油氣管道用三通管件的研究*

胡美娟，劉迎來，吉玲康，馬秋榮，王 鵬

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

0 引 言

三通管件是油氣輸送管道工程中重要而且用量較大的配件。它在管道建設中用來改變管道方向、改變管徑大小、進行管道分支、局部加強、實現特殊連接等作用。近年來油氣管道建設已進入了發展的高峰期，隨著管道業的發展，三通管件也趨于向高強度、大口徑、厚壁、高性能的方向發展。我國西氣東輸工程中的三通管件工作壓力達到12 MPa，抗拉強度達到625 MPa及以上，外徑達到1 422 mm，最大壁厚超過50 mm。

三通的生產工藝復雜，影響質量和性能的因素多。在實際服役過程中，三通不僅承受內壓，還往往受到彎矩、扭矩、軸向力的作用。由于三通管件的幾何結構和所受外載的復雜性，導致其往往成為管系中應力集中較高的危險部位[1-2]。從某種意義上說，三通質量的好壞與承載能力的高低將直接影響到整個管系的完整性及安全運行，所以就需要對油氣輸送領域三通管件的制造方法、成型工藝、設計標準和性能要求進行了分析和總結。

1 三通管件概述

油氣輸送管道用三通管件的結構如圖1所示，其中主管：指流體直通的部分，即有開孔的管道。支管：與主管相交連接的管狀部分。臺肩部：位于縱向平面(支管與主管軸線確定的平面)且靠近相貫線的支、主管上的區域。腹部：靠近相貫線與橫向平面(垂直于主管軸線且包含了支管軸線的平面)交點附近的殼體區域。三通的主管和支管端部均為相同的尺寸，稱為等徑三通。當支管端部尺寸小于主管尺寸，稱為異徑三通。

圖1 三通管件結構示意圖

三通管件的制造工藝主要有鑄造、焊接、液壓脹形和熱擠壓成形等。鑄造三通是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進三通形的鑄型里，凝固后獲得具有三通形狀的毛坯，然后進行后續的機加工得到鑄造三通管件。鑄造三通的優點是可以得到形狀復雜、壁厚較厚的管件毛坯。但是缺點是后續機加工工時長，材料浪費嚴重，特別是對于大口徑厚壁三通管，體型較大，在加工時要切削掉很多的材料，耗材量大，生產成本高。另外，鑄造三通的質量不易保證，而且缺陷不易檢查，在工程投產后常發生泄漏事故，所以不宜在石油、化工管道上采用[3]。焊接三通管件是在管坯上開馬鞍形焊口后與支管直接焊接而成，具有制造方便、現場靈活性強等優點，但是三通管件焊接工藝比一般鋼管焊接復雜，焊接面是在一個馬鞍形的不規則空間曲面上，焊接質量難以保證。焊接三通最大的弱點是高應力區正好位于支管和母管連接的相貫線處的焊縫位置上，用在石油、天然氣管道等高壓運輸線路上容易留下事故隱患[4]。三通管件的液壓脹形是通過內部液體加壓和軸向加力將管坯壓入到模具型腔，補償脹出支管的一種壓力加工方法，優點是節約材料、降低模具費用、減少后續機械加工和組裝焊接量。但是由于國內目前采用脹形方法的成形力較低，內壓與軸向進給的控制也不嚴格，僅適用于生產薄壁、低強度和管徑較小的三通管件[5]。熱擠壓三通為現今我國制造高強度、大口徑油氣輸送管道三通管件的主要技術。它是將整個管坯加熱到管材再結晶溫度以上的某一適當溫度后放入模具中，在壓力機的作用下對管坯進行熱擠壓，管坯在徑向力的作用下沿模腔幾何形狀產生塑性變形而形成三通支管。熱擠壓三通由于沒有焊縫，表面光潔度好、外形變化平緩、壁厚分布無突變、整體強度好[6-8]。

2 油氣輸送用三通管件的研究進展

熱擠壓三通管件在油氣輸送領域中的應用歷史并不長。上世紀70年代美國制定了熱擠壓三通的國家標準。我國在上世紀80年代后開始研制并逐漸應用熱擠壓三通。近年來，高壓、大口徑長輸油氣管道建設進入黃金時期。西氣東輸一線、二線，中亞和中緬等管道工程的建設，給管件產品帶來了巨大的發展空間，同時對三通管件的質量與性能要求越來越高。

2.1 油氣輸送用三通管件的成型工藝

油氣輸送用三通管件的熱擠壓工序一般分為四步：制坯、壓扁、鼓包和拉拔。

制坯：選擇合適的鋼管或者鋼板卷曲成管。由于無縫鋼管生產的三通管件外徑尺寸較小，目前油氣輸送管道用高強度、大口徑三通管件一般是將厚度適合的寬厚板材卷曲成管，然后焊接成三通毛坯管[1]。

