日本第一條X80 高強(qiáng)度管線鋼管的設(shè)計(jì)制造與現(xiàn)場(chǎng)施工

劉煒辰， 李嘉良， 蔣浩澤 編譯

（1. 中國(guó)石油測(cè)井公司國(guó)際事業(yè)部， 北京102206；2. 成都索貝數(shù)碼科技股份有限公司， 成都610041；3. 中國(guó)石油測(cè)井公司， 西安710089）

0 前 言

近年來(lái)， 高強(qiáng)度管道的使用大大降低了天然氣輸送管道的建設(shè)成本。 X80 鋼級(jí)管線鋼已在世界范圍內(nèi)使用， 并且正在對(duì)X100 和X120等更高級(jí)別管線鋼進(jìn)行深入研究。 在可能發(fā)生地面位移的區(qū)域， 例如穿越地震活躍區(qū)的管道， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其承受縱向變形的能力。 在日本， 包括土壤液化在內(nèi)的地震事件并不少見， 管道規(guī)范通常適用于X65 以下等級(jí)管材。東京燃?xì)夤緦?duì)上述地區(qū)使用X80 管線鋼管進(jìn)行了廣泛的技術(shù)研究， 并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，包括全尺寸爆破試驗(yàn)、 全尺寸彎曲試驗(yàn)及環(huán)焊縫有限元分析等。 東京燃?xì)夤竞妥∮呀饘僭谌毡臼状谓ㄔ炝? 條具有抗震性能的X80（L555） 級(jí)高壓天然氣管道。 住友金屬為日本第一條X80 高強(qiáng)度管道提供管材， 該管道已于2011 年秋季竣工。 在鋼管制造過(guò)程中， 特別要求鋼管涂層加熱后的拉伸試驗(yàn)應(yīng)具有圓屋頂型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 這是避免管線鋼管縱向變形集中的關(guān)鍵。 同時(shí)， 對(duì)管線鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 優(yōu)化了熱機(jī)械控軋工藝 （TMCP），開發(fā)了外徑610 mm、 壁厚14.5～18.9 mm 管線鋼管， 以及同一鋼級(jí)的感應(yīng)加熱彎管， 并成功應(yīng)用于管道工程。 管道環(huán)焊縫焊接由住友金屬管道公司實(shí)施， 選擇機(jī)械化熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）， 以滿足焊縫金屬的強(qiáng)度完全超過(guò)鋼管母材的強(qiáng)度， 避免環(huán)焊縫上縱向應(yīng)力集中和出現(xiàn)氫應(yīng)力開裂 （HISC）， 焊縫的硬度最大為300HV10， 并且對(duì)所有環(huán)焊縫進(jìn)行了射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。 筆者總結(jié)了日本第一條X80 高強(qiáng)鋼管道的設(shè)計(jì)思路、 管材制造、 環(huán)縫焊接和施工技術(shù)要點(diǎn)， 以期為高強(qiáng)度天然氣管道建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 許用應(yīng)力

在日本， 高壓天然氣管道通常在城市地區(qū)修建， 因此制定了極其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。 由于這些標(biāo)準(zhǔn)適用于鋼級(jí)為X80 的管道， 因此最大工作壓力下的許用環(huán)向應(yīng)力限制在222 MPa （40%SMYS）以下。 這意味著設(shè)計(jì)系數(shù)≤0.4， 管道才被認(rèn)為是安全的。

1.2 抗震性能

考慮到日本是一個(gè)多地震國(guó)家， 在API 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上， 提出了縱向拉伸性能的補(bǔ)充要求，并要求管材縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線為具有連續(xù)屈服特征的圓屋頂型， 并且要求在外部涂層經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后， 鋼管的縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線依然保持這種特征。

