天然氣集輸管道工程用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)的分析

張有渝 譙雯希 陳曉南 魏善濤 周 函 陳學(xué)文

1. 中國(guó)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(dá)能源發(fā)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(xiàn)管道、閥室、站場(chǎng)工藝管道、壓力容器和壓力管道設(shè)備，使用了大量的各種規(guī)格、材質(zhì)的無(wú)縫鋼管,這些無(wú)縫鋼管制造的4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線(xiàn)輸送系統(tǒng)用鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 9711—2017)、GB 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 6479—2013)、GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 5310—2017)、GB/T 8163—2018《輸送流體用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 8163—2018),以及上述標(biāo)準(zhǔn)的引用標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4149—2018《連鑄圓管坯》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)YB/T 4149—2018)、YB/T 5137—2018《高壓用熱軋和鍛制無(wú)縫鋼管圓管坯》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)YB/T 5137—2018)、YB/T 5222—2014《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋和鍛造圓管坯》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)YB/T 5222—2014)。按照這些標(biāo)準(zhǔn)制造的無(wú)縫鋼管,具有各不相同的化學(xué)成分、制造方法(包括鋼和管坯、鋼管的制造方法)、交貨狀態(tài)和力學(xué)性能、沖擊韌性、金相組織、檢驗(yàn)要求等,因而它們的質(zhì)量和工程適用性也各不相同,有些無(wú)縫鋼管雖然同鋼號(hào),但由于是按照不同的無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)制造的,它們的性能和質(zhì)量差別也很大。因此，應(yīng)根據(jù)天然氣集輸管道工程的設(shè)計(jì)參數(shù)(包括設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和介質(zhì)條件)、外部環(huán)境條件、其他質(zhì)量要求和投資狀況,恰當(dāng)?shù)剡x擇無(wú)縫鋼管以保證工程安全和節(jié)省投資,是工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

天然氣集輸管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50251—2015)和GB 50349—2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50349—2015)均規(guī)定了上述4項(xiàng)無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)為其使用標(biāo)準(zhǔn),其中對(duì)GB/T 8163無(wú)縫鋼管的適用條件給出了不同規(guī)定,這種對(duì)GB/T 8163無(wú)縫鋼管使用的分歧意見(jiàn),也在工業(yè)管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中有體現(xiàn),這些標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50316—2000(2008年版)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 50316—2000)、GB 20801.2—2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分材料》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 20801.2—2006)、SH/T 3059—2012《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SH/T 3059—2012)。標(biāo)準(zhǔn)上的技術(shù)分歧已存在多年,給壓力管道設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了不必要的困惑和疑點(diǎn),體現(xiàn)出來(lái)的是對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫鋼管給出不同的適用條件,必然有不恰當(dāng)?shù)囊?guī)定存在,因此給某些工程帶來(lái)了安全隱患(雖然有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù))。

本文針對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量的規(guī)定,結(jié)合天然氣集輸管道工程設(shè)計(jì)和環(huán)境的條件進(jìn)行分析,提出對(duì)無(wú)縫鋼管適用條件和工程上選用的意見(jiàn),供標(biāo)準(zhǔn)編制和設(shè)計(jì)參考。

1 影響無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量的主要因素

無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量決定于無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn),為了滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)不同領(lǐng)域?qū)o(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量的要求,中國(guó)編制了各種不同的無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn),僅碳鋼和低合金鋼材質(zhì)，還有GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 3087—2008)、GB 9948—2006《石油裂化用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 9948—2006),GB 18248—2000《氣瓶用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 18248—2000),GB/T 18984—2016《低溫管道用無(wú)縫鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 18984—2016)等標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)雖然內(nèi)容各不相同,但影響無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量的主要因素都有共通性,通過(guò)對(duì)這些因素的對(duì)比分析,能對(duì)無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量作出判斷。

