08與072螺旋埋弧焊管性能對(duì)比研究

08與072螺旋埋弧焊管性能對(duì)比研究

0管道設(shè)計(jì)在南東輸一線的設(shè)計(jì)中已取得較好隨著管道長(zhǎng)距離施工的建設(shè)，管道的距離變得越來(lái)越復(fù)雜。如何根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)合理確定設(shè)計(jì)系數(shù)，確保管道的安全，節(jié)約木材和投資成本，是管道線路設(shè)計(jì)面臨的新問(wèn)題。提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)可大大節(jié)約投資。美國(guó)和加拿大等國(guó)家自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,就已經(jīng)將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)一類地區(qū)的設(shè)計(jì)系數(shù)提高到了0.8或0.83,且在Alliance、RockiesExpress和AlaskaNGPipeline等管道設(shè)計(jì)中采用了這一系數(shù)［1］。設(shè)計(jì)系數(shù)的提高,可提高管線的許用壓力和最大輸送壓力,進(jìn)而提高管線的輸送效率和整體經(jīng)濟(jì)效益。西氣東輸一線輪南―靖邊至少有1200km處于無(wú)人居住的戈壁沙漠中。該工程采用鋼管直徑1016mm,設(shè)計(jì)壓力10MPa,鋼級(jí)X70,管材單價(jià)6000元/t。若設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高到0.80,可少用鋼材52392t,節(jié)省費(fèi)用31435萬(wàn)元,所節(jié)約的鋼材在一類地區(qū)可敷設(shè)長(zhǎng)約120km的管線［2］。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱中石油)正在規(guī)劃建設(shè)的西氣東輸三線工程的中衛(wèi)以西段基本與西氣東輸二線并行敷設(shè),管道經(jīng)過(guò)一級(jí)地區(qū)總長(zhǎng)約2160km。西三線一級(jí)一類地區(qū)采用0.72設(shè)計(jì)系數(shù),進(jìn)行管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí),推薦使用ue7881219mm×18.4mm的X80螺旋埋弧焊管。若西三線的一級(jí)一類地區(qū)采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù),則可以采用ue7881219mm×16.5mm的X80螺旋埋弧焊管,每1km可節(jié)省管材55.5t,對(duì)于降低管道建設(shè)與油氣輸送成本意義重大［3］。近幾年,在大量高壓輸氣管線建設(shè)的推動(dòng)下,國(guó)內(nèi)管線鋼的冶金技術(shù)、制管技術(shù)、管道施工以及質(zhì)量控制水平有了長(zhǎng)足進(jìn)步,管線鋼管的質(zhì)量和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,另外,管道完整性管理技術(shù)快速發(fā)展,管道安全管理水平顯著提高,我國(guó)輸氣管道采用較高設(shè)計(jì)系數(shù)已具備了良好的基礎(chǔ)和條件［4－6］。為了參照歐美標(biāo)準(zhǔn)將一級(jí)一類地區(qū)的管道設(shè)計(jì)系數(shù)從目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.72提高到0.80,以節(jié)省鋼材和投資,中石油對(duì)提高一級(jí)地區(qū)管道的設(shè)計(jì)系數(shù)等進(jìn)行了專題研究,寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司根據(jù)專題要求,進(jìn)行了0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管批量試制與性能評(píng)價(jià)。1asme3.8—天然氣管道采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的背景與現(xiàn)狀天然氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)最早由美國(guó)在20世紀(jì)50年代提出。1955年,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASA)壓力管道委員會(huì)提出,在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該把管道的環(huán)向應(yīng)力限定在最小屈服強(qiáng)度與設(shè)計(jì)系數(shù)的乘積之間,并建議鋼管在工廠的水壓試驗(yàn)按90%最小屈服強(qiáng)度進(jìn)行,在此基礎(chǔ)上,再乘以一個(gè)80%的安全因子,這樣就把管道的環(huán)向應(yīng)力限定在72%的最小屈服強(qiáng)度以內(nèi),也就是采用0.72的設(shè)計(jì)系數(shù)。這個(gè)建議被納入規(guī)范ASAB31.8—1955。1966年,ASMEB31.8委員會(huì)收到一項(xiàng)提案,建議把管道的設(shè)計(jì)系數(shù)提高到0.72以上該提案的理念與0.72設(shè)計(jì)系數(shù)相同,同樣保證80%的安全因子,而鋼管在工廠的水壓試驗(yàn)基于100%最小屈服強(qiáng)度進(jìn)行,設(shè)計(jì)系數(shù)就可以提高到0.8。但是這個(gè)提案當(dāng)時(shí)被擱置。