1.3 環(huán)縫焊接

由于環(huán)焊縫的寬度與管道長(zhǎng)度相比非常窄，因此要防止地面移動(dòng)的拉伸載荷引起的應(yīng)力集中。 此外， 由于管道是在城市地區(qū)修建， 因此對(duì)管道安全性要求很高， 所有環(huán)焊縫必須防止應(yīng)力集中產(chǎn)生。 為了達(dá)到這一目的， 焊縫金屬的強(qiáng)度必須完全超過(guò)鋼管母材的強(qiáng)度。 同時(shí)， 提出了高水平的無(wú)損檢驗(yàn)要求， 使用射線檢測(cè)和自動(dòng)超聲檢測(cè)對(duì)每個(gè)環(huán)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)， 比API 1104標(biāo)準(zhǔn)要求更高。

2 鋼管制造

2.1 圓屋頂型應(yīng)力-應(yīng)變曲線要求

UOE 鋼管由控制軋制的鋼板制成， 在制管過(guò)程中經(jīng)過(guò)了冷變形， 且存在著可動(dòng)位錯(cuò)密度。鋼管的外表面通常涂有防腐層， 該涂層工藝包括將管道在150～250 ℃下加熱約5 min。 在這一過(guò)程中， 可動(dòng)位錯(cuò)要么減少， 要么固定， 從而使管道的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)屈服平臺(tái)。 為了使管線鋼管在加熱后應(yīng)力-應(yīng)變曲線保持圓屋頂型， 必須保持足夠的可動(dòng)位錯(cuò)密度。 為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究了成分、 軋制工藝及變形時(shí)效的規(guī)律， 開發(fā)了含有M/A 硬質(zhì)相顯微組織結(jié)構(gòu)的X80 管線鋼。

2.2 制造工藝

在研究的基礎(chǔ)上， 日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社鹿島鋼鐵廠生產(chǎn)了鋼板和鋼管。 鋼板生產(chǎn)過(guò)程中， 含有加速冷卻裝置的鋼板軋制設(shè)備已被動(dòng)態(tài)加速冷卻（DAC） 技術(shù)所取代， 該技術(shù)大大提高了冷卻性能和控制能力， 使得大批量高效生產(chǎn)的鋼板滿足鋼管技術(shù)規(guī)范的材料性能要求。

管線鋼的典型化學(xué)成分見表1， 其中Ti/N 比得到控制。 對(duì)于鋼板制造， 將終止加速冷卻的溫度設(shè)定為室溫， 并將M/A 含量增加到最佳水平以保證位錯(cuò)移動(dòng)。 此外， 鋼管還采用了160 ℃的低溫外涂層工藝， 以保證鋼管縱向拉伸圓屋頂型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 典型的X80 管線鋼主要化學(xué)成分 %

工程中使用的鋼管、 彎管規(guī)格見表2。 壁厚14.5 mm 的X80 鋼管涂層加熱后的縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示， 由圖1 可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明圓屋頂輪廓得到了完美的保持。 表3 為典型鋼管的縱向拉伸性能， 該數(shù)據(jù)證實(shí)了拉伸曲線的圓屋頂形狀， 延伸率為24% （圓棒試樣）， 這是相當(dāng)令人滿意的結(jié)果；屈強(qiáng)比低至近80%， 表明材料具有很高的變形能力。 表4 為鋼管夏比沖擊試驗(yàn)和落錘撕裂試驗(yàn) （DWTT） 的典型結(jié)果， 從表4 可以看出，管體、 焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊功保持在200 J以上， 該值是在74%SMYS 的內(nèi)部壓力下、 防止不穩(wěn)定韌性斷裂所需值 （約100 J） 的兩倍以上， 安全裕度遠(yuǎn)高于當(dāng)前管道項(xiàng)目中使用的管線管 （其許用設(shè)計(jì)應(yīng)力為40%SMYS） 所需的安全裕度， 表明該鋼管在實(shí)際運(yùn)行條件下使用具有很高的安全性。 母材的顯微組織如圖2 所示， 鋼管焊縫橫截面的宏觀形貌如圖3 所示。