1.1 化學(xué)成分中的磷、硫、鋁含量

無(wú)縫鋼管化學(xué)成分中的磷、硫元素是殘存在鋼中的有害元素,但卻是無(wú)法避免的元素。

1.1.1 磷

磷是造成鋼較嚴(yán)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(kuò)大了鐵的固相線(xiàn)和液相線(xiàn)的間距,所以鐵合金需要更多的時(shí)間進(jìn)行凝固，在此過(guò)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(kuò)散速度較慢,因此具有磷偏析的鋼促進(jìn)了軋材中帶狀組織的產(chǎn)生,要通過(guò)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(nèi)部性能,無(wú)縫鋼管用低碳鋼的最佳化學(xué)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(xiàn)在鋼的沖擊韌性降低,且當(dāng)含磷量較高時(shí),提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,這對(duì)鋼的性能很不利。

1.1.2 硫

硫是造成鋼的宏觀(guān)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(duì)鋼的熱變形加工性有嚴(yán)重不良影響。在鍛軋過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫,甚而導(dǎo)致大開(kāi)裂,產(chǎn)生廢品,再則不利于鋼的焊接性,易導(dǎo)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(yuǎn)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(diǎn)化合物分布在晶粒內(nèi)部或晶界上,形成不連續(xù)的網(wǎng)狀組織,這種硫化物的網(wǎng)狀組織,降低鋼的延展性和韌性,降低沖擊試驗(yàn)的沖擊值。研究表明,無(wú)縫鋼管內(nèi)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(dāng)平均錳含量為0.40%時(shí),鋼中的硫含量不應(yīng)超過(guò)0.020%[2]。

1.1.3 鋁

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

鋁在鋼中細(xì)化本質(zhì)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(xì)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(yīng)控制在0.008%以上，目的是使鋼的晶粒細(xì)化，鋁含量低于該值時(shí)，則晶粒粗大，但若再增加鋁含量，也不可能繼續(xù)細(xì)化晶粒[1]。

1.2 制造方法

無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)分3個(gè)階段，從原材料煉鋼到制成管坯,再軋拔成無(wú)縫鋼管,其標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求中必定有“制造方法”項(xiàng)。制造方法的技術(shù)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(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量的技術(shù)要求，但往往被設(shè)計(jì)人員選用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)忽視而造成不良后果。無(wú)縫鋼管化學(xué)成分指標(biāo)控制的嚴(yán)格程度，加上其制造方法的先進(jìn)程度，決定了無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，即鋼的化學(xué)成分加制造工藝決定了無(wú)縫鋼管的性能和質(zhì)量。

1.2.1 鋼的冶煉方法

鋼的冶煉一般采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐等設(shè)備進(jìn)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(zhì)量的優(yōu)良,主要表現(xiàn)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(zhì)含量低,特別是非金屬夾雜物含量少,級(jí)別低,軋制后鋼的縱向和橫向力學(xué)性能沒(méi)有差別或差別很小。

鋼管用鋼的表面和內(nèi)部質(zhì)量,取決于其化學(xué)成分(宏觀(guān)純度)、脫氧的方法(微觀(guān)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(zhuǎn)爐、電爐鋼純度的措施,渣洗可以有效脫硫、脫氧和去除雜質(zhì),減輕出鋼過(guò)程中二次氧化的有害作用。

2)吹氬。它是通過(guò)鋼包底部專(zhuān)門(mén)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(guó)稱(chēng)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(chēng)真空循環(huán)脫氣法,中國(guó)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(jīng)過(guò)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(guó)無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)一般都要求進(jìn)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(yīng)劑用氣體載流噴入鋼的液態(tài)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(dá)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(tài),提高鋼的質(zhì)量[3]。

1.2.2 管坯制造方法

無(wú)縫鋼管的管坯可以用連鑄機(jī)生產(chǎn),也可以用鋼錠經(jīng)型鋼軋機(jī)軋成管坯,還可以直接使用鋼錠。采用連鑄管坯不僅經(jīng)濟(jì)合理,質(zhì)量比鋼錠好。

