高壓大口徑輸氣管道用管件設計制造技術分析

張有渝 陳 鳳 韓霈霆 張 勇 劉 俊 何 焱

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司,四川 成都 610041;2. 四川長寧天然氣開發有限責任公司,四川 成都 610051

0 前言

20世紀90年代,陜京管道工程開始設計、施工直至建成投產歷經7年,開啟了中國輸氣管道工程現代化建設的篇章。輸氣管道工程朝著高壓大口徑、長距離、大輸量的方向發展,管道用管件也要求高壓大口徑,對管件鋼材則要求高強度,且在厚壁條件下具有良好的韌性和可焊性,以及制造工藝上具有良好的熱加工塑性。管件包括彎頭、三通(含清管三通)、異徑接頭、管帽(管封頭),從管件應力分析和設計制造工藝的復雜性以及應用數量上比較,主要為彎頭和三通。近30年來,管件設計、制造技術經歷了從引進國外產品到逐步實現國產化的發展,滿足了大型輸氣管道工程建設的需求,但是在管件設計、制造技術上始終存在兩個技術問題,阻礙著管件設計、制造技術的提高,導致這兩項技術與國際先進技術水平存在較大差距。

1)彎頭、三通的壁厚設計計算始終采用公式法(即數學分析法),未進展到管件標準規定的、先進的且在國際上廣泛應用的驗證試驗法,導致高壓大口徑彎頭、三通的壁厚居高不下,不僅浪費資源,提高成本,還給管件制造工藝和安裝焊接增加困難,從技術進步角度分析,公式法相對于驗證試驗法是落后和偏于保守的計算方法;且在某些設計參數和環境條件下,高壓大口徑三通的重要性能達不到設計要求,雖然管道工藝采取了技術措施來彌補,但三通性能達不到設計要求的問題并未解決。

2)高壓大口徑彎頭、三通的材質已有中國的管件鋼標準為依據,但該標準的編制與管件鋼的使用尚處于初期發展階段,其中的一些重要規定，如管件鋼夏比V型缺口沖擊試驗溫度和管件鋼系列等也有待于商榷。

輸氣管道用高壓大口徑管件同樣適用于氣田集輸管道工程,特別是熱模壓拔制三通結構,由于避免了三通支管與主管之間的焊接結構,更有利于含硫濕天然氣管線的防腐蝕和避免焊接結構的缺陷問題;雖然集輸管道直徑不大,但由于氣田高壓條件,也會導致彎頭、三通壁厚較大,采用驗證試驗法確定壁厚和采用管件鋼,同樣有利于氣田集輸管道用管件壁厚的減薄和用材的合理性。

本文就上述技術問題進行分析,并提出解決問題的建議。

1 管件受力分析

1.1 彎頭

彎頭主要用于改變管道方向,有兩種制作成型工藝:一種是鋼管中頻感應加熱推制工藝;另一種是鋼板壓制成型工藝。根據筆者參與國內多項大型輸氣管道工程設計的了解,國內外管件公司使用這兩種工藝制作彎頭是有區別的。國外管件公司一般對DN≤600 mm的彎頭用無縫鋼管中頻感應加熱推制,DN>600 mm的彎頭則用鋼板壓制成型工藝;國內管件公司未按彎頭口徑來區別采用彎頭彎制工藝,DN≤700 mm可以用前述兩種工藝中的一種制作,DN>700 mm則用鋼板壓制成型工藝制作。這兩種制作工藝對成型后彎頭壁厚的改變是不同的。一般中頻感應加熱推制使彎頭的外弧側壁厚減薄,內弧側壁厚增大明顯;鋼板壓制成型工藝制作的彎頭內、外弧側壁厚變化不大,彎頭中性面的壁厚則無改變。由此可見,彎頭壁厚變化與彎制工藝關系較大[1]。

彎頭承受介質內壓后,內弧側環向應力比外弧側環向應力大,最大環向應力位于內弧側,中性面上的環向應力則等于直管環向應力,且彎頭內、外弧側環向應力相對于直管環向應力的變化值是通過公式計算確定。彎頭在介質內壓作用下的軸向應力則與直管的軸向應力相等,無改變[1-2]。

彎頭在推制/壓制成型過程中,不可避免地會在其橫截面上產生橢圓度,該橢圓度在彎頭承受介質內壓后有趨圓的變化,在彎頭壁上產生附加彎曲應力,使得彎頭橫截面上外弧側短軸的外表面和中性面上長軸內表面均承受附加應力,見圖1。該附加應力也可通過公式計算確定[1-2]。

