天然氣集輸管道工程和工業管道工程現行有效的設計規范關于GB/T 8163標準的無縫鋼管使用條件存在較大差異,即技術上的分歧以標準的形式規定[11-16],見表3～4。

表3 天然氣集輸管道工程設計規范的規定比較表Tab.3 Rules comparison of engineering design standards of natural gas gathering and transportation pipeline

表4 工業管道工程設計規范的規定比較表Tab.4 Rules comparison of engineering design standards of industrial pipeline

從表3～4可以看出以下兩點。

1)天然氣集輸管道工程設計規范和城鎮燃氣規范均可采用GB/T 8163的無縫鋼管,但GB 50349—2015對GB/T 8163的無縫鋼管使用限制比較嚴格且要求明確。例如:當集氣管道為DN300,設計壓力為4.0 MPa,介質為非含硫天然氣時,取強度設計系數F=0.4,采用20號鋼無縫鋼管,則設計壁厚為6.632 mm,考慮壁厚負偏差,則GB/T 8163的20號鋼無縫鋼管名義厚度8 mm。

2)工業管道設計規范對采用GB/T 8163無縫鋼管的分歧較大,有不予采用的,也有不允許用于GC1級管道的,對可以采用GB/T 8163無縫鋼管的設計壓力和溫度上限意見也不一致。

2.4 壓力容器規范的規定

壓力容器與壓力管道雖然是不同類別的特種設備,但是同樣具備承受帶壓力的流體介質在旋轉殼體中產生三向應力狀態的特點,不論無縫鋼管是作為壓力容器或壓力管道設備的殼體和開口接管,還是作為工藝管道，都同樣受著流體介質的壓力、溫度以及結構因素的影響,這是其共性。因此壓力容器設計規范關于無縫鋼管使用條件的規定,同樣可以在壓力管道設計規范中予以參考,因此本文列出GB 150.2—2011《壓力容器第2部分材料》(以下簡稱GB 150.2—2011)的有關規定:GB/T 8163中10、20號鋼和Q345D鋼管的使用規定如下:設計壓力不大于4.0 MPa;10、20號鋼和Q345D鋼管的使用溫度下限應為-10 ℃、0 ℃和-20 ℃;鋼管壁厚不大于10 mm;不得用于毒性程度為極度或高度危害的介質；不得用于換熱管[17]。

從GB 150.2—2011的規定可以看出以下兩點。

1)GB 150.2—2011對GB/T 8163的10、20號鋼的使用限制是依據2008年版的標準,該版采標的標準是EN 10216.1—2004,GB 150.2—2011對10、20號鋼使用限制的內容應該是常溫、帶壓的流體介質,且是無嚴重毒性的。

2)GB 50349—2015對GB/T 8163的無縫鋼管使用限制與GB 150.2—2011一致,其他壓力管道設計規范的規定與GB 150.2—2011的規定相差較遠或無明確規定。

2.5 分析

1)GB/T 8163規定的無縫鋼管自該標準頒布以來的30多年逐漸在壓力管道領域得到了較廣泛的使用,無縫鋼管的性能和質量也在不斷提高,但是由于該標準的無縫鋼管性能和質量尚有待進一步提高,且標準在規定“適用范圍”上不夠明晰,有的壓力管道設計標準對該標準無縫鋼管的使用條件限制規定不明確,且標準間的部分差異較大,在工程設計上使用該標準無縫鋼管時可能會造成潛在的安全隱患。因此,對該標準無縫鋼管使用條件有必要進行探討與論證。

2)GB/T 8163無縫鋼管的適用范圍在標準編制時應有定位,并應在標準第一章中予以明確,這是該標準存在的較大缺陷,中國已有的非合金鋼無縫鋼管標準均明確了使用范圍,而且在標準名稱中就予以明確。如:GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》、GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》、GB 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》、GB 9948—2008《石油裂化用無縫鋼管》、GB 18248—2008《氣瓶用無縫鋼管》、GB 18948—2016《低溫管道用無縫鋼管》。

3) GB/T 8163中的10、20號鋼無縫鋼管的使用條件應以采標標準EN 10216—1:2004對應鋼號確定,對于無采標標準的Q345、Q390等鋼號的使用條件編制說明應給予說明,以供采用無縫鋼管的工程設計人員參考。

3 無縫鋼管標準的對比分析

天然氣集輸管道工程應該如何選用無縫鋼管,需通過對無縫鋼管標準的對比分析,結合工程設計條件和環境條件進行確定。所以對無縫鋼管標準技術要求進行對比分析是必要的,GB 6479—2013、GB 5310—2017、GB/T 8163—2018常用無縫鋼管鋼號技術要求的差異,主要表現在化學成分中磷、硫含量、鋼管制造方法、交貨狀態、力學性能、斷后伸長率A、沖擊試驗、非金屬夾雜物等方面[18-19],見表5。

表5 常用無縫鋼管鋼號技術要求對比表Tab.5 Technical requirements comparison of frequently used seamless steel pipe numbers

對比分析如下。

1)GB/T 8163—2018的20號鋼無縫鋼管從化學成分、有害元素含量、鋼的制造方法、交貨狀態、塑性和韌性、非金屬夾雜物含量和定級方面，均較同強度等級的GB 6479—2013和GB 5310—2017無縫鋼管在性能和質量上低,這些差異對鋼管質量的危害性詳見本文前述。