通常管坯的缺陷都會(huì)轉(zhuǎn)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(shí)產(chǎn)生的。研究表明,無(wú)縫鋼管產(chǎn)生缺陷的原因40%是管坯質(zhì)量缺陷造成的,60%是軋制過(guò)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?yàn)楣芘髻|(zhì)量直接影響到鋼管的質(zhì)量,所以任何無(wú)縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)管坯規(guī)定了應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn),例如GB 6479—2013、GB 5310—2017和GB/T 8163—2018均規(guī)定了連鑄管坯應(yīng)符合YB/T 4149《連鑄圓管坯》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)YB/T 4149)的規(guī)定,GB 6479—2013和GB 5310—2017均規(guī)定了熱軋(鍛)管坯應(yīng)符合YB/T 5137《高壓用熱軋和鍛制無(wú)縫鋼管圓管坯》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)YB/T 5137)的規(guī)定,GB/T 8163—2018規(guī)定熱軋(鍛)管坯應(yīng)符合 YB/T 5222《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋和鍛制圓管坯》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)YB/T 5222)的規(guī)定。YB/T 4149、YB/T 5137和YB/T 5222標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管坯的質(zhì)量,除了化學(xué)成分、冶煉方法規(guī)定,主要包括:交貨狀態(tài)、低倍組織缺陷的控制、表面質(zhì)量的控制,非金屬夾雜物的控制等內(nèi)容的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn),而YB/T 5222—2014的技術(shù)要求遠(yuǎn)低于YB/T 5137—2018的規(guī)定,因此按照GB/T 8163—2018生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管,從煉鋼和管坯開(kāi)始,其質(zhì)量就低于按GB 6479—2013和GB 5310—2017生產(chǎn)的同牌號(hào)無(wú)縫鋼管。

1.2.3 無(wú)縫鋼管制造方法

較大直徑的無(wú)縫鋼管均采用熱軋(擠壓)或熱擴(kuò)工藝生產(chǎn),熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)工藝有多種方法,但主要工序之一是將實(shí)心的管坯在穿孔機(jī)上穿成厚壁的荒管,成品管的質(zhì)量很大程度上取決于荒管質(zhì)量,穿孔時(shí)的主要缺陷之一是荒管內(nèi)、外表面上的折疊。產(chǎn)生折疊的主要原因是原始管坯質(zhì)量有問(wèn)題。這與管坯中非金屬夾雜物的數(shù)量和分布有關(guān),折疊的表征是在鋼管內(nèi)、外表面上有薄的金屬分層,分層的形態(tài)為鱗狀,獨(dú)立分層的外形近似于閉合的曲線(xiàn),一般分布在鋼管全長(zhǎng)上。研究表明,在非金屬夾雜的周?chē)嬖跉饪?在穿孔過(guò)程中氣孔裂開(kāi),形成內(nèi)折疊,經(jīng)定徑機(jī)定徑后呈現(xiàn)鱗皮狀,而管坯中的非金屬夾雜是從鋼錠中帶來(lái)的。鋼錠質(zhì)量,決定于非金屬夾雜和帶狀偏析的嚴(yán)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(wú)縫鋼管化學(xué)成分中磷、硫元素含量對(duì)鋼管質(zhì)量影響的重要性。

當(dāng)然,無(wú)縫鋼管折疊缺陷的產(chǎn)生,還與鋼管原材料鋼錠的澆鑄工藝有關(guān),即澆鑄強(qiáng)度和澆鑄速度,這是鋼管制造方法上的工藝問(wèn)題,這里不予討論。

1.2.4 推論

從上述無(wú)縫鋼管制造方法的分析中,可以得到其影響質(zhì)量的四點(diǎn)推論。

1)無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中鋼、管坯、鋼管的制造方法直接影響無(wú)縫鋼管的質(zhì)量,因此在選用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)時(shí),必須對(duì)此技術(shù)要求給予高度關(guān)注,慎重分析。

2)無(wú)縫鋼管原料鋼的治煉方法直接關(guān)系到無(wú)縫鋼管材質(zhì)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(shù)要求。

3)管坯的缺陷一般會(huì)轉(zhuǎn)移到無(wú)縫鋼管上,因此對(duì)管坯的質(zhì)量控制應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,而且采用的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格程度直接影響到無(wú)縫鋼管成品的質(zhì)量。YB/T 5222—2014的技術(shù)要求遠(yuǎn)低于YB/T 5137—2018。

