應用于新疆煤制氣外輸管道工程的X80鋼級管線鋼試制綜述

王亦雄

(中國石油化工股份有限公司物資裝備部 北京 100728)

0 引 言

新疆煤制氣外輸管道工程(以下簡稱“新氣管道工程”)，是中國石化投資建設的最長管道工程，也是世界范圍內首條設計使用X80鋼級管線鋼輸送煤制氣的長輸管道，輸送介質中含有約3%的氫氣。管道設計全長8 372 km，包括一條干線、六條支干線，干線的起點是新疆木壘首站，終點為廣東省韶關末站，途徑13省(區)。管線的設計壓力12 MPa，設計輸量3×1010m3/a，最大管徑為1 219 mm，最大壁厚33.0 mm，其用鋼總量超過4×106t/a，采購金額超過250 億元。

在長輸管道建設中，管線鋼采購成本可占到管道工程總投資的40%，管線鋼質量對管道建設質量起著決定性作用，管線鋼供應進度對管道施工進程影響巨大，因此，中石化物資裝備部組織實施了新氣管道工程X80鋼級管線鋼的試制工作。

1 試制方案

1.1 試制的必要性

1.1.1 輸送介質的特殊性

新氣管道工程是世界范圍內首條設計使用X80鋼級的煤制氣長輸管道，與西氣東輸、川氣東送等天然氣輸送管道工程相比，其顯著的特點是輸送介質中含有約3%的氫氣，氫氣在高壓輸送過程中可能會以氫原子的形式滲入管線鋼[1]，當這種可擴散氫滲透進鋼材中，將對鋼管的耐腐蝕性、韌性及裂紋擴散速率等方面產生一系列影響。為了了解掌握高壓狀態下氫對管材和設備的影響規律，中國石化啟動了“高壓、大口徑、大厚壁管道材料及設備關鍵技術研究”專項科研項目，根據該項目的研究結果，編制出新氣管道工程用管材的系列標準，其化學成分、非金屬夾雜物、低溫韌性、無損檢驗等等技術要求明顯高于輸送常規介質的國內外管道標準。

1.1.2 環焊焊接工藝的適應性逐年降低

管線鋼的高強度可通過多種強化機制和強化方法來獲取[2]。隨著西氣東輸二線、三線的施工建設，我國X80鋼級管線鋼的研發、制造水平也得到了長足的進步，隨著各鋼廠不斷深入研究和探索，鋼材的成分設計、軋制工藝之間的差異日益凸顯，不同鋼廠的原料生產的鋼管環焊對接時，焊接工藝的適應性呈明顯下降趨勢，而施工現場的人員、環境、設備的差異又加劇了環焊焊接工藝管理的難度，顯著增大了環焊縫質量的波動范圍，即環焊縫質量的穩定性降低。

1.2 試制方案

1.2.1 試制目的

考慮新氣管道工程輸送介質的特殊性，以及環焊焊接工藝的適應性逐年降低等問題，為確保管道的長期穩定運行，中國石化決定開展新氣管道工程X80鋼板/卷和鋼管的試制工作。試制的主要目的是：1)驗證新氣管材技術標準的可行性與合理性。2)優化管材、焊材的化學成分，確定管材、焊材的目標成分，提高環焊焊接工藝的適應性。3)考察供應商制造工藝的可行性，篩選出具備供貨能力的供應商。4)根據第三方評價機構對各供應商試制產品的檢測結果和供應商的技術能力與產品性能進行評定，為后期招標采購提供數據支撐。

1.2.2 評價準則

管線鋼板和鋼管屬于直接集中采購的物資品種，由中國石化物資裝備部負責采購，并編制了試制方案并組織實施。試制的主要流程包括：1)編制技術標準初稿。2)供應商資格預審。3)通過資格預審的供應商進行試制。4)試制結果評價，即通過評價結果確定供應商是否通過試制、確定正式技術標準。5)確定新氣管道工程用鋼板和鋼管的合格供應商清單。

試制遵循鋼級以高代低、規格以厚代薄的原則，根據新氣管道工程干線的鋼管規格及用鋼量，確定具體的試制規格，見表1。從表1可見，干線用鋼管試制了3種規格，而母管試制了兩種規格。