圖1 彎頭截面示意圖Fig.1 Elbow section sketch

大量的爆破試驗證實,用中頻感應加熱推制工藝成型的彎頭,水壓試驗爆破的起裂點是在外弧側或中性面附近[1];但不排除在用鋼板熱壓成型制作彎頭時,彎頭的水壓試驗爆破的起裂點發生在內弧側附近,這有實例證實。

綜上所述,彎頭在用原材料鋼管或鋼板推制/壓制成型的過程中,由于結構形狀的改變和制作工藝的影響,導致彎頭壁厚變化以及橢圓度的產生,使得彎頭不同部位的環向應力發生改變,應予以關注的部位是彎頭的內、外弧側和中性面,產生最大應力的部位一般在彎頭外弧側或中性面附近,但也不排除在用鋼板壓制工藝成型彎頭時,內弧側會成為最大應力危險點。

1.2 三通

熱模壓拔制三通結構見圖2。熱模壓拔制三通是將原材料鋼管在加熱爐中多次加熱后,逐次在壓力機和模具的作用下拉拔成型,其制造工藝無論是對原材料鋼管采用長度補償工藝,還是采用直徑補償工藝,均會對原材料鋼管的壁厚造成重大改變,根據筆者參加國內多項大型輸氣管道工程了解的工藝,國內外很多管件公司均采用直徑補償工藝制造熱模壓拔制三通,該工藝使三通肩部、腹部壁厚增大。三通壁厚變化的規律大致是:主管端部橫截面上的壁厚是變壁厚,上部最厚,底部最薄,壁厚順序是上部>腹部>底部;支管端部橫截面上的管壁則基本為等壁厚;從支管端部沿支管、主管軸線方向經肩部至主管端部的壁厚是變壁厚,厚度逐漸增大,支管端部壁厚最小,主管端部壁厚最大;主管底部沿主管軸向的壁厚變化不大;主管腹部壁厚較原材料鋼管增厚;三通主、支管各部位壁厚較原材料鋼管壁厚變化大且復雜。由此可得出結論:熱模壓拔制三通是變壁厚的異形元件,用精確理論解析方法計算其應力較困難[1]。

圖2 熱模壓拔制三通結構示意圖Fig.2 Hot-drawing forming tee structure sketch

熱模壓拔制三通在介質內壓作用下,最大應力區位于三通肩部內側圓弧處,次之應力區位于腹部外壁處,這是由于在介質內壓作用下,三通管壁除了承受薄膜應力外,在肩部因結構形狀變化產生了附加彎矩,導致肩部出現附加彎曲應力,二者疊加的結果使肩部成為三通最大應力區,合理的三通肩部內外壁圓弧半徑可以有效改善肩部內壁圓弧處的應力集中;三通腹部由于壁厚變化成為另一個高應力區[1];國內多項大型輸氣管道工程做的三通水壓試驗爆破結果表明,三通在壓力下爆破起裂點大多數位于三通肩部。

高壓大口徑三通水壓試驗爆破結果反復證明了下述論點:一是三通肩部并非最薄的部位,但由于其結構形狀變化導致的應力集中,使肩部成為三通應力最大區域,該處是三通應力最危險的部位;二是判定三通是否安全的決定性區域應是其肩部,肩部壁厚是決定三通在內壓下安全運行的關鍵數據,所以三通設計計算的壁厚應為確定肩部壁厚。

1.3 異徑接頭和管封頭

異徑接頭和管封頭是輸氣管道中使用較少的管件,它們都是以1條與其中心軸線相交的直線或橢圓曲線,圍繞中心軸線回轉360°形成的錐殼或橢圓球殼體,GB 50251《輸氣管道工程設計規范》[3](以下簡稱GB 50251)和GB 50349《氣田集輸設計規范》[4](以下簡稱GB 50349)均規定異徑接頭和管封頭設計計算按GB 150.1～150.4《壓力容器》[5](以下簡稱GB 150.1～150.4)執行。

異徑接頭和管封頭一般用鋼板卷制/壓制或旋壓而成,在成型過程中厚度變化較小和變化有規律,可控可測,這是異徑接頭和管封頭與彎頭和三通在制造工藝結果上最大的區別。

1.4 壓力容器內壓圓筒

壓力管道的管線鋼管和管件在介質內壓作用下產生的薄膜應力,與壓力容器內壓圓筒(含橢圓封頭,下同)上的薄膜應力都是應用薄膜理論分析和計算的。因此,為了對管件做進一步分析,對壓力容器內壓圓筒作簡要論述。標準規范(如GB 150.1～150.4)對壓力容器內壓圓筒壁厚計算規定用薄膜應力公式[6-7],并對其公式適用范圍、設計數據選取、壁厚的計算都做了明確規定,而且對內壓圓筒的制造工藝和尺寸形狀偏差檢驗等也有明確規定。