4)鋼管原料鋼和管坯中的化學(xué)成分偏析和非金屬夾雜是重要的缺陷,今后會(huì)轉(zhuǎn)移到無(wú)縫鋼管成品上,無(wú)縫鋼管成品實(shí)際也存在著以帶狀組織出現(xiàn)的成分偏析和非金屬夾雜物,所以在盡量降低化學(xué)成分中磷、硫含量的同時(shí),關(guān)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(wú)縫鋼管都應(yīng)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(jìn)行塑性變形的能力,一般用沖擊值大小來(lái)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(lèi)工程一般處于荒郊野外,受自然環(huán)境條件的影響很大,特別是環(huán)境氣溫條件的影響,為了防止材料受到?jīng)_擊載荷的突然加載發(fā)生斷裂,或者受環(huán)境低溫的影響發(fā)生脆性斷裂或延性斷裂擴(kuò)展,需要鋼管具備一定的沖擊吸收能量,并在無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中給予明確規(guī)定。如在低溫地區(qū),無(wú)縫鋼管在-20 ℃以下環(huán)境運(yùn)行,還應(yīng)對(duì)無(wú)縫鋼管補(bǔ)充要求進(jìn)行系列溫度下的韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定,作為其安全運(yùn)行的保證指標(biāo)。

在無(wú)縫鋼管的沖擊試驗(yàn)項(xiàng)目中,特別應(yīng)關(guān)注的指標(biāo)是試件的試驗(yàn)溫度和合格的沖擊吸收能量值,試驗(yàn)溫度應(yīng)低于天然氣集輸工程的設(shè)計(jì)溫度和環(huán)境氣溫最低值,該值與GB 150.1—2011壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不同,一般在無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)合格的沖擊吸收能量值有規(guī)定,當(dāng)試件的試驗(yàn)溫度降低時(shí),仍可采用此值作為低溫沖擊試驗(yàn)的合格指標(biāo)。

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(chēng),簡(jiǎn)稱(chēng)夾雜或夾雜物[1]。鋼中非金屬夾雜物的存在,直接影響到無(wú)縫鋼管的質(zhì)量,降低鋼管韌性,升高韌脆轉(zhuǎn)變溫度,并導(dǎo)致鋼管的材料各向異性[4]。減少非金屬夾雜物的關(guān)鍵問(wèn)題是提高鋼的純度(2)。在用于高壓的無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中,均規(guī)定了對(duì)非金屬夾雜物控制的合格指標(biāo),并規(guī)定了檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》。

在無(wú)縫鋼管質(zhì)量控制中,還有一項(xiàng)很重要的項(xiàng)目是帶狀組織,帶狀組織包括兩種類(lèi)型：一類(lèi)是由于化學(xué)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(lèi)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(xiàn)鋼中,同樣存在于低碳結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中,某危害性是使鋼的力學(xué)性能呈各向異性,降低鋼的塑性和韌性,熱處理時(shí)易產(chǎn)生變形,且硬度不均勻[5]。帶狀組織在無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中未予以列入控制項(xiàng)目,這是其不足之處;但卻是客觀(guān)存在,而且應(yīng)予以評(píng)級(jí)控制,無(wú)縫鋼管帶狀組織的評(píng)級(jí)對(duì)于經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的無(wú)縫鋼管索氏體金相組織,目前存在標(biāo)準(zhǔn)適用性的問(wèn)題,這有待解決,但是評(píng)級(jí)卻是必須的[6]。

