日本第一條X80 高強度管線鋼管的設計制造與現場施工

劉煒辰， 李嘉良， 蔣浩澤 編譯

（1. 中國石油測井公司國際事業部， 北京102206；2. 成都索貝數碼科技股份有限公司， 成都610041；3. 中國石油測井公司， 西安710089）

0 前 言

近年來， 高強度管道的使用大大降低了天然氣輸送管道的建設成本。 X80 鋼級管線鋼已在世界范圍內使用， 并且正在對X100 和X120等更高級別管線鋼進行深入研究。 在可能發生地面位移的區域， 例如穿越地震活躍區的管道， 設計時應考慮其承受縱向變形的能力。 在日本， 包括土壤液化在內的地震事件并不少見， 管道規范通常適用于X65 以下等級管材。東京燃氣公司對上述地區使用X80 管線鋼管進行了廣泛的技術研究， 并進行了大量的試驗，包括全尺寸爆破試驗、 全尺寸彎曲試驗及環焊縫有限元分析等。 東京燃氣公司和住友金屬在日本首次建造了1 條具有抗震性能的X80（L555） 級高壓天然氣管道。 住友金屬為日本第一條X80 高強度管道提供管材， 該管道已于2011 年秋季竣工。 在鋼管制造過程中， 特別要求鋼管涂層加熱后的拉伸試驗應具有圓屋頂型的應力-應變曲線， 這是避免管線鋼管縱向變形集中的關鍵。 同時， 對管線鋼的化學成分進行了設計， 優化了熱機械控軋工藝 （TMCP），開發了外徑610 mm、 壁厚14.5～18.9 mm 管線鋼管， 以及同一鋼級的感應加熱彎管， 并成功應用于管道工程。 管道環焊縫焊接由住友金屬管道公司實施， 選擇機械化熔化極氣體保護焊（GMAW）， 以滿足焊縫金屬的強度完全超過鋼管母材的強度， 避免環焊縫上縱向應力集中和出現氫應力開裂 （HISC）， 焊縫的硬度最大為300HV10， 并且對所有環焊縫進行了射線檢測和超聲波檢測。 筆者總結了日本第一條X80 高強鋼管道的設計思路、 管材制造、 環縫焊接和施工技術要點， 以期為高強度天然氣管道建設提供技術參考。

1 設計思路

1.1 許用應力

在日本， 高壓天然氣管道通常在城市地區修建， 因此制定了極其嚴格的標準。 由于這些標準適用于鋼級為X80 的管道， 因此最大工作壓力下的許用環向應力限制在222 MPa （40%SMYS）以下。 這意味著設計系數≤0.4， 管道才被認為是安全的。

1.2 抗震性能

考慮到日本是一個多地震國家， 在API 標準的基礎上， 提出了縱向拉伸性能的補充要求，并要求管材縱向拉伸應力-應變曲線為具有連續屈服特征的圓屋頂型， 并且要求在外部涂層經過熱循環后， 鋼管的縱向拉伸應力-應變曲線依然保持這種特征。

1.3 環縫焊接

由于環焊縫的寬度與管道長度相比非常窄，因此要防止地面移動的拉伸載荷引起的應力集中。 此外， 由于管道是在城市地區修建， 因此對管道安全性要求很高， 所有環焊縫必須防止應力集中產生。 為了達到這一目的， 焊縫金屬的強度必須完全超過鋼管母材的強度。 同時， 提出了高水平的無損檢驗要求， 使用射線檢測和自動超聲檢測對每個環焊縫進行無損檢測， 比API 1104標準要求更高。

2 鋼管制造

2.1 圓屋頂型應力-應變曲線要求

UOE 鋼管由控制軋制的鋼板制成， 在制管過程中經過了冷變形， 且存在著可動位錯密度。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。 在這一過程中， 可動位錯要么減少， 要么固定， 從而使管道的應力-應變曲線出現屈服平臺。 為了使管線鋼管在加熱后應力-應變曲線保持圓屋頂型， 必須保持足夠的可動位錯密度。 為實現這一目標，研究了成分、 軋制工藝及變形時效的規律， 開發了含有M/A 硬質相顯微組織結構的X80 管線鋼。

2.2 制造工藝

在研究的基礎上， 日本住友金屬工業株式會社鹿島鋼鐵廠生產了鋼板和鋼管。 鋼板生產過程中， 含有加速冷卻裝置的鋼板軋制設備已被動態加速冷卻（DAC） 技術所取代， 該技術大大提高了冷卻性能和控制能力， 使得大批量高效生產的鋼板滿足鋼管技術規范的材料性能要求。

管線鋼的典型化學成分見表1， 其中Ti/N 比得到控制。 對于鋼板制造， 將終止加速冷卻的溫度設定為室溫， 并將M/A 含量增加到最佳水平以保證位錯移動。 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力-應變曲線。

表1 典型的X80 管線鋼主要化學成分 %

工程中使用的鋼管、 彎管規格見表2。 壁厚14.5 mm 的X80 鋼管涂層加熱后的縱向拉伸應力-應變曲線如圖1 所示， 由圖1 可以看出，應力-應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， 該數據證實了拉伸曲線的圓屋頂形狀， 延伸率為24% （圓棒試樣）， 這是相當令人滿意的結果；屈強比低至近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和落錘撕裂試驗 （DWTT） 的典型結果， 從表4 可以看出，管體、 焊縫和熱影響區夏比沖擊功保持在200 J以上， 該值是在74%SMYS 的內部壓力下、 防止不穩定韌性斷裂所需值 （約100 J） 的兩倍以上， 安全裕度遠高于當前管道項目中使用的管線管 （其許用設計應力為40%SMYS） 所需的安全裕度， 表明該鋼管在實際運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 鋼管規格