表2 工程使用的X80 鋼管規(guī)格

圖1 典型的鋼管縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 典型鋼管的縱向拉伸性能

表4 典型的鋼管韌性試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)溫度0 ℃）

圖2 管體母材的典型顯微組織

圖3 焊縫的典型宏觀形貌

3 環(huán)縫焊接

3.1 焊接思路

工程設(shè)計(jì)要求環(huán)焊縫完全達(dá)到高強(qiáng)匹配。 表3中母材的平均縱向抗拉強(qiáng)度為749 MPa， 這意味著焊縫金屬的強(qiáng)度必須以＞825 MPa 為目標(biāo)， 以達(dá)到10%或更大程度的高匹配。 硬度方面， 通過(guò)將抗拉強(qiáng)度的水平轉(zhuǎn)換為硬度， 發(fā)現(xiàn)硬度大約需要260HV10或更高， 然而焊縫的硬度經(jīng)常發(fā)生變化， 其變化范圍通常在±（30～40）HV10， 因此，如果在對(duì)焊接方法沒(méi)有特別要求的情況下， 焊縫金屬?gòu)?qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)825 MPa， 則最大硬度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)300HV10， 這種做法是不可取的。 換言之，環(huán)焊縫強(qiáng)度的允許范圍非常窄， 有時(shí)是一個(gè)精確的數(shù)值。 此外， 焊縫無(wú)損檢測(cè)要求嚴(yán)格的缺陷限制， 這意味著需要具有極高水平的焊接技術(shù)， 以滿足接頭的性能要求， 同時(shí)滿足無(wú)損檢測(cè)規(guī)范（如圖4 所示）。 滿足上述規(guī)范的環(huán)縫焊接思路包括： ①選擇合適強(qiáng)度等級(jí)的焊接材料； ②使用焊接質(zhì)量重復(fù)性好的GMAW 方法； ③采用窄焊接坡口， 使每層焊道的熱輸入均勻 （單個(gè)焊縫金屬的硬度變化范圍從正常的±（30～40）HV10降低到±30HV10或更低）； ④采用寬焊接坡口，以提高無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量。 由于思路③和思路④的要求矛盾， 研究決定采用30°的V 形坡口作為最佳選擇。

圖4 環(huán)焊縫金屬允許強(qiáng)度范圍與管體強(qiáng)度對(duì)比示意圖

3.2 焊接材料的選擇

首先， 選擇6 種符合AWS A5.28 ER 100S-G或AWS A5.28 ER 110S-G 規(guī)范的商用焊接材料作為候選， 并使用與X80 鋼管成分相同的13.2 mm厚鋼板進(jìn)行焊接性試驗(yàn)。 GMAW 的平均熱輸入為8.7～11.1 kJ/cm， 形成多層焊縫 （5 層）， 焊接在兩個(gè)位置進(jìn)行， 即平焊 （1G） 和垂直向下焊（3G）。 在初步評(píng)定焊縫金屬最大硬度和焊接工藝性（熔渣的粘附性和流動(dòng)性） 的基礎(chǔ)上， 選擇標(biāo)號(hào)為A 的“低C-中Mn-低Ni-Mo” 焊材。

3.3 焊接接頭的性能和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

采用符合AWS A5.28 ER 100S-G 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記A 焊接材料， 在Φ610 mm X80 鋼管上， 采用GMAW 在固定水平位置 （5G） 進(jìn)行焊接， 對(duì)接頭的力學(xué)性能和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了研究。 表5列出了最初設(shè)定的焊接工藝參數(shù)， 圖5 為保護(hù)氣體混合比與焊縫硬度、 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系。 從圖5 可以看出， 隨著CO2在保護(hù)氣體中混合比例的增加， 焊縫的硬度和強(qiáng)度逐漸降低。 射線檢測(cè)到環(huán)焊縫中的氣孔數(shù)量與保護(hù)氣體成分有很大的相關(guān)性， 隨著保護(hù)氣體中CO2含量的增加， 氣孔率明顯降低； 自動(dòng)超聲波檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。 當(dāng)CO2濃度為20%時(shí)， 焊道的外觀（咬邊、 圓滑度） 和飛濺量方面獲得了最理想的結(jié)果， 隨著CO2濃度的增加， 焊道外觀逐漸惡化。 在此基礎(chǔ)上， 結(jié)合接頭性能、 無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量和焊接工藝性， 確定采用標(biāo)記A 焊接材料、 30°坡口、 60%Ar+40%CO2保護(hù)氣的焊接工藝。