2 對(duì)GB/T 8163—2018的分析

GB/T 8163《輸送流體用無(wú)縫鋼管》最早的編制版本是1987年版,至最新有效版本共經(jīng)歷修訂出版了4個(gè)版本(1987年版、1999年版、2008年版和2018年版),中間還有2個(gè)版本是1999年版和2008年版。該標(biāo)準(zhǔn)頒布30多年來(lái),逐漸被壓力管道工程設(shè)計(jì)、施工采用,但是也不斷出現(xiàn)分歧和爭(zhēng)論,而且這種分歧存在于壓力管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中,雖然這種分歧是正常的,但對(duì)于工程設(shè)計(jì)和施工而言,則不是正常狀態(tài),因?yàn)楸囟ㄔ趯?duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鋼管使用中會(huì)存在不應(yīng)有的安全隱患。為了解決這種分歧問(wèn)題,本文擬根據(jù)掌握的資料進(jìn)行詳細(xì)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(wú)縫鋼管》編制時(shí)并未采標(biāo),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(wú)縫鋼管交貨技術(shù)條件第1部分規(guī)定室溫性能的非合金鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)EN 10216—1:2004),最新有效版本GB/T 8163—2018按照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(xiě)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 1.1—2009)給出的規(guī)則起草,但實(shí)際上僅是對(duì)GB/T 8163—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了少量的補(bǔ)充、刪節(jié)、修改,一定程度上提高了技術(shù)要求內(nèi)容[7-10],GB/T 8163各個(gè)版本采標(biāo)與適用范圍對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 GB/T 8163各個(gè)版本采標(biāo)與適用范圍對(duì)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(diǎn)。

1)GB/T 8163的采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是變化的,從采標(biāo)ISO 559:1991到改成用于壓力和規(guī)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(guī)則起草,但技術(shù)要求的實(shí)質(zhì)內(nèi)容與GB/T 8163—2008并無(wú)根本改變,只是在GB/T 8163—2008的基礎(chǔ)上補(bǔ)充、刪除和修改了少量?jī)?nèi)容,技術(shù)要求某些內(nèi)容得到了提高,所以仍可認(rèn)為基本上是采標(biāo)EN 10216—1:2004。

2)GB/T 8163—2008采標(biāo)EN 10216—1:2004技術(shù)上核心內(nèi)容:一是用于壓力輸送流體的無(wú)縫鋼管;二是對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫鋼管規(guī)定了室溫性能,即從化學(xué)成分、制造方法、力學(xué)性能及沖擊韌性、試驗(yàn)與檢驗(yàn)等方面保證了室溫下用于壓力輸送流體的安全;三是該類(lèi)無(wú)縫鋼管材質(zhì)為非合金鋼。

3)GB/T 8163的歷次版本在該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫鋼管的適用范圍規(guī)定上沒(méi)有什么變化,均是適用于輸送流體用一般無(wú)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(biāo)準(zhǔn)和術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn),也沒(méi)有關(guān)于“普通流體”的定義,所以筆者認(rèn)為GB/T 8163歷次版本在標(biāo)準(zhǔn)適用范圍上的規(guī)定是不恰當(dāng)?shù)?是造成該標(biāo)準(zhǔn)理解使用上分歧的重要原因。在其適用范圍的規(guī)定上不應(yīng)該去掉被采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的室溫性能下的壓力輸送內(nèi)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(shí)際上GB/T 8163—2008中鋼號(hào)僅有10、20、Q295與EN 10216—1:2004中6個(gè)鋼號(hào)在強(qiáng)度等級(jí)上是相當(dāng)?shù)?而其它鋼號(hào)Q345～Q460與EN 10216—1:2004毫無(wú)關(guān)系,所以該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍到底應(yīng)該如何表述,確實(shí)讓人難于理解。

壓力管道設(shè)計(jì)中常用鋼號(hào)是20,將GB/T 8163—2008及GB/T 8163—2018中鋼號(hào)20與EN 10216—1:2004中強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)?shù)匿撎?hào)1.024 5和1.025 5進(jìn)行技術(shù)上比較,其技術(shù)上的差異主要表現(xiàn)在化學(xué)成分中有害元素磷、硫含量,力學(xué)性能的斷后收縮率A,沖擊試驗(yàn)和制造方法等方面[9-10],見(jiàn)表2。

表2 GB/T 8163與EN 10216—1:2004等強(qiáng)度鋼號(hào)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(diǎn)。

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

3)雖然20號(hào)鋼與1.024 5和1.025 5號(hào)鋼在強(qiáng)度等級(jí)上相當(dāng),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(hào)鋼性能和質(zhì)量(純潔度和各向異性、帶狀組織等)低于采標(biāo)1.024 5和1.025 5號(hào)鋼,因此在使用條件上,20號(hào)鋼只宜用于常溫和較低壓力輸送流體。