GB 150.1附錄C對無法按照薄膜應力公式確定內壓圓筒壁厚或其他結構尺寸的壓力容器或受壓元件作了以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力的規定,但又明文指出:“凡能夠按GB 150.3要求準確規定其計算厚度的受壓元件,其結構強度設計應滿足GB 150.3的要求,不用本附錄的方法”[5]。對常規壓力容器內壓圓筒,其壁厚計算、鋼板卷制成圓筒的圓度和封頭壁厚減薄量以及殼體直線度等形狀偏差都能滿足GB 150.1～150.4規定,而不必用驗證性爆破試驗。

至于壓力容器水壓試驗,是為了全面綜合檢驗壓力容器的整體強度,對容器選材、設計計算、結構以及制造的綜合性檢查[7],與驗證性爆破試驗是不同的概念。

1.5 小結

1.5.1 影響管件應力分布的因素

壓力管道用管件,特別是高壓大口徑管件的應力分布,與管件結構、形狀有很大關聯,且管件的制造工藝直接影響到管件形狀尤其是其壁厚的變化,又以三通的壁厚變化受制造工藝的影響最大,因為其壁厚變化較大而成為異形元件,次之是中頻感應加熱推制彎頭;異徑接頭和管封頭的結構形狀和壁厚變化比較有規律;制造工藝對其沒有較大的影響。

1.5.2 管件形狀變化對壁厚計算的影響

GB 150.1附錄C關于無法用公式法進行結構設計計算的壓力容器或受壓元件可以用驗證性爆破試驗確定設計壓力的規定,對于壓力管道用管件,特別是對定義為變壁厚異形元件的熱模壓拔制三通的設計計算有啟示意義。

2 大型輸氣管道工程進口管件的回顧與啟示

2.1 回顧

20世紀90年代,中國自行設計、施工建設的陜京管道工程干線設計壓力6.4 MPa,公稱直徑DN650(外徑660.4 mm),全長853.3 km,是中國第一條現代化天然氣長輸管道,干線鋼管采用API SPEC 5L的X60級管線鋼管,工程用管件彎頭采用中頻感應加熱推制工藝制造,材質為X60、X52、B級,三通采用熱模壓拔制成型,還有少量異徑接頭,管件由國外管件公司制造[8],開啟了中國輸氣管道工程管件技術現代化的進程,告別了落后的焊制三通結構和彎頭彎制工藝。

西氣東輸管道工程設計壓力10 MPa,干線公稱直徑DN1 000(外徑1 016 mm),設計輸量120×108m3/a,干線長度3 894 km,干線采用X70級管線鋼管,配套的管件材料采用美國管件標準MSS SP-75 High-strength,wrought,butt-welding fittings[9](以下簡稱MSS SP-75)規定的管件鋼WPHY70、WPHY60,彎頭、三通分別采用中頻感應加熱推制工藝和熱模壓拔制工藝制作,管件標準執行以MSS SP-75為基礎補充必要技術要求形成的技術規格書。工程前期采用招標形式進口國外管件公司管件,以滿足工程進度的要求;工程后期國內管件公司經過試制和爆破試驗驗證,達到了高壓大口徑管件自制的能力,工程上使用了國產高壓大口徑管件,材質選用X70、X60管線鋼[10]。

陜京二線管道工程是繼西氣東輸工程之后又一大型輸氣管道工程,干線設計壓力10 MPa,公稱直徑DN1 000(外徑1 016 mm),設計輸量120×108m3/a,干線長度935 km,采用X70級管線鋼管,工程用管件彎頭、三通材質為MSS SP-75規定的WPHY70、WPHY60,彎頭、三通分別采用中頻感應加熱推制工藝和熱模壓拔制工藝制作,管件標準執行以MSS SP-75為基礎補充必要技術要求形成的技術規格書。為滿足工程進度的要求,工程前期通過招投標方式,確定了從國外進口高壓大口徑管件,工程后期通過建設方和設計方、制造方管件制造公司協商一致的意見,開展了采用從國外進口WPHY70、WPHY60鋼板,試制彎頭、三通并作爆破試驗的研制項目,研制成果獲得了有關部門的鑒定通過,成功用于陜京二線管道工程。

高壓大口徑管件的進口,不僅保證了各輸氣管道工程的工期要求,更是從技術質量上對管道工程的長期安全運行提供了保證,同時也對中國大型輸氣管道工程管件設計、制造技術起到了很大的促進提高作用,縮小了這方面與國際先進水平的差距。