表5 最初設(shè)定的焊接工藝參數(shù)

圖5 CO2 混合比對(duì)焊縫性能的影響

3.4 保護(hù)氣體成分對(duì)焊縫化學(xué)成分和組織的影響

保護(hù)氣體成分對(duì)焊縫化學(xué)成分的影響見表6，由表6 可以看出， 焊縫金屬中的氧濃度隨著CO2比例的增加而增加， 作為固溶強(qiáng)化元素的Mn、Si 和Ti 隨著CO2比例的增加而減少。 焊縫金屬晶界組織中鐵素體的面積比隨CO2的增加而增加。 這些觀察結(jié)果表明， 可以通過(guò)改變保護(hù)氣體中CO2的比例， 來(lái)控制焊縫金屬的強(qiáng)度（硬度）。

表6 不同CO2 混合比的焊縫金屬化學(xué)成分

3.5 環(huán)焊縫力學(xué)性能

表7 為為本研究開發(fā)的焊接工藝， X80 鋼級(jí)鋼管規(guī)格為Φ610 mm×（14.5～18.9） mm， 坡口形式及焊道順序如圖6 所示。 表8 為環(huán)焊縫的力學(xué)性能， 圖7 為環(huán)焊縫截面宏觀形貌， 從表8 和圖7 可以看出， 焊接接頭性能優(yōu)良， 與管體母材相比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度完全達(dá)到高匹配。 另外， 還研究了鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW） 方法補(bǔ)焊工藝。

表7 環(huán)焊縫焊接工藝參數(shù)

圖6 環(huán)焊坡口形式及焊道順序示意圖

表8 環(huán)焊縫的力學(xué)性能

圖7 環(huán)焊縫截面宏觀形貌

4 施 工

該管道全長(zhǎng)約20.5 km， 位于東京郊區(qū)， 敷設(shè)在道路下面。 圖8 為該工程X80 鋼級(jí)Φ610 mm 管道現(xiàn)場(chǎng)施工照片。 首先， 將道路瀝青鋪面破碎并移除， 并在清理區(qū)域內(nèi)開挖溝槽； 其次， 起重機(jī)將鋼管逐根放入管溝， 并在管溝（地下） 中單獨(dú)進(jìn)行環(huán)縫焊接； 然后， 進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)； 最后， 進(jìn)行表面防腐和管溝回填。 對(duì)于無(wú)損檢測(cè)， 要求對(duì)每個(gè)焊接接頭進(jìn)行嚴(yán)格的射線和超聲波檢測(cè)， 降低管道環(huán)焊縫缺陷。

施工中還使用了冷彎鋼管。 一般情況下冷彎管在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制作， 但是鑒于其質(zhì)量的重要性，該工程根據(jù)項(xiàng)目的具體要求， 在特定工廠內(nèi)制作彎管， 并由專業(yè)機(jī)構(gòu)監(jiān)督質(zhì)量。 圖9 為冷彎管的生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝情況。

圖8 Φ610 mm X80 管道現(xiàn)場(chǎng)施工照片

圖9 冷彎管的生產(chǎn)和安裝

5 結(jié) 論

（1） X80 高壓天然氣管道在設(shè)計(jì)方面采用了較低的設(shè)計(jì)系數(shù)， 基于城市和地震環(huán)境下使用的要求， 提出了高應(yīng)變管材和環(huán)焊縫高強(qiáng)匹配的要求。

（2） 在管材制造方面， 研發(fā)了具有縱向應(yīng)變能力的管線鋼和相同鋼級(jí)的配套感應(yīng)彎管。

（3） 在環(huán)縫焊接方面， 篩選出了具有與母材完全高強(qiáng)匹配的商用焊接材料， 研發(fā)了性能和無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量?jī)?yōu)良的機(jī)械GMAW 焊接工藝。

（4） 在現(xiàn)場(chǎng)施工方面， 從開挖、 下溝、 焊接、 冷彎管制作和無(wú)損檢測(cè)環(huán)節(jié)， 形成了一套可靠、 高效的施工方案。