2.3 壓力管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的分歧

天然氣集輸管道工程和工業(yè)管道工程現(xiàn)行有效的設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于GB/T 8163標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫鋼管使用條件存在較大差異,即技術(shù)上的分歧以標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)定[11-16],見(jiàn)表3～4。

表3 天然氣集輸管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定比較表Tab.3 Rules comparison of engineering design standards of natural gas gathering and transportation pipeline

表4 工業(yè)管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)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(diǎn)。

1)天然氣集輸管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范和城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)范均可采用GB/T 8163的無(wú)縫鋼管,但GB 50349—2015對(duì)GB/T 8163的無(wú)縫鋼管使用限制比較嚴(yán)格且要求明確。例如:當(dāng)集氣管道為DN300,設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa,介質(zhì)為非含硫天然氣時(shí),取強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F=0.4,采用20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管,則設(shè)計(jì)壁厚為6.632 mm,考慮壁厚負(fù)偏差,則GB/T 8163的20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管名義厚度8 mm。

2)工業(yè)管道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)采用GB/T 8163無(wú)縫鋼管的分歧較大,有不予采用的,也有不允許用于GC1級(jí)管道的,對(duì)可以采用GB/T 8163無(wú)縫鋼管的設(shè)計(jì)壓力和溫度上限意見(jiàn)也不一致。

2.4 壓力容器規(guī)范的規(guī)定

壓力容器與壓力管道雖然是不同類(lèi)別的特種設(shè)備,但是同樣具備承受帶壓力的流體介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)殼體中產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn),不論無(wú)縫鋼管是作為壓力容器或壓力管道設(shè)備的殼體和開(kāi)口接管,還是作為工藝管道，都同樣受著流體介質(zhì)的壓力、溫度以及結(jié)構(gòu)因素的影響,這是其共性。因此壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于無(wú)縫鋼管使用條件的規(guī)定,同樣可以在壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)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(jiǎn)稱(chēng)GB 150.2—2011)的有關(guān)規(guī)定:GB/T 8163中10、20號(hào)鋼和Q345D鋼管的使用規(guī)定如下:設(shè)計(jì)壓力不大于4.0 MPa;10、20號(hào)鋼和Q345D鋼管的使用溫度下限應(yīng)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(zhì)；不得用于換熱管[17]。

從GB 150.2—2011的規(guī)定可以看出以下兩點(diǎn)。

1)GB 150.2—2011對(duì)GB/T 8163的10、20號(hào)鋼的使用限制是依據(jù)2008年版的標(biāo)準(zhǔn),該版采標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是EN 10216.1—2004,GB 150.2—2011對(duì)10、20號(hào)鋼使用限制的內(nèi)容應(yīng)該是常溫、帶壓的流體介質(zhì),且是無(wú)嚴(yán)重毒性的。

2)GB 50349—2015對(duì)GB/T 8163的無(wú)縫鋼管使用限制與GB 150.2—2011一致,其他壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定與GB 150.2—2011的規(guī)定相差較遠(yuǎn)或無(wú)明確規(guī)定。

2.5 分析

1)GB/T 8163規(guī)定的無(wú)縫鋼管自該標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)的30多年逐漸在壓力管道領(lǐng)域得到了較廣泛的使用,無(wú)縫鋼管的性能和質(zhì)量也在不斷提高,但是由于該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫鋼管性能和質(zhì)量尚有待進(jìn)一步提高,且標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定“適用范圍”上不夠明晰,有的壓力管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫鋼管的使用條件限制規(guī)定不明確,且標(biāo)準(zhǔn)間的部分差異較大,在工程設(shè)計(jì)上使用該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫鋼管時(shí)可能會(huì)造成潛在的安全隱患。因此,對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫鋼管使用條件有必要進(jìn)行探討與論證。

2)GB/T 8163無(wú)縫鋼管的適用范圍在標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)應(yīng)有定位,并應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)第一章中予以明確,這是該標(biāo)準(zhǔn)存在的較大缺陷,中國(guó)已有的非合金鋼無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)均明確了使用范圍,而且在標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)中就予以明確。如:GB 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、GB 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》、GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、GB 8163—2018《輸送流體用無(wú)縫鋼管》、GB 9948—2008《石油裂化用無(wú)縫鋼管》、GB 18248—2008《氣瓶用無(wú)縫鋼管》、GB 18948—2016《低溫管道用無(wú)縫鋼管》。