壓扁：將管坯經整體加熱到Ac3以上50～100 ℃，恒溫時間≥10 min出爐，在壓力機上壓制成橢圓形，焊縫放在長軸頂部。劉麗敏等的研究表明：在大于最小高寬比0.47的條件下，壓扁后三通管坯截面的高寬比在一定范圍內對三通鼓包的影響可以忽略不計。管坯截面的高寬比小于0.47時，在壓扁時易出現凹塌現象，并且在后續鼓包時不宜在模具上放置并準確定位[9]。

鼓包：將整個管坯加熱到Ac3以上50～100 ℃，恒溫時間≥30 min出爐，在壓力機上多次鼓包直至支管長度達到要求，始壓溫度不小于Ac3+50 ℃，終壓溫度不小于Ac3-50 ℃。油氣輸送管用三通管件的鼓包工序特點是: 主要變形區集中在管坯一側的中部，而其他部位基本不變形。在鼓包前，加熱工件在不鼓包一側用水進行冷卻處理，這樣可以使工件不同區域的材料由于溫度不同而顯示出不同的屈服強度，有利于在成形過程中預定變形區材料的流動。鼓包工序是三通成形工藝的關鍵，鼓包的高度以及形狀直接決定了后續工序成形難易程度，乃至整個三通成形工藝的成敗。李海量和劉麗敏等利用Deform-3D有限元軟件優化了Φ1 219 mm三通管件的成形工藝參數，研究表明：不同的模具入口圓角對于鼓包過程有一定的影響。模具入口圓角過小時，鼓包變形力過大并且容易在管件內部出現材料堆積現象。隨著模具入口圓角的增加，鼓包過程所需要的變形力隨之降低，但是過大的入口圓角會使得最終鼓包高度無法達到設計要求[5]，入口圓角為R125時既可以滿足起包高度的要求也可以滿足后續工序的工藝要求。黃鑒等針對WPHY-80的模擬和試驗結果表明：起包過程中成形部位加熱到950 ℃，局部淬火至120 ℃，淬火范圍達到65%左右，可有效避免成形缺陷的產生[7]。劉麗敏等數值模擬結果表明：第一次起包時冷卻區為63%；二次起包時冷卻區為55%時，鼓包效果較好。

拉拔：在管坯鼓包上開預制孔，開孔尺寸按照標準要求，留有加工余量20～30 mm開孔。對開孔周圍用砂輪機進行修整，去除毛刺并進爐加熱，加熱溫度Ac3以上50～100 ℃，恒溫時間≥10 min出爐，然后在液壓機上用專用模具多道次熱拔成形。模擬結果表明，三道次拉拔由于成形載荷較小、支管壁厚減薄率較小，因此優于兩道次拉拔成形方案。拉拔效果的好壞主要取決于鼓包的高度是否理想[9]。

拉拔完成后應進行初始三通整形，對表面質量、尺寸檢查，當管端直徑圓度達不到技術要求時，在熱處理前進行校正。

在熱擠壓成型過程中，三通需經過多次加熱及冷卻。管體及焊縫力學性能較成型前有很大改變，其拉伸、沖擊力學性能無法達到標準要求，最終熱處理是使三通管體及焊縫滿足各項力學性能指標的關鍵。油氣管道三通熱處理通常采用淬火+回火工藝，熱處理溫度及保溫時間由三通管體的材料及壁厚決定，同時考慮焊縫的熱處理特性[10]。

2.2 油氣輸送用三通管件的設計

大口徑三通的設計問題一直以來都是管道工程中的技術難點之一，MSS SP-75-2008和ISO 15590.1-2009這兩個標準中沒有可靠的設計計算公式。隨著油氣管道的直徑、壓力的不斷提高，支管直徑接近或等于主管直徑的三通的設計問題顯得更加突出。由于幾何形狀不連續性，在內壓作用下，三通管相貫線的拐角處存在著應力集中現象。Ellyin等人的實驗結果表明，所有試樣均在縱向平面內轉角處在壓力遠小于整體屈服壓力時就已經開始屈服。主管壁厚較薄的三通，腹部的最高應力點是在肩部形成塑形區以后才達到屈服值的，而主管壁厚較大的三通，則是肩部拐角處的內壁和腹部外壁同時達到屈服[11]。趙樹炳的研究表明：三通在內壓作用下，最大等效應力發生在三通的肩部內側，最大變形發生在腹部外側。合理的選擇支管入口的圓角半徑能夠改善三通應力集中程度[12-13]。馬業華等利用有限元分析技術，開發了三通優化分析模塊，得到了最優的三通圓角半徑。最優圓角半徑隨支管半徑的增大而增大[14]，如圖2所示。

