局部加熱和整體加熱技術(shù)對X90鋼級熱煨彎管性能的影響

劉金生， 李玉卓

（中油管道機械制造有限責(zé)任公司，河北廊坊065000）

0 引言

管道輸送作為第四種運輸方式，是石油天然氣最經(jīng)濟安全的運輸方式之一。在管道安全可靠的前提下，如何最大限度地降低管道建設(shè)成本和提高管道輸送效率，一直是管道建設(shè)投資者和管道運營企業(yè)長期關(guān)注的問題。目前國際上主要采用提高鋼級、增大口徑進行高壓輸送的方法來提高管輸效率和降低成本。已經(jīng)建成的西二線和西三線采用了管徑1219 mm、壓力12 MPa、X80方案，經(jīng)濟輸量范圍為250～300億m3/年，不能滿足更大輸量的需求。而西四線、西五線規(guī)劃輸量450億m3/年,比西二線設(shè)計輸量增加了50%。要進一步提高管道輸量，最可能選用的方案就是進一步提高管道鋼級，采用X90或X100超高強度管線鋼。X80鋼級管線鋼管已在多個國家的天然氣輸送線上應(yīng)用，但X90管線鋼管尚未被系統(tǒng)研究（僅70年代初有少量X90的原型，不能代表實際的生產(chǎn)），目前世界上還沒有X90管線；X100管線鋼管已得到廣泛研究，但仍未有一條真正的管線工程。

高壓大流量長距離油氣輸送已經(jīng)成為國際石油天然氣管線的技術(shù)發(fā)展方向。長距離管道輸送必須應(yīng)用彎管。彎管是管道輸送系統(tǒng)中必不可少的壓力管道元件，它作為改變管道走向的管件，除了是改變結(jié)構(gòu)方向或輸送介質(zhì)流向的管路元件，還起著增加管系柔性，吸收由于管道內(nèi)壓及熱膨脹（收縮）而引起的管道應(yīng)力的作用。冷彎彎管曲率半徑較大（40D），可在一般施工現(xiàn)場制作；而熱煨彎管曲率半徑較小（3D≤6D），通常工廠化制作，采用電感應(yīng)加熱的方式進行煨制，我們將用于熱煨彎管的鋼管叫做“熱煨彎管母管”（簡稱母管），以此區(qū)分管道干線用的鋼管。因此，根據(jù)母管的技術(shù)特征及指標(biāo)對其采用適宜的制造工藝，是開發(fā)出合格的X90鋼級熱煨彎管產(chǎn)品的重要條件。本文將對X90鋼級熱煨彎管的制造工藝技術(shù)特點進行對比和探索。

1 X90鋼級母管和彎管的參考標(biāo)準(zhǔn)

就熱煨彎管制造而言，“CDP-S-OGP-PL-016-2011-2油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管通用技術(shù)條件”以及“CDPS-OGP-PL-017-2011-2油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管母管通用技術(shù)條件”兩個標(biāo)準(zhǔn)，在中國油氣管道建設(shè)方面有較高的權(quán)威性。其中，母管標(biāo)準(zhǔn)在制定中參考了ISO、API等有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，也參考了國外先進標(biāo)準(zhǔn)及著名企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒了西氣東輸、陜京二線管道工程用管線鋼管用技術(shù)條件，同時將近年來對高鋼級感應(yīng)加熱彎管方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究成果和實踐經(jīng)驗融入其中，標(biāo)準(zhǔn)格式是按照“API Spec5L：2007”標(biāo)準(zhǔn)體系進行編輯、補充并要求執(zhí)行。由于X90鋼級母管和熱煨彎管尚處在實驗室研究階段，其很多技術(shù)指標(biāo)就是參照上述兩個標(biāo)準(zhǔn)。

2 熱煨彎管的加熱工藝技術(shù)

2.1 熱煨彎管的結(jié)構(gòu)

熱煨彎管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，有兩個段位：直管段1、5和彎曲段3；有兩個過渡區(qū)：起彎區(qū)2和收彎區(qū)4；有三個壁厚不等區(qū)：內(nèi)弧區(qū)、外弧區(qū)以及中性區(qū)3；對有縫管而言，還有兩個部位：焊縫和管體；就加熱狀態(tài)而言，有兩個熱處理區(qū)：回火區(qū)1、5 和調(diào)質(zhì)區(qū)3。

圖1 熱煨彎管的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過煨制后，彎管的不同部位、不同段位、不同狀態(tài)都會影響彎管的機械性能，綜合考慮各部位的性能或形狀尺寸是熱煨彎管制造工藝技術(shù)的根本所在。