直到20世紀(jì)80年代,ASMEB31.8再次考慮采用高于設(shè)計(jì)系數(shù)的可靠性,并開(kāi)展了一系列研究,內(nèi)容包括管道設(shè)計(jì)、管道試壓和管道斷裂控制。1990年,0.8設(shè)計(jì)系數(shù)正式納入ASMEB31.8標(biāo)準(zhǔn),一直沿用至ASMEB31.8—2007目前,國(guó)際上天然氣管道的許多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)設(shè)計(jì)系數(shù)的取值都是引用ASMEB31.8規(guī)定［1，3，7］。世界上各個(gè)國(guó)家和地區(qū)在輸氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì)一級(jí)地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的規(guī)定都有所不同。美國(guó)的ASMEB31.8和加拿大的CSAZ66采用的設(shè)計(jì)系數(shù)均為0.8;ISO13623采用的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.78;英國(guó)的IGE/TD/1采用的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.73。我國(guó)的GB50251采用的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72,其他國(guó)家和地區(qū)的天然氣設(shè)計(jì)規(guī)范采用的設(shè)計(jì)系數(shù)也都沒(méi)有超過(guò)0.72［8］。2比較了中國(guó)0.72和0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的焊接技術(shù)條件2.1設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)沖擊韌性指標(biāo)的要求在Q/SYGJX0102—2007《西氣東輸二線管道工程用螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》(以下簡(jiǎn)稱“西二線焊管技術(shù)條件”)和Q/SYGJX117—2012《西氣東輸三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道用X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》(以下簡(jiǎn)稱“西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管技術(shù)條件”)中,對(duì)兩種不同設(shè)計(jì)系數(shù)下X80焊管的化學(xué)成分、拉伸強(qiáng)度、DWTT落錘剪切面積等性能指標(biāo)要求相同,但對(duì)夏比沖擊韌性指標(biāo)的要求有一定差異,具體見(jiàn)表1。相對(duì)于西二線0.72設(shè)計(jì)系數(shù),西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管的沖擊韌性指標(biāo)單值和平均值分別提高了30J和40J。由于焊縫和熱影響區(qū)的韌性一般較低,是整條管道斷裂控制的重點(diǎn)。國(guó)際上的研究表明,焊縫的韌性指標(biāo)要求可以低于母材。焊縫的韌性不起止裂作用,其數(shù)值只要能防止延性起裂就夠了,母材的韌性則必須大到足以阻止延性裂紋的擴(kuò)展。2.2管道設(shè)計(jì)系數(shù)的確定更有利于適應(yīng)試驗(yàn)壓力的需要。在每管道在運(yùn)行中發(fā)生的破裂,是在低于管材的最低屈服強(qiáng)度以下發(fā)生的,因此必然是由缺陷引起的,高強(qiáng)度試壓的目的就是將存在有破裂隱患的缺陷,在試壓過(guò)程中顯露出來(lái)。美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)(AGA)的專題研究證明,管道水壓試驗(yàn)的強(qiáng)度越高,暴露的缺陷越多,暴露缺陷較集中在強(qiáng)度(90%~110%)SMYS范圍;水壓試驗(yàn)過(guò)程中,在低強(qiáng)度下暴露出的缺陷尺寸大,在高強(qiáng)度下暴露的缺陷尺寸小;試壓時(shí)穩(wěn)壓時(shí)間是必須的,有些缺陷暴露需要時(shí)間,約有15%的缺陷是在穩(wěn)壓時(shí)暴露的。一級(jí)一類地區(qū)的管道,設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72~0.80,其操作強(qiáng)度可在(72%~80%)SMYS,試壓的強(qiáng)度可達(dá)到(100%~110%)SMYS,這也是國(guó)外輸氣管道比較普遍的做法。試驗(yàn)證明,在試壓的強(qiáng)度下,有足夠的穩(wěn)壓時(shí)間,沒(méi)有暴露的缺陷以后在低于試驗(yàn)的壓力下運(yùn)行,將不會(huì)出現(xiàn)破裂的事故［9－12］。西二線0.72設(shè)計(jì)系數(shù)用焊管技術(shù)條件對(duì)靜水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定為:“試驗(yàn)壓力根據(jù)規(guī)定外徑和壁厚進(jìn)行計(jì)算,試驗(yàn)壓力所產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)達(dá)到管材規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值的95%,壓力上限波動(dòng)范圍應(yīng)控制在0.5MPa以下?！