高壓大口徑管件設計制造執行的標準MSS SP-75是國際上通用的先進管件標準,在管件招投標中,根據各大型輸氣管道工程的設計參數和環境條件,設計方對標準技術要求做了必要的補充或修改[10-11],如對管件管材、焊縫及熱影響區應作-30 ℃的夏比Ⅴ型缺口沖擊試驗,其夏比沖擊功值和斷口處的剪切面積應滿足表1要求。

表1 管件沖擊試驗合格值表Tab.1 Pipe fitting impact test acceptable value

MSS SP-75規定:夏比V型缺口沖擊試驗溫度為 -6.6 ℃ 或更低,合格值為27 J(3個試樣平均值)。

國外管件公司為陜京管道工程、西氣東輸管道工程和陜京二線管道工程生產的進口管件計算方法均采用MSS SP-75規定的驗證試驗法確定壁厚,沒有采用公式法計算管件壁厚,但是同屬于一個工程的小口徑管件(DN<400 mm)由國內管件公司中標設計制造,其壁厚計算都是采用公式法,厚度比驗證試驗法厚了很多,即便是西氣東輸管道工程和陜京二線管道工程后期進行的高壓大口徑管件研制和試驗項目中的管件壁厚,也是采用公式法計算確定壁厚,這就是管件設計計算水平上的差距。

2.2 啟示

1)高壓大口徑、長距離、大輸量的天然氣輸送管道用進口管件彎頭、三通,采用計算方法先進、結構合理、制造工藝先進、國際通用的管件標準,保證了管道長期平穩安全運行,為中國高壓大口徑輸氣管道工程建設達到國際先進水平提供了一個良好的平臺。

2)進口管件不僅保證了大型管道工程的建設進度要求,也為中國管件的設計、制造提供了學習國外先進技術的契機,但也反映出國內高壓大口徑輸氣管道用管件設計計算、材料和制造工藝上的差距,雖然工程后期以及其后的大型輸氣管道工程中都做了很大努力,但是這種技術上的差距依然存在,有待努力予以消除。

3)上述各輸氣管道工程高壓大口徑進口管件的壁厚計算均采用MSS SP-75規定的驗證試驗法,而國內管件公司為各大型輸氣管道工程制造的管件,確定管件壁厚的計算方法一直是公式法,二者的差別就在于驗證試驗法確定的壁厚,較相同設計參數和同材料、規格采用公式法計算的壁厚要薄得多。壁厚差異帶來的不僅是經濟和技術上的差別,更重要的是在某些設計參數和環境條件下影響到管件的制造質量,由于達不到設計的技術要求,從而導致管件對管道運行安全產生潛在的風險,這個設計、制造上的技術問題亟待解決。

4)高壓大口徑管件用材料,是進口管件和國產管件的一大差別,進口管件在上述工程中采用了MSS SP-75規定的管件鋼材料WPHY60、WPHY70,在國內管件公司對管件試制和研發中采用了管線鋼管材料X60、X70,雖然也采用了進口鋼板WPHY60、WPHY70研制管件,但不可能大量進口鋼板用于制造高壓大口徑管件,這也是有待解決的重要技術問題。

3 管件鋼

高壓大口徑輸氣管道不僅需要用大量的管線鋼管,而且必須有大量的管件與之配套,由于管線鋼管和管件在同一輸氣管道工程中具有相同的設計參數和環境條件,因此管線鋼管和管件鋼應該具有相同或相近的強度等級及基本的性能要求,例如高強度、良好的韌性和可焊性;由于管件在結構和制造工藝上不同于管線鋼管,因此管件鋼在化學成分、金相組織和工藝性能等方面又有別于管線鋼管,這就是管件鋼與管線鋼管既配套又有區別的原因,管線鋼管與管件鋼這種配套關系最好就是通過建立各自不同的技術標準,但是在標準中又相互呼應來體現。

3.1 美國管件鋼標準

美國天然氣輸送管道用鋼管有標準API SPEC 5L《API管線鋼管規范》[12](以下簡稱API SPEC 5L)予以規定,與之相配套的管件鋼標準有MSS SP-75和ASTM A860/A860M Standard specification for wronght High-strength ferritic steel bultt-welding fittings[13](以下簡稱ASTM A860/A860M),當然也可以用其他標準的材料做管件,該兩管件標準均規定了管件鋼的材料等級,為了說明其與管線鋼管的配套關系,將以上標準的對應鋼級/牌號和強度列于表2[9,12-13]。

表2 管件鋼與管線鋼管鋼級對比表Tab.2 2 Comparison of steel grade between pipe fitting steel and pipeline steel