表1 新氣管道工程用鋼管的試制規格

試制由鋼板供應商與鋼管供應商按照自愿的原則組合配對，但考慮試制周期和費用等因素，對于同一規格，一家鋼板供應商最多只能與三家鋼管供應商配對組合，一家鋼管供應商也最多只能與三家鋼板供應商配對組合。鋼管通過指定第三方評價機構的性能試驗評價和環焊縫焊接評價，即該鋼板供應商與鋼管供應商的組合通過該規格的試制評價，具備參與對應規格鋼板/鋼管的投標資格。

2 方案實施

2.1 前期工作

新氣管道工程項目重大，為確保試制工作的依法合規和評價試驗的準確性與客觀性，中國石化物資裝備部與業主新疆煤制天然氣外輸管道有限公司(以下簡稱新氣管道公司)通過公開招標的方式，確定了鋼板/鋼管性能評價及環焊焊接評價的第三方機構：螺旋埋弧焊管及所需卷板的性能評價由國家鋼鐵產品質量監督檢驗中心負責；直縫埋弧焊管(含熱煨彎管用母管母板)及所需中厚板的性能評價由國家石油管材質量監督檢驗中心負責；環焊焊接試驗評價由中國石油天然氣管道科學研究院負責。

第三方評價機構確定后，中國石化物資裝備部于2015年6月在中國采購與招標網等平臺發布了新氣管道工程X80鋼級管線鋼公開試制的公告，邀請所有具備生產能力的鋼板、鋼管供應商參與試制。共有53家供應商報名參與資格預審，經過審查專家組的文件審查及現場復核，46家供應商通過資格預審，其中螺旋埋弧焊管供應商17家，直縫埋弧焊管(含熱煨彎管用母管)供應商8家，卷板供應商12家，中厚板供應商9家。根據資格預審結果，中國石化物資裝備部于2015年9月發布了《關于開展中國石化新疆煤制氣外輸管道工程X80鋼級管線鋼單爐試制的通知》，正式開始試制。

2.2 方案的實施及評價結果

試制工作自2015年9月開始，到2016年4月結束，歷時7個月。46家鋼板、鋼管供應商按照自愿原則組成52對試制組合，共提交70套試樣，其中由國家鋼鐵產品質量監督檢驗中心負責評價的螺旋埋弧焊管試樣共計33套，一次評價合格24套，復驗合格5套，4套試樣未通過評價。不合格的主要原因是焊縫/熱影響區沖擊韌性偏低和焊縫導向彎曲不合格。由國家石油管材質量監督檢驗中心負責評價的直縫埋弧焊管試樣共計37套，一次評價合格32套，復驗合格5套，首次不合格的主要原因是鋼板供應商與鋼管供應商之間的交流不充分，未能掌握制管工藝對鋼板-鋼管性能變化的規律，在鋼管擴徑率等方面出現偏差，導致管體的屈強比超標。由中國石油天然氣管道科學研究院負責評價的環焊縫焊接工藝評定，其中螺旋埋弧焊管試樣共計32套，一次評價合格6套，復驗合格21套，5套試樣未通過評價；直縫埋弧焊管試樣共計35套，一次評價合格14套，復驗合格21套，不合格的主要原因是焊縫沖擊功值未達到技術要求。

3 存在的問題及解決方案

3.1 主要問題

3.1.1 環焊縫適應性評價的試驗結果離散性大

試制初期，環焊縫適應性評價試驗使用了8個廠家的焊材(成分不同)，并采用自動焊、半自動焊、多種焊接道次等多種工藝混合進行，導致試驗數據繁多雜亂，離散性大、規律性差，給母材、焊縫的理化性能與焊材成分、焊接工藝等的相關性分析帶來較大困難。另外，由于焊材及焊接工藝的種類太多，試驗用管段消耗過大，試驗難以持續。

3.1.2 試制歷時較長

試制工作耗時較長，其主要原因一是鋼板、鋼管試制周期長。新氣管道工程重大，受關注程度較高，報名參與并通過資格預審的供應商數量較多，試制的產品評價試樣達70套，而一套試樣要經歷鋼板供應商的制造工藝摸索、試驗、正式生產、運輸至鋼管供應商、鋼管試制、取樣、第三方機構試驗評價等環節，一輪試制周期即達3個多月；二是評價工作量大，性能評價要經過試樣加工、化學分析、機械性能試驗、物理試驗、數據分析和編寫評價報告等環節，一套試樣的評價周期為2～3周。