倍鶕?jù)西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管技術(shù)條件對(duì)靜水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定:“試驗(yàn)壓力所產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力S的數(shù)值不得低于鋼管規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的100%,壓力波動(dòng)范圍控制在0~0.5MPa?！辈捎?.8設(shè)計(jì)系數(shù)的焊管靜水壓試驗(yàn)壓力要高于0.72設(shè)計(jì)系數(shù)的焊管。若西三線的一級(jí)一類地區(qū)采用0.8的設(shè)計(jì)系數(shù),若按設(shè)計(jì)采用的ue7881219mm×16.5mm的X80螺旋埋弧焊鋼管計(jì)算,則工廠在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管道都必須進(jìn)行100%SMYS的強(qiáng)度試壓,試驗(yàn)壓力將達(dá)到15MPa。2.3設(shè)計(jì)系數(shù)的驗(yàn)證相對(duì)于西二線焊管技術(shù)條件中壁厚偏差-3%~+7%,西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管技術(shù)條件壁厚偏差要求為-2%~+7%,壁厚偏差控制更加嚴(yán)格。從以上對(duì)比可知,西二線0.72設(shè)計(jì)系數(shù)用X80焊管與西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用焊管技術(shù)條件有一定差別,主要體現(xiàn)在沖擊韌性、壁厚偏差和靜水壓試驗(yàn)壓力的要求有所提高。在實(shí)際生產(chǎn)中,焊管制造企業(yè)均采取了嚴(yán)格的措施加強(qiáng)質(zhì)量控制,實(shí)際工藝控制指標(biāo)一般要高出技術(shù)條件要求,并遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)采用的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),在國(guó)內(nèi)鋼鐵冶金企業(yè)裝備技術(shù)日益提高的前提下,提高管線的設(shè)計(jì)系數(shù)是完全可行的。3u3000螺旋埋弧焊管試驗(yàn)檢驗(yàn)以下選用某鋼廠熱軋板卷生產(chǎn)的X80螺旋埋弧焊管,對(duì)采用不同設(shè)計(jì)系數(shù)的X80鋼級(jí)螺旋埋弧焊管進(jìn)行對(duì)比,選用數(shù)據(jù)均為小批量試制階段焊管首檢結(jié)果。3.1拉伸試驗(yàn)方案試驗(yàn)材料采用某鋼廠西二線0.72與西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用管提供的熱軋板卷,以及采用該熱軋板卷生產(chǎn)的X80螺旋埋弧焊管。依據(jù)Q/SYGJX107—2009《天然氣輸送管道螺旋縫埋弧焊管用熱軋卷板通用技術(shù)條件》,QSYGJX0102—2007《西氣東輸二線管道工程用螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》、QSYGJX117—2012《西氣東輸三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道用X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)板卷及對(duì)應(yīng)鋼管進(jìn)行成分、組織、力學(xué)性能和沖擊韌性等性能檢測(cè),并進(jìn)行對(duì)比分析［13－14］。拉伸試驗(yàn)采用板狀與圓棒試樣,板狀試樣標(biāo)距長(zhǎng)50mm,標(biāo)距內(nèi)寬38.1mm,采用全壁厚試樣;圓棒試樣標(biāo)距段直徑12.5mm,標(biāo)距長(zhǎng)50mm。沖擊韌性試樣沿厚度中心處加工成10mm×10mm×55mm的沖擊試樣,V形缺口垂直厚度方向,卷板沖擊試驗(yàn)溫度-20℃,鋼管沖擊試驗(yàn)溫度-10℃。板狀拉伸試驗(yàn)機(jī)為WAW-2000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。圓棒試驗(yàn)機(jī)為CMT5505微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。沖擊試驗(yàn)機(jī)為CMT5505微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。3.1化學(xué)成分對(duì)微合金元素的強(qiáng)化作用西二線0.72與西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管化學(xué)成分對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,兩種X80焊管成分分析結(jié)果均滿足技術(shù)要求,在合金成分設(shè)計(jì)上存在一定差異。相對(duì)于西二線X80焊管材料來(lái)講,西三線0.8系數(shù)焊管化學(xué)成分中,提高了微合金元素Nb,V,Ti與Cr元素的含量,而Mn的含量稍有下降。V是最常用的微合金化元素之一,作用是通過(guò)形成V(C,N)影響鋼的組織和性能,主要在奧氏體晶界的鐵素體中沉淀析出,在軋制過(guò)程中能抑制奧氏體的再結(jié)晶并阻止晶粒長(zhǎng)大,從而起到細(xì)化鐵素體晶粒,提高鋼的強(qiáng)度和韌性,還可以改善鋼材焊后韌性［15－16］。在鋼中適量加入V,通過(guò)采用合理的軋制工藝,可以補(bǔ)償Mn元素的強(qiáng)化作用。C和Mn元素的降低,可以減輕鋼的中間偏析,提高鋼的組織與性能的均勻性,加入適量的Cr元素,也可以補(bǔ)償C和Mn元素的降低帶來(lái)的強(qiáng)度損失。3.2板卷沖擊試驗(yàn)對(duì)卷板的頭部、中部及尾部沿軋制方向30取樣,加工成板狀試樣和圓棒試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。