3) GB/T 8163中的10、20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管的使用條件應(yīng)以采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)EN 10216—1:2004對(duì)應(yīng)鋼號(hào)確定,對(duì)于無(wú)采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的Q345、Q390等鋼號(hào)的使用條件編制說(shuō)明應(yīng)給予說(shuō)明,以供采用無(wú)縫鋼管的工程設(shè)計(jì)人員參考。

3 無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析

天然氣集輸管道工程應(yīng)該如何選用無(wú)縫鋼管,需通過(guò)對(duì)無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析,結(jié)合工程設(shè)計(jì)條件和環(huán)境條件進(jìn)行確定。所以對(duì)無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比分析是必要的,GB 6479—2013、GB 5310—2017、GB/T 8163—2018常用無(wú)縫鋼管鋼號(hào)技術(shù)要求的差異,主要表現(xiàn)在化學(xué)成分中磷、硫含量、鋼管制造方法、交貨狀態(tài)、力學(xué)性能、斷后伸長(zhǎng)率A、沖擊試驗(yàn)、非金屬夾雜物等方面[18-19],見(jiàn)表5。

表5 常用無(wú)縫鋼管鋼號(hào)技術(shù)要求對(duì)比表Tab.5 Technical requirements comparison of frequently used seamless steel pipe numbers

對(duì)比分析如下。

1)GB/T 8163—2018的20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管從化學(xué)成分、有害元素含量、鋼的制造方法、交貨狀態(tài)、塑性和韌性、非金屬夾雜物含量和定級(jí)方面，均較同強(qiáng)度等級(jí)的GB 6479—2013和GB 5310—2017無(wú)縫鋼管在性能和質(zhì)量上低,這些差異對(duì)鋼管質(zhì)量的危害性詳見(jiàn)本文前述。

2)GB 6479—2013和GB 5310—2017的20和20 G鋼無(wú)縫鋼管在保證其高品質(zhì)的化學(xué)成分、制造方法和力學(xué)性能等方面具有相同的技術(shù)要求外,又有其各自不同的特性要求。GB 6479—2013的20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管具有低溫沖擊韌性性能,可以用于低溫-20 ℃(10號(hào)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?yàn)楦邏哄仩t的工況是高溫高壓,所以具備高溫力學(xué)性能和10×104h的持久強(qiáng)度及對(duì)全脫碳層的要求,這些都是高溫性能的技術(shù)要求,這些性能在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定且必須達(dá)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(zhì),在氣田集輸工程中的天然氣一般還具有較嚴(yán)重的腐蝕性,選擇無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)時(shí),GB/T 8163—2018的20號(hào)鋼無(wú)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(wú)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(fèi)其高溫性能,而低溫性能可能略顯不足的問(wèn)題;GB 6479—2013的20號(hào)無(wú)縫鋼管則從設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度及質(zhì)量上適合天然氣集輸管道工程的工況,因此一般情況下,應(yīng)該首選GB 6479—2013的20號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。

4 對(duì)GB/T 9711—2017無(wú)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(yè)管線(xiàn)輸送系統(tǒng)用鋼管》是專(zhuān)門(mén)用于油氣輸送管道工程的鋼管,包括無(wú)縫鋼管和焊接鋼管。它是根據(jù)ISO 3183:2012《石油天然氣工業(yè)管線(xiàn)輸送系統(tǒng)用鋼管》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ISO 3183)和API SPEC 5 L第45版《管線(xiàn)鋼管規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)API SPEC 5 L)編制的。它包含兩種產(chǎn)品規(guī)范水平(PSL1和PSL2),PSL2無(wú)縫鋼管與PSL1無(wú)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(qū)別是PSL2要求對(duì)管體進(jìn)行0 ℃或協(xié)議規(guī)定較低溫度的夏比V形缺口沖擊試驗(yàn),符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊功值,而PSL1則無(wú)此要求。

夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)是無(wú)縫鋼管不發(fā)生脆性斷裂或延性斷裂擴(kuò)展很重要的指標(biāo)。筆者曾經(jīng)親歷一項(xiàng)管道工程中對(duì)GB/T 9711的PSL1無(wú)縫鋼管作夏比V形缺口沖擊試驗(yàn),各個(gè)規(guī)格的鋼管沖擊功值在常溫試驗(yàn)溫度下都很低,說(shuō)明現(xiàn)在天然氣集輸管道工程中不采用PSL1級(jí)的無(wú)縫鋼管正確。

4.2 PSL2無(wú)縫鋼管應(yīng)補(bǔ)充技術(shù)要求

GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)自頒布以來(lái),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(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上是一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系,但在兩個(gè)方面與中國(guó)國(guó)情不同。一是由于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)外應(yīng)用中均與輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范配套使用,且有著完整的引用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系。ISO 3183配套輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范是ISO 13623《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》,API SPEC 5 L 配套輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范是AEME B 31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》。二是這兩個(gè)鋼管標(biāo)準(zhǔn)均有成體系的原料鋼和管坯冶煉、制造及鋼管性能和質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)配套,和與之相適應(yīng)的鋼管生產(chǎn)體系。但是我們采標(biāo)過(guò)來(lái)的僅是單獨(dú)的鋼管標(biāo)準(zhǔn),而非完整的標(biāo)準(zhǔn)體系采標(biāo),鋼管生產(chǎn)體系不同,因此,按這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)編制的GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中必須根據(jù)中國(guó)工程的實(shí)際現(xiàn)狀補(bǔ)充技術(shù)要求,完善鋼管的制造和檢驗(yàn)要求,這種做法已經(jīng)在大型輸氣管道工程中得到了成功的應(yīng)用。

在天然氣集輸管道工程中，對(duì)GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的無(wú)縫鋼管，應(yīng)予以補(bǔ)充的技術(shù)要求至少應(yīng)包含以下內(nèi)容,特別是在受環(huán)境溫度影響嚴(yán)重的低溫地區(qū)和高含硫天然氣的工況下更有必要做以下補(bǔ)充要求。

1)制造方法方面,鋼的冶煉應(yīng)經(jīng)爐外精煉并加真空脫氣;管坯檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2)材料方面,碳當(dāng)量值的調(diào)整;對(duì)非金屬夾雜物級(jí)別限定;對(duì)晶粒度的規(guī)定;對(duì)帶狀組織評(píng)定(經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理的無(wú)縫鋼管中的索氏體帶狀組織,目前存在評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定的問(wèn)題(6))。

3)管體的夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度及沖擊功的合格值,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行系列溫度下的沖擊試驗(yàn),以確定鋼管韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

4)落錘撕裂試驗(yàn)。

5)檢驗(yàn)頻次。

5 結(jié)論

天然氣集輸管道工程可以選用的無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn),在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)其性能和質(zhì)量,再結(jié)合工程設(shè)計(jì)條件及環(huán)境條件區(qū)別對(duì)待,以確保工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

1)GB/T 8163—2018中的20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管只宜用于常溫條件下,且設(shè)計(jì)壓力低于4.0 MPa的管道工程中,建議設(shè)計(jì)壓力不大于2.5 MPa。建議GB/T 8163—2018修訂再版時(shí),適用范圍應(yīng)作明確表述。

2)GB 6479—2013和GB 5310—2017的鋼管，應(yīng)優(yōu)先選用GB 6479—2013的無(wú)縫鋼管,如果要采用GB 5310—2017的無(wú)縫鋼管,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和環(huán)境最低溫度決定是否補(bǔ)充要求作低溫夏比V形缺口沖擊試驗(yàn),并確定其合格值。

3)GB/T 9711—2017的無(wú)縫鋼管在使用時(shí),應(yīng)根據(jù)工程的設(shè)計(jì)條件和環(huán)境溫度條件,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的技術(shù)要求補(bǔ)充,天然氣集輸管道工程不應(yīng)采用PSL1規(guī)范水平的無(wú)縫鋼管。