2.2 局部加熱技術(shù)和整體加熱技術(shù)

制作熱煨彎管時，從所需預(yù)留的一定長度直管段末端開始加熱彎制，達到預(yù)定的彎制角度后，結(jié)束加熱彎制，切除多余管段，然后進行后續(xù)的熱處理等工序。母管僅在起彎區(qū)、彎曲區(qū)、終彎區(qū)被加熱，此技術(shù)為局部加熱技術(shù)。制作熱煨彎管時，從母管首端開始加熱，直行到所需直管段長度后，開始彎制，達到預(yù)定的彎制角度后，結(jié)束彎制，母管繼續(xù)加熱并執(zhí)行到另一直管段末端后，停止加熱，切除多余管段，然后進行后續(xù)的熱處理等工序，此技術(shù)為整體加熱技術(shù)。

3 X90鋼級熱煨彎管的試制及試驗

我們對某鋼管廠生產(chǎn)的X90鋼級φ1219×16.3母管煨制前進行抗拉性能和沖擊韌性檢測，試驗結(jié)果如表1、表2所示。

表1 X90鋼級母管拉伸試驗結(jié)果

表2 X90鋼級母管夏比沖擊試驗結(jié)果

對該母管采用局部加熱工藝和整體加熱工藝進行熱煨試驗，彎曲段角度為12°，煨制后對彎管整體進行回火熱處理。對采用局部加熱工藝的彎管直管段取樣，進行抗拉性能和沖擊韌性進行了檢測，結(jié)果如表3、表4所示。

對采用整體加熱工藝的熱煨典型部位進行取樣，進行抗拉性能和沖擊韌性進行了檢測，結(jié)果如表5、表6所示。

上述試制結(jié)果表明：

1）母管最小屈服強度為620MPa，抗拉強度為694MPa，剛好滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對X90級鋼管的抗拉性能要求，管體和焊縫的沖擊功亦高于相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 X90鋼級局部加熱工藝熱煨彎管拉伸試驗結(jié)果

表4 X90鋼級局部加熱工藝熱煨彎管夏比沖擊試驗結(jié)果

表5 X90鋼級整體加熱工藝熱煨彎管拉伸試驗結(jié)果

2）采用局部加熱技術(shù)彎管最小屈服強度為641MPa，抗拉強度為708 MPa，基本滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對X90級鋼管的抗拉性能要求；但焊縫中心的沖擊功最小值為26J，平均值為34J，均遠低于相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)。加熱后的彎曲段和直管段的機械性能差異較大，即使經(jīng)過回火熱處理也很難消除兩段的性能差異。

3）整體加熱技術(shù)消除了起彎區(qū)和終彎區(qū)性能薄弱區(qū)現(xiàn)象，減少了彎曲段和直管段的機械性能差異。采用此技術(shù)能顯著提高熱煨彎管的沖擊韌性。

4 結(jié)論

1）制作X90鋼級熱煨彎管宜使用專用母管，并進行整體熱處理以減輕殘余應(yīng)力的影響。

2）雖然采用局部加熱工藝和整體加熱工藝都未得到滿足參考標(biāo)準(zhǔn)要求的合格的X90鋼級熱煨彎管，但采用整體加熱工藝制作的彎管各項性能參數(shù)相對穩(wěn)定。

表6 X90鋼級“整體加熱”工藝熱煨彎管夏比沖擊試驗

3）整體加熱技術(shù)比較適合高鋼級、母管（特別是焊縫）需要進行調(diào)質(zhì)加工熱處理的熱煨彎管制造。適當(dāng)調(diào)整煨制工藝參數(shù)和熱處理參數(shù)，采用“整體加熱”工藝技術(shù)是開發(fā)X90鋼級熱煨彎管最有效的方法之一。

［1］ 田瑛,甄建超,孫春良,等.我國油氣管道建設(shè)歷程及發(fā)展趨勢［J］.石油規(guī)劃設(shè)計，2011，22（4）：4-8.

［2］國務(wù)院.“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃［EB/OL］.2012-07-09.http：//www.gov.cn/xxgk/pub/govpublic/mrlm/201207/t20120720_65368.html.

［3］ 國家發(fā)展改革委.天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃［EB/OL］.2012-12-03.http：//www.gov.cn/zwgk/2012-12/03/content_2280785.htm.

［4］ 中國石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司.CDP-SOGP-PL-017-2011-2油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管通用技術(shù)條件［S］.