板卷拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。西二線焊管試制用卷板對(duì)應(yīng)頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強(qiáng)度值分別為582MPa,540MPa和540MPa,最大差值為42MPa;對(duì)應(yīng)頭、中、尾位置板狀試樣屈服強(qiáng)度值分別為627MPa,565MPa和578MPa,最大差值為62MPa。西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管試制采用的卷板對(duì)應(yīng)頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強(qiáng)度值分別為594MPa,588MPa和587MPa,差值為7MPa;對(duì)應(yīng)頭、中、尾位置板狀試樣屈服強(qiáng)度值分別為591MPa,597MP和605MPa,最大差值為14MPa。西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管試制用卷板偏差值均小于西二線卷板該數(shù)據(jù)選用的是制管廠小批量試制時(shí)抽檢數(shù)量的平均值,偏差值不代表鋼廠實(shí)際控制水平,但可從一定程度上說(shuō)明鋼廠對(duì)于X80卷板力學(xué)性能均勻性的控制上有所提高。板卷沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管用板卷沖擊韌性相對(duì)于西二線提高了約70J,說(shuō)明鋼廠在鋼材的設(shè)計(jì)與制造工藝方面采取了更為嚴(yán)格的控制措施,包括成分設(shè)計(jì)上的調(diào)整與冶煉軋制工藝的優(yōu)化等,來(lái)應(yīng)對(duì)板卷技術(shù)指標(biāo)的提高。3.4熱軋板卷力學(xué)性能對(duì)板卷頭、中、尾部分別取金相試樣,加工為全厚度金相試樣進(jìn)行金相觀察。圖1和圖2為兩種焊管用熱軋板卷不同位置金相組織照片。可以看出,西三線0.8系數(shù)熱軋板卷組織均以粒狀貝氏體為主,含有少量多邊形鐵素體,頭、中、尾三個(gè)位置組織更加均勻,差別小;西二線熱軋板卷組織頭、中部組織為粒狀貝氏體+少量多邊形鐵素體,但鐵素體晶粒尺寸較大,尾部出現(xiàn)大量多邊形鐵素體,并且晶粒尺寸較大。組織的不均勻性也是西二線板卷力學(xué)性能差異性大的原因之一。硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80焊管焊縫及熱影響區(qū)硬度高于西二線焊管,并且差值較大。而鋼管母材硬度相差不大。這可能與西二線與西三線所使用的焊材及焊接規(guī)范不同有關(guān)。在對(duì)應(yīng)于板卷頭、中、尾位置的試制焊管上取板狀和圓棒拉伸試樣進(jìn)行檢測(cè),鋼管拉伸檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,西二線焊管對(duì)應(yīng)板卷頭、中尾位置圓棒試樣屈服強(qiáng)度最大差值為39MPa板狀試樣屈服強(qiáng)度最大差值為90MPa;西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管對(duì)應(yīng)板卷頭、中、尾位置圓棒試樣屈服強(qiáng)度最大差值為28MPa,矩形試樣屈服強(qiáng)度最大差值為15MPa。西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管屈服強(qiáng)度偏差值小于西二線。3.6設(shè)計(jì)系數(shù)卷板及焊接工藝對(duì)比鋼管沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可以看出,西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管母材、焊縫韌性遠(yuǎn)高于西二線,平均高出70J左右,熱影響區(qū)基本相當(dāng)。表明X80鋼級(jí)0.8設(shè)計(jì)系數(shù)卷板成分設(shè)計(jì)、組織控制以及軋制工藝合理,卷板性能達(dá)到較好水平。同時(shí)采用了合理的焊接材料及焊接工藝,極大地提高了鋼管焊縫質(zhì)量。根據(jù)對(duì)同一家鋼廠原料及其生產(chǎn)的焊管性能進(jìn)行對(duì)比,可以看出,西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管各項(xiàng)性能均高于西二線。特別是在原材料頭、中、尾組織與性能的均勻性方面明顯優(yōu)于西二線普通X80卷板,也為高設(shè)計(jì)系數(shù)焊管的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3.7水壓前后長(zhǎng)度的變化西二線焊管技術(shù)條件對(duì)靜水壓試驗(yàn)壓力的要求為:所產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)達(dá)到管材規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值的95%,壓力上限波動(dòng)范圍應(yīng)控制在0.5MPa以下。西三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)焊管技術(shù)條件對(duì)靜水壓試驗(yàn)壓力的要求為:試驗(yàn)壓力所產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力S的數(shù)值不得低于鋼管規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的100%,壓力波動(dòng)范圍控制在0~0.5MPa。分別抽取兩批原料生產(chǎn)的X80鋼管各30余根,對(duì)其水壓前后周長(zhǎng)變化進(jìn)行統(tǒng)