從表2可以看出,管件鋼的鋼級及強度與管線鋼管的鋼級及強度是相對應的。

MSS SP-75和ASTM A860/A860M的適用范圍為高壓天然氣和石油輸送及分配系統,與API SPEC 5L的適用范圍(規定了石油天然氣工業管線輸送系統用無縫鋼管和焊管的制造要求[12])一致,其他的異同之處可自行對比,本文不再敘述。

MSS SP-75和ASTM A860/A860M對管件鋼質量要求有差別,主要表現在化學成分的有害元素P和S含量、碳當量、管件鋼冶煉工藝及金相組織,以及沖擊韌性試驗溫度和合格指標等方面,ASTM A860/A860M明顯比MSS SP-75嚴格,特別是ASTM A860/A860M規定的沖擊韌性試驗溫度為-46 ℃,3個試樣夏比沖擊功平均值最小為40 J。根據與國外管件公司技術交流認為,ASTM A860/A860M的管件鋼適用于含硫濕天然氣環境或低溫工況下。

3.2 對管件鋼的思考

3.2.1 管件鋼的性能要求

高壓大口徑、長距離、大輸量的天然氣管道工程不僅對管線鋼管有性能要求,同樣對管件鋼也有與之相同的性能要求[14],即高強度、良好的韌性和可焊性等。

由于管件鋼用于高壓大口徑管件、管件的結構特別是彎頭和三通較管線鋼管復雜,應力分布不均,上述三通屬于變壁厚異形元件,壁厚比同設計參數、環境條件和同規格的管線鋼管要厚,彎頭、三通的熱加工成型工藝也比管線鋼管復雜,因此對管件鋼還要求具有良好的熱加工塑性,并且能夠通過管件成型后的熱處理工藝,恢復和達到設計對管件要求的金相組織與力學性能,特別是良好的韌性,從技術和質量上保證管件在輸氣管道工程長期平穩運行中的安全性。

3.2.2 管件鋼的技術問題

西氣東輸管道工程和陜京二線管道工程用高壓大口徑管件,DN>400 mm彎頭、三通均為進口管件,管件材質根據其尺寸分別采用MSS SP-75的WPHY60、WPHY70;工程后期進行國內試制管件時,出現了采用何種國產鋼材的問題,由于國內沒有與管線鋼管標準相配套的管件鋼標準,但在高壓大口徑的設計參數和低溫環境條件下,要求采用的鋼材必須具備高強度和良好的韌性、可焊性及工藝性能,且又有一定的工程建設進度要求,在面臨這些技術和管理問題的前提下,經過多次研討,決定采用TMCP工藝生產的管線鋼X60、X70作為管件用鋼,但同時認為該用鋼決策在技術上不合理,因為TMCP工藝生產的鋼材在經過多次加熱模壓拔制工藝過程中,其具有的細晶粒金相組織和高強度、良好的韌性已經喪失了,在管件加工成型的最后工序又要采用熱處理工藝恢復管件的性能,才能達到工程設計的要求。從技術上來講,這是一種不合理且浪費資源的工藝[10,14],在西氣東輸管道工程進口管件招投標過程中,與國外管件公司技術交流時,外方曾介紹過這方面的技術問題,意見與上述觀點一致。

陜京二線管道工程后期曾有國內管件公司采用進口WPHY60、WPHY70鋼板研制高壓大口徑管件的嘗試,獲得了成功,并通過正式鑒定。但長期從國外進口管件鋼板用于制造高壓大口徑管件,從技術經濟、工程進度安排和決策上而言不是長久之計。

3.2.3 管件鋼的成分與性能思考

工程上對管件鋼與管線鋼管有相同或相近的性能要求,但是管件鋼與管線鋼管的結構和功能不同,制造工藝不同,二者在化學成分、金相組織和冶煉軋制工藝,及其他工藝性能上有很大區別,即使相同等級的管件鋼如WPHY70,在MSS SP-75和ASTMA860/A860M的規定上也有很多區別,3項標準化學成分對比見表3,沖擊試驗對比見表4。

表3 管件鋼與管線鋼管標準化學成分對比表Tab.3 Comparison of standard chemical composition of pipe fitting steel and pipeline steel

表4 管件鋼與管線鋼管標準沖擊試驗對比表Tab.4 Standard impact test comparison of pipe fitting steel and pipeline steel