3.2 解決方案

3.2.1 優化調整焊接工藝和焊材成分

針對試驗初期環焊縫適應性評價試驗的焊材、工藝組合多，導致試驗結果出現離散性大、規律性差等問題，物資裝備部與新氣管道公司及時組織設計單位、第三方評價機構等單位對前期評價試驗的數據進行分析和評估，做出將焊材成分優化至4種、焊接道次減至3種、固定焊接人員等方面的調整，有效規范了焊接試驗程序，試驗數據離散性顯著降低，規律性顯著增強，表2為W-S螺旋鋼管的不同焊材-焊接道次組合的環焊縫沖擊韌性結果，為快速分析母材成分、焊材成分、焊接工藝的相關性奠定了良好的基礎，為改善焊材成分和焊接工藝指明了方向。

優化前后的蓋面焊縫、填充焊縫及熔合線的典型組織如圖1和圖2所示。圖1中存在較多的粒狀貝氏體，原始奧氏體晶界上存在“項鏈狀”M-A，這種組織會引起焊縫局部脆化，焊縫韌性降低。圖2的組織相對細小，存在較多的貝氏體和鐵素體，M-A組元細小。

3.2.2 加快試制進度

針對試樣數量太多、評價工作量大的問題，物資裝備部組織各有關單位于2015年10月22日召開了首次試制工作協調會。會議上確立了試制進度周報制度，每周三統計進展情況，通過統籌控制進度、主動溝通協調等措施，督促低于預期的單位加快速度、協調試制供應商與第三方評價機構無縫對接，明顯提高了試制工作的整體效率。另外，優化第三方評價機構的評價周期，按照“先普通再特殊、先評價再報告”的原則，優先完成普通線路常用規格試樣的評價，最后再集中出具評價報告，合理節約時間。

4 試制效果

4.1 試制結果

本次試制是中國石化近年來首次嘗試開展管線鋼的試制工作，試制歷時7個月，經過國家鋼鐵產品質量監督檢驗中心、國家石油管材質量監督檢驗中心、中國石油天然氣管道科學研究院等第三方機構的鋼管性能評價和環焊焊接性能評價，共43家供應商通過單爐試制，具備了參與新氣管道工程用鋼板/鋼管的投標資格，其中螺旋埋弧焊管供應商15家、直縫埋弧焊管供應商8家，中厚板供應商9家、卷板供應商11家。

表2 W-S螺旋鋼管不同焊材-焊接道次組合的環焊縫沖擊韌性

圖1 蓋面焊縫-填充焊縫和熔合線組織

圖2 蓋面焊縫-填充焊縫和熔合線組織

4.2 試制效果

4.2.1 為新產品采購提供可行思路

近年來在大力推行依法治企、物資采購全面公開化的背景下，采購方圈定數家具備供貨能力的供應商作為“短名單”，從中進行采購的辦法已經不能繼續，一款新產品在國內外沒有應用業績，面對踴躍參與的供應商，如何排除不具備供貨能力的供應商？通過產品試制的方法，對供應商的技術能力、實物性能等方面進行認證和評價，為后續的招標采購大幅降低風險的同時，也為今后新產品在采購之前的甄選提供一種可行的操作思路。

4.2.2 驗證了工藝的可行性

通過對70套試樣的試制結果進行統計，一是驗證了技術條件以及供應商生產工藝等方面的可行性與合理性，同時積累了大量試驗數據，為完善技術條件等工作提供有力支撐；二是通過對試驗數據進行分析，找出管線鋼性能、焊材成分以及焊接工藝的優化方向，進一步提高生產實物產品和施工建設的質量穩定性。

4.2.3 對供應商進行有效鑒別

通過本次單爐試制，一是篩選出合格供應商，通過單爐試制的供應商占報名總數的77%，有效剔除了不具備供貨能力的供應商，為后續采購工作奠定基礎；二是根據第三方機構的檢測評定結果，為招標的技術評價提供準確客觀的數據支撐。

5 結 語

單爐試制作為新氣管道工程X80鋼級管線鋼試制工作的一個環節，歷時7個月時間，取得較為圓滿的結果，為確保項目建設順利進行，還應陸續開展下列工作：

1)完善相關技術標準

根據試制的性能評價報告，結合“高壓、大口徑、大厚壁管道材料及設備關鍵技術研究”專項科研項目的最新研究成果，組織相關技術專家討論、完善新氣管道工程用管線鋼的技術條件和驗收標準。

2)開展環焊縫的重復性試驗

環焊縫的試制結果并未達到預期效果，單爐試制結束后，應盡快對試樣數據進行分析，不斷優化鋼材和焊材的目標化學成分，同時開展環焊縫的重復性試驗，甄選最佳的環焊縫焊接方案。