圖1 典型的鋼管縱向應力-應變曲線

表3 典型鋼管的縱向拉伸性能

表4 典型的鋼管韌性試驗結果（試驗溫度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 環縫焊接

3.1 焊接思路

工程設計要求環焊縫完全達到高強匹配。 表3中母材的平均縱向抗拉強度為749 MPa， 這意味著焊縫金屬的強度必須以＞825 MPa 為目標， 以達到10%或更大程度的高匹配。 硬度方面， 通過將抗拉強度的水平轉換為硬度， 發現硬度大約需要260HV10或更高， 然而焊縫的硬度經常發生變化， 其變化范圍通常在±（30～40）HV10， 因此，如果在對焊接方法沒有特別要求的情況下， 焊縫金屬強度遠超過825 MPa， 則最大硬度可能遠遠超過300HV10， 這種做法是不可取的。 換言之，環焊縫強度的允許范圍非常窄， 有時是一個精確的數值。 此外， 焊縫無損檢測要求嚴格的缺陷限制， 這意味著需要具有極高水平的焊接技術， 以滿足接頭的性能要求， 同時滿足無損檢測規范（如圖4 所示）。 滿足上述規范的環縫焊接思路包括： ①選擇合適強度等級的焊接材料； ②使用焊接質量重復性好的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，以提高無損檢測質量。 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 環焊縫金屬允許強度范圍與管體強度對比示意圖

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厚鋼板進行焊接性試驗。 GMAW 的平均熱輸入為8.7～11.1 kJ/cm， 形成多層焊縫 （5 層）， 焊接在兩個位置進行， 即平焊 （1G） 和垂直向下焊（3G）。 在初步評定焊縫金屬最大硬度和焊接工藝性（熔渣的粘附性和流動性） 的基礎上， 選擇標號為A 的“低C-中Mn-低Ni-Mo” 焊材。

3.3 焊接接頭的性能和無損檢測結果

采用符合AWS A5.28 ER 100S-G 標準的標記A 焊接材料， 在Φ610 mm X80 鋼管上， 采用GMAW 在固定水平位置 （5G） 進行焊接， 對接頭的力學性能和無損檢測結果進行了研究。 表5列出了最初設定的焊接工藝參數， 圖5 為保護氣體混合比與焊縫硬度、 抗拉強度和屈服強度之間的關系。 從圖5 可以看出， 隨著CO2在保護氣體中混合比例的增加， 焊縫的硬度和強度逐漸降低。 射線檢測到環焊縫中的氣孔數量與保護氣體成分有很大的相關性， 隨著保護氣體中CO2含量的增加， 氣孔率明顯降低； 自動超聲波檢測未發現任何缺陷。 當CO2濃度為20%時， 焊道的外觀（咬邊、 圓滑度） 和飛濺量方面獲得了最理想的結果， 隨著CO2濃度的增加， 焊道外觀逐漸惡化。 在此基礎上， 結合接頭性能、 無損檢測質量和焊接工藝性， 確定采用標記A 焊接材料、 30°坡口、 60%Ar+40%CO2保護氣的焊接工藝。

表5 最初設定的焊接工藝參數

圖5 CO2 混合比對焊縫性能的影響

3.4 保護氣體成分對焊縫化學成分和組織的影響

保護氣體成分對焊縫化學成分的影響見表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。 這些觀察結果表明， 可以通過改變保護氣體中CO2的比例， 來控制焊縫金屬的強度（硬度）。

表6 不同CO2 混合比的焊縫金屬化學成分

3.5 環焊縫力學性能

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

表7 環焊縫焊接工藝參數

圖6 環焊坡口形式及焊道順序示意圖

表8 環焊縫的力學性能

圖7 環焊縫截面宏觀形貌

4 施 工

該管道全長約20.5 km， 位于東京郊區， 敷設在道路下面。 圖8 為該工程X80 鋼級Φ610 mm 管道現場施工照片。 首先， 將道路瀝青鋪面破碎并移除， 并在清理區域內開挖溝槽； 其次， 起重機將鋼管逐根放入管溝， 并在管溝（地下） 中單獨進行環縫焊接； 然后， 進行無損檢測； 最后， 進行表面防腐和管溝回填。 對于無損檢測， 要求對每個焊接接頭進行嚴格的射線和超聲波檢測， 降低管道環焊縫缺陷。

施工中還使用了冷彎鋼管。 一般情況下冷彎管在現場進行制作， 但是鑒于其質量的重要性，該工程根據項目的具體要求， 在特定工廠內制作彎管， 并由專業機構監督質量。 圖9 為冷彎管的生產和現場安裝情況。

圖8 Φ610 mm X80 管道現場施工照片

圖9 冷彎管的生產和安裝

5 結 論

（1） X80 高壓天然氣管道在設計方面采用了較低的設計系數， 基于城市和地震環境下使用的要求， 提出了高應變管材和環焊縫高強匹配的要求。

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

（3） 在環縫焊接方面， 篩選出了具有與母材完全高強匹配的商用焊接材料， 研發了性能和無損檢測質量優良的機械GMAW 焊接工藝。

（4） 在現場施工方面， 從開挖、 下溝、 焊接、 冷彎管制作和無損檢測環節， 形成了一套可靠、 高效的施工方案。