從表3可以看出,管件鋼與管線鋼管在鋼級相同時,無論是標準規定還是產品實物的化學成分元素含量上與管線鋼管有很多區別,這是因為鋼的化學成分各種元素是影響其塑性的主要因素,且各種元素及其含量對鋼的塑性有著各自不同的影響[15-16];表4表明不僅沖擊試驗的合格值不同,沖擊試驗的溫度差異更大,還有很多前述的差異,所以管件鋼絕不是簡單以管線鋼管用鋼替代,不僅在經濟上不合理,在技術上也不合理,盡管實踐上行得通,但是代用的現狀應該改變。

4 高壓大口徑管件技術難題

4.1 高壓大口徑管件壁厚設計計算方法

高壓大口徑管件壁厚是其在介質內壓下長期安全運行的基礎數據,采用公式法計算管件壁厚是中國油氣管道工程用管件設計至今的傳統方法,在高壓大口徑、長距離、大輸量天然氣管道發展趨勢下,當管件設計參數越來越大且在低溫環境條件時,高壓大口徑三通即使采用高強度鋼材,其壁厚采用公式法計算,有些三通壁厚采用國內管件制造公司裝備和制造工藝技術難以達到管道工程設計的技術要求,雖然工程設計采取了相應的技術措施解決矛盾,但三通質量達不到要求的問題并未解決,管道長期安全運行存在潛在風險。筆者多次參加大型輸氣管道工程管件設計技術研究會了解到:在設計壓力12 MPa,三通規格DN1 200 mm ×1 200 mm ×1 000 mm,設計系數0.4,材質X80,公式法計算出的壁厚52 mm,甚至有的厚達60 mm,這樣厚度的三通主管肩部、腹部沖擊功值(沖擊韌性試驗溫度-30 ℃)非常低,遠遠達不到設計要求。出現這種問題的原因是管件的設計計算采用公式法,該方法相對于驗證試驗法(雖然都是標準規定的設計計算方法)偏于落后保守,在同樣設計參數下,同規格的彎頭、三通用公式法確定的壁厚要厚得多,與國際先進水平差距大;經濟和資源上浪費很大,提高了管件成本;特別是厚壁三通給熱模壓拔制工藝增加了技術困難;且給以后的工程安裝焊接增加了工程量或施工難度,所以即使管件的設計計算方法不導致厚壁三通性能上質量問題的困境,也應該從公式法提升到采用驗證試驗法。

壓力管道管件的設計計算方法不同于壓力容器內壓圓筒的計算方法,雖然二者都是圍繞其中心軸線旋轉360°形成的回轉殼體,其壁厚計算都是按照薄膜應力理論的公式[1,6],但管件壁厚計算方法在標準中規定有公式法和驗證試驗法,兩種方法可以任意選用,且規定驗證試驗法優于公式法,在用公式法不能確定壁厚時,應采用驗證試驗法;而壓力容器內壓圓筒則一般只能采用公式法計算壁厚(除非公式法不能確定壁厚,才能采用驗證試驗確定設計壓力[5])。這是二者差異,原因本文不予贅述。

4.2 管件鋼的問題與建議

高壓大口徑管件中主要是彎頭、三通,在中頻感應加熱推制工藝和熱模壓拔制工藝中采用TMCP生產的管線鋼管作原料鋼管,技術不合理,經濟浪費,技術政策管理落后,前述美國管件標準MSS SP-75和ASTM A860/A860M的管件鋼與API SPEC 5L管線鋼管相對應配套的作法和中國大型輸氣管道工程進口管件采用WPHY管件鋼的例證已經說明了這個問題。

大型輸氣管道工程建設至今已20余年,不僅推動了管線鋼管標準的編制和管線鋼管的使用,也促成了管件鋼標準的編制和使用,管件鋼標準GB/T 30060—2013《石油天然氣輸送管件用鋼板》(以下簡稱GB/T 30060—2013)包含的9個牌號和強度等級與中國管線鋼管標準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)是相互對應配套的,GB/T 30060—2013中的9個牌號管件鋼化學成分不同于GB/T 9711—2017對應鋼管等級的化學成分,但其微合金元素的含量與ASTM A860/A860M—14中微合金元素含量相同或相近的,中國輸氣管道工程用管件鋼標準及管件鋼的使用,尚處于初期發展階段,還有很大的發展提高空間，為此提出以下幾點建議。

1)該標準規定的管件鋼僅限于鋼板,建議至少擴展到無縫鋼管。

2)根據輸氣管道工程的設計參數和環境條件,管件鋼宜分別規定為兩個系列,將使用于一般設計參數和環境條件的管件鋼與使用于低溫和氣田濕酸性環境的管件鋼分別編制成兩個系列的標準。

3)根據中國輸氣管道工程所處的環境條件,特別是氣候條件,管件鋼的夏比V型缺口沖擊試驗的試驗溫度-30 ℃值得商榷,宜規定為兩個系列試驗溫度,一個為-20 ℃/-15 ℃,另一個為-46 ℃,合格的沖擊功值可以探討。