圖2 含圓角三通的內外圓角半徑關系圖

我國長輸管道管件設計中普遍采用的設計標準是MSS SP-75-2008《Specification for high test wrought butt welding fittings》，其規定了管件結構設計可以使用數學分析和驗證試驗兩種方法。數學分析法中三通的設計方法采用的是等面積補強計算法。所謂補強指的是由于管道開孔后其承載強度有所下降，需要對其強度補充，等面積補強即指補強材料的面積應大于等于管道開孔丟失材料的面積。驗證試驗法是指在大量爆破試驗的基礎上，對試驗結果進行分析、篩選和研究，從而確定三通壁厚等結構尺寸的一種方法。

國內油氣輸送用三通的設計計算所采用的標準主要有GB/T 50251《輸氣管道工程設計規范》、GB/T 50253《輸油管道工程設計規范》、SY/T 0510《鋼制對焊管件》及ASME B 31.3《Process Piping》，上述標準都是采用的等面積補強的設計方法。王高峰等對上述4種標準中三通開孔補強的計算方法進行了對比：ASME B 31.3中對拔制三通開孔補強計算的限定較多，并且增加了引出口外輪廓部分的曲率半徑的規定。實例計算顯示GB/T 50251和GB/T 50253的設計計算較為嚴格[15]。趙樹炳等對比分析了GB/T 50251和GB/T 50253的計算方法發現：GB/T 50251《輸氣管道工程設計規范》對補強的要求更為嚴格，并且其補強面積與連接工藝管線的壁厚有關。

等面積補強計算中其前提條件和數據選取等都帶有一定的假設性和裕量。對西氣東輸二線實際三通爆破試驗壓力的分析表明，利用等面積補強公式計算出的結果偏于保守，且支管直徑越大，壁厚偏大越多。就西氣東輸二線X80大口徑三通而言，利用數學分析法計算的設計壁厚已接近材料熱加工能力極限。在今后更大口徑或更大壓力管道的建設中，如果仍然采用數學分析法，對目前X80三通生產選用的材料和工廠加工能力而言，將無法滿足工程建設質量的要求[16]。劉迎來等基于大量X80系列三通實物性能和爆破試驗，采用驗證試驗方法得到系列優化的X80三通壁厚，使預期大口徑三通實物壁厚較計算結果減少20%，并建立相應的技術條件和數據庫，從而指導管道工程用高強度大口徑三通的結構設計。目前，該成果已在西氣東輸三線、四線等工程建設中得到應用[17]。Q/SY GJX 105《油氣輸送管道工程用DN350及以上管件技術條件》和Q/SY GJX 106《油氣輸送管道工程用DN400及以上管件技術條件》中列出了確定三通管件壁厚的驗證試驗方法。

2.3 油氣輸送用三通管件的基本要求

2.3.1 油氣輸送用三通管件的化學成分

熱擠壓三通在成型過程中反復加熱變形，成型后必須進行熱處理，母管通過焊接成型并且通過焊接方式與主管道相連接，因此高溫塑性、合適的淬透性和良好的可焊性是熱擠壓三通化學成份的的基本要求。表1列出了國內TE555、俄羅斯K55鋼級三通的 化學成分，同時列出了Q/SY GJX 106和中俄東線規定的X80鋼級三通管件的化學成分最大允許值[18]。

2.3.2 油氣輸送用三通管件的力學性能

由于X80熱擠壓三通結構和成型的復雜性，因此需要分別從三通的支管，臺肩部，主管和焊接接頭處取樣進行拉伸和沖擊試驗。

表1 X80鋼級三通管件常見化學成分(質量分數) %

當三通鋼管壁厚大于25 mm時，拉伸試樣可以采用全壁厚矩形拉伸試樣，也可以采用全壁厚均勻分層矩形拉伸試樣。圓柱形的拉伸試樣和夏比沖擊試樣則選取1/2壁厚處或者距管體外表面25 mm兩者數值較小的位置。

夏比沖擊試驗規定溫度按照管件設計溫度減5 ℃進行，也可由制造商與購方協商確定。中俄東線站場低溫環境用X80熱擠壓三通沖擊試驗溫度低至-45 ℃。

3 結論和建議

油氣輸送用X80三通管件毛坯管的焊接目前只能采用手工焊接方法，因為國內沒有滿足要求的埋弧焊絲，但是手工焊接方法的焊接生產效率和產品質量穩定性低，導致焊縫成為三通管件上的薄弱環節。為了滿足野外環焊施工的需要，油氣輸送管用三通的合金含量一般較低。隨著壁厚的不斷增加，淬火后三通從表面到中心部位的組織不一樣，中心部位的屈服強度和夏比沖擊吸收能量顯著下降，造成潛在的脆性失穩開裂風險。另外，在生產工藝方面，當前高壓、大口徑三通的設計壁厚已大大超出了目前國內三通管件的生產能力。因此急需開展三通管件新制造方法、新生產工藝等方面的研究。