2)GB 6479—2013和GB 5310—2017的20和20 G鋼無縫鋼管在保證其高品質的化學成分、制造方法和力學性能等方面具有相同的技術要求外,又有其各自不同的特性要求。GB 6479—2013的20號鋼無縫鋼管具有低溫沖擊韌性性能,可以用于低溫-20 ℃(10號鋼可用于-30 ℃低溫)的工況下；GB 5310—2017的20 G鋼則具有高溫性能,因為高壓鍋爐的工況是高溫高壓,所以具備高溫力學性能和10×104h的持久強度及對全脫碳層的要求,這些都是高溫性能的技術要求,這些性能在標準中規定且必須達到的。

3)天然氣集輸管道工程的使用條件一般是高中壓和常溫或低溫工況,天然氣屬于易燃且具爆炸性的介質,在氣田集輸工程中的天然氣一般還具有較嚴重的腐蝕性,選擇無縫鋼管標準時,GB/T 8163—2018的20號鋼無縫鋼管顯然不適合于高壓或較高壓力或低溫的工況下使用,GB 5310—2017的20 G鋼無縫鋼管具備高溫高壓使用的性能,但是不具備低于0 ℃以下的性能。因此如果選用20 G鋼,則存在浪費其高溫性能,而低溫性能可能略顯不足的問題;GB 6479—2013的20號無縫鋼管則從設計壓力和設計溫度及質量上適合天然氣集輸管道工程的工況,因此一般情況下,應該首選GB 6479—2013的20號鋼的無縫鋼管。

4 對GB/T 9711—2017無縫鋼管的分析

4.1 PSL1和PSL2的主要差別

GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》是專門用于油氣輸送管道工程的鋼管,包括無縫鋼管和焊接鋼管。它是根據ISO 3183:2012《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》(以下簡稱ISO 3183)和API SPEC 5 L第45版《管線鋼管規范》(以下簡稱API SPEC 5 L)編制的。它包含兩種產品規范水平(PSL1和PSL2),PSL2無縫鋼管與PSL1無縫鋼管不僅在磷、硫含量及其他方面有較大差異,而在性能上最大區別是PSL2要求對管體進行0 ℃或協議規定較低溫度的夏比V形缺口沖擊試驗,符合標準規定的沖擊功值,而PSL1則無此要求。

夏比V形缺口沖擊試驗是無縫鋼管不發生脆性斷裂或延性斷裂擴展很重要的指標。筆者曾經親歷一項管道工程中對GB/T 9711的PSL1無縫鋼管作夏比V形缺口沖擊試驗,各個規格的鋼管沖擊功值在常溫試驗溫度下都很低,說明現在天然氣集輸管道工程中不采用PSL1級的無縫鋼管正確。

4.2 PSL2無縫鋼管應補充技術要求

GB/T 9711標準自頒布以來,逐漸在油氣管道工程中得到推廣使用,雖然ISO 3183和API SPEC 5 L鋼管標準在內容上是一個完整的標準體系,但在兩個方面與中國國情不同。一是由于這兩個標準在國外應用中均與輸氣管道工程設計規范配套使用,且有著完整的引用標準、規范體系。ISO 3183配套輸氣管道工程設計規范是ISO 13623《石油天然氣工業管道輸送系統》,API SPEC 5 L 配套輸氣管道工程設計規范是AEME B 31.8《輸氣和配氣管道系統》。二是這兩個鋼管標準均有成體系的原料鋼和管坯冶煉、制造及鋼管性能和質量檢驗標準配套,和與之相適應的鋼管生產體系。但是我們采標過來的僅是單獨的鋼管標準,而非完整的標準體系采標,鋼管生產體系不同,因此,按這兩個標準編制的GB/T 9711—2017標準在使用過程中必須根據中國工程的實際現狀補充技術要求,完善鋼管的制造和檢驗要求,這種做法已經在大型輸氣管道工程中得到了成功的應用。

在天然氣集輸管道工程中，對GB/T 9711—2017標準中規定的無縫鋼管，應予以補充的技術要求至少應包含以下內容,特別是在受環境溫度影響嚴重的低溫地區和高含硫天然氣的工況下更有必要做以下補充要求。

1)制造方法方面,鋼的冶煉應經爐外精煉并加真空脫氣;管坯檢驗標準。

2)材料方面,碳當量值的調整;對非金屬夾雜物級別限定;對晶粒度的規定;對帶狀組織評定(經調質熱處理的無縫鋼管中的索氏體帶狀組織,目前存在評定標準不確定的問題(6))。

3)管體的夏比V形缺口沖擊試驗的試驗溫度及沖擊功的合格值,必要時應進行系列溫度下的沖擊試驗,以確定鋼管韌脆轉變溫度。

4)落錘撕裂試驗。

5)檢驗頻次。

5 結論

天然氣集輸管道工程可以選用的無縫鋼管標準,在使用時應根據其性能和質量,再結合工程設計條件及環境條件區別對待,以確保工程的長期安全運行。

1)GB/T 8163—2018中的20號鋼無縫鋼管只宜用于常溫條件下,且設計壓力低于4.0 MPa的管道工程中,建議設計壓力不大于2.5 MPa。建議GB/T 8163—2018修訂再版時,適用范圍應作明確表述。

2)GB 6479—2013和GB 5310—2017的鋼管，應優先選用GB 6479—2013的無縫鋼管,如果要采用GB 5310—2017的無縫鋼管,應根據設計參數和環境最低溫度決定是否補充要求作低溫夏比V形缺口沖擊試驗,并確定其合格值。

3)GB/T 9711—2017的無縫鋼管在使用時,應根據工程的設計條件和環境溫度條件,對標準進行必要的技術要求補充,天然氣集輸管道工程不應采用PSL1規范水平的無縫鋼管。