4)與管件鋼配套的焊材與焊接工藝及管理應列入相應的標準中。

5)管件成品的性能不僅與管件鋼標準有關,而且與管件制造工藝關聯,因此應強化管件鋼原材料生產公司與管件公司的技術協商機制,在管件鋼標準中宜列入此規定,這是中國在鋼材生產上與國外很大的一個差別。在中國管件鋼標準實施過程中,管件公司如何改進三通制造工藝提高低溫(-30 ℃及以下)夏比V型缺口沖擊功值的技術難題是個重大課題,有待迅速解決。

5 管件設計計算采用驗證試驗法是唯一出路

5.1 依據與技術程序

5.1.1 依據

美國管件標準MSS SP-75和ASME B16.9 Factory-made wrought buttwelding eittings[17](以下簡稱ASME B16.9)均對驗證試驗法用于管件壁厚設計計算作了明確規定,而且還規定了公式法不適用的管件設計應采用驗證試驗法[9,17],這兩種標準在國際上通用。中國大型輸氣管道工程進口管件即以MSS SP-75標準為管件質量依據,再補充少量技術要求訂貨的,前述三通結構和壁厚變化已經定義其為變壁厚異形元件,其應力分布十分復雜,所以公式法計算必然導致三通是厚壁,只有驗證試驗法適合于三通這種變壁厚異形元件的壁厚確定。

陜京管道工程、西氣東輸管道工程、陜京二線管道工程進口的高壓大口徑管件壁厚設計計算均采用驗證試驗法確定,國外管件公司完全沒有提供公式法的計算書,在與國外管件公司技術交流中,對方很明確告知了這一做法;筆者曾在論文中力主中國輸氣管道工程管件設計計算采用驗證試驗法[11,18-19]。

在中國多項高壓大口徑輸氣管道工程的管件試制和設計中采用公式法確定管件壁厚的經驗也從反面告訴我們,公式法計算壁厚是十分保守落后的方法,已經導致高壓大口徑管件,主要是三通的厚壁結構超出了中國的管件制造公司裝備制造能力和工藝技術水平,難以保證管件的制造質量,試驗溫度在低溫-30 ℃甚至更低到-35 ℃、-46 ℃ 下的沖擊韌性達不到設計要求的指標。

公式法計算壁厚的保守落后再以下例說明:設計壓力12 MPa,三通規格1 219 mm ×1 219 mm ×1 016 mm,主管壁厚52 mm,材質X80,計算爆破壓力28.2 MPa,實際爆破壓力47.1 MPa,是計算爆破壓力的1.67倍,而管件標準規定爆破試驗壓力達到計算爆破壓力的1.10倍或1.05倍不破裂即為試驗合格[9,17]。

前述管件設計計算采用公式法存在一系列的技術落后、經濟浪費、給制造工藝和安裝焊接帶來困難等缺點,對管道工程造成長期、廣泛的影響,是必須改變的問題。

高壓大口徑管件壁厚設計計算采用驗證試驗法,在理論上和工程實踐上均有充分依據。更重要的是,采用驗證試驗法是輸氣管道工程技術進步的需要。作為中國輸氣管道工程主要設計規范的GB 50251和GB 50349,宜在相關條文中補充有關驗證試驗法的規定。

5.1.2 技術程序

驗證試驗法在技術上實施的具體做法即技術程序,在MSS SP-75和ASME B16.9中有明確規定。

1)驗證試驗的唯一方法是強度爆破試驗。強度爆破試驗的裝置設計要求包含:試驗管件兩端的管段長度,焊接及裝置封閉結構,用作試驗的管件樣品的選擇,試驗介質等。

2)試驗壓力合格值的確定。

3)試驗合格的管件適用范圍。

4)制造商應向買方提供驗證試驗的設計文件和試驗結果文件。

5)采用驗證試驗法的大量工作是在強度爆破試驗及其后的總結上,按照標準規定驗證試驗的適用范圍,在以后工程上應用驗證試驗成果則比較簡單。

采用驗證試驗法的技術程序至少包含以下內容。

1)根據驗證試驗結果的適用范圍,確定試驗管件的設計壓力和規格尺寸。

2)驗證試驗確定的管件壁厚位置:美國技術標準在某些內容的規定上比較寬松或粗放(更有利于創新),這是同中國技術標準的一個重要區別,MSS SP-75和ASME B16.9并未明確規定判定管件合格的壁厚位置,根據與國外管件公司技術交流的信息,三通應確定肩部壁厚,彎頭應確定內弧側壁厚;三通結構還應遵循ASME B31.8 Gas transmission and distribution piping systems[20]的規定,特別是肩部圓弧半徑尺寸的規定。

3)作為驗證試驗成功的管件結構和制造工藝,應作為今后的管件結構和制造工藝規范(MPS),并形成書面文件。

4)應由具有國家認證資格的第三方機構現場見證管件強度爆破試驗,并出具書面文件確認驗證試驗,作為今后的工程設計依據。

5)驗證試驗的管件結構應該是優化的,特別是三通肩部壁厚和彎頭內弧側壁厚,不僅與結構有關,更與管件材質、金相組織和制造工藝相關,因此,不同的國外管件公司同樣采用驗證試驗法確定壁厚,但在相同設計參數下其壁厚值卻不同,因此為了優化管件壁厚,驗證試驗可能會進行多次才能選定優化的壁厚;且不同的管件公司可能有不同的數值和不同的制造工藝規范(MPS)。

5.2 驗證試驗的實施程序

國際上管件設計計算的驗證試驗法已列入標準且應用多年,尤其是美國管件標準MSS SP-75和ASME B16.9在國際上得到普遍認可和通用。但由于中國國情不同,不能照搬,考慮中國國情,對高壓大口徑管件采用驗證試驗法確定壁厚的實施程序提出建議。

1)以中國管件標準規定的驗證試驗法為理論根據和實施依據。

2)驗證試驗法的實施涉及到參與大型輸氣管道工程建設的各方,至少包括建設方、設計方、材料研制方、管件制造方,驗證試驗經歷時間較長,需花費大量的人力、資源和財力,因此應在大型輸氣管道工程實施建設前較長的一段時間即開展并完成此項工作。

3)驗證試驗法實施的組織者宜由管道建設方承擔。

4)驗證試驗實施方案可考慮下述兩種方式之一:一是各管件制造方自行邀請建設方、設計方和材料研制方參與制定試驗方案,方案實施的責任由管件制造方承擔;二是建設方組織各方參與制定試驗方案,由各管件制造方自行完成試驗,試驗成果屬管件制造方所有。

5)驗證試驗經費由建設方組織協商解決,試驗合格的管件制造方今后應有資格參與大型輸氣管道工程建設的管件制造。

6)確定國家認可具有管件驗證試驗認證資格的第三方機構。

6 結論

1)高壓大口徑管件是大型輸氣管道工程必不可少的重要組成件,管件設計計算和材質及制造工藝不僅關系到管件結構的先進性和經濟性,更影響到管件乃至管道工程長期運行的安全性。

2)管件的結構形狀和在介質內壓作用下的應力分布狀態遠比壓力容器內壓圓筒復雜,高壓大口徑熱模壓拔制三通由于自身結構和制造工藝的原因,導致各部位壁厚變化復雜,屬于變壁厚異形元件。

3)主要的高壓大口徑管件彎頭、三通采用公式法設計計算,存在技術落后,經濟成本高、資源浪費,給制造工藝和安裝焊接帶來困難等缺點,對管道工程的這種不良影響長期存在;特別是高壓大口徑三通,即使應用高強度鋼材,采用公式法計算的壁厚,在某些設計參數和環境條件下,厚度可能使管件制造公司的裝備和工藝技術難于達到設計對管件的技術要求,表現出的質量問題是三通在低溫下的沖擊功值不合格,這種現狀亟待改變。

4)美國管件標準MSS SP-75和ASME B16.9規定的驗證試驗法是國際普遍采用的管件設計計算方法,中國多項大型輸氣管道工程進口管件均采用驗證試驗法確定壁厚,運行至今安全可靠,證明該法的先進性和安全性;解決高壓大口徑管件設計計算困境的唯一出路是采用驗證試驗法;屬于變壁厚異形元件的熱模壓拔制三通更適于采用驗證試驗法確定壁厚。

5)建議作為中國輸氣管道工程設計和氣田集輸工程設計的主要規范,在管件設計計算的條文中補充有關驗證試驗法的規定。

6)管件設計計算采用驗證試驗法應按管件標準規定進行強度爆破試驗,并事先制定技術方案、實施程序和作周密的組織安排,有第三方機構見證鑒定,為以后推行驗證試驗法作好數據資料的搜集整理工作。

7)中國大型輸氣管道工程用管件鋼的標準和使用尚處于初期發展階段,標準規定的管件鋼鋼材類型,管件鋼系列的劃分和夏比V型缺口沖擊試驗溫度以及管件鋼原材料公司與管件公司的協調機制均有待進一步發展,提升到新的水平。