中俄東線X80 鋼級Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管理化性能研究

陳小偉， 王 旭， 韓鐵利， 張正鑫

（1. 渤海石油裝備巨龍鋼管公司， 河北青縣 062658； 2. 天津石油職業技術學院， 天津 301607）

0 前 言

對輸送效率和經濟性的追求推動了全球油氣管道不斷向高鋼級、 大直徑方向發展[1-2]。 俄羅斯巴甫年科沃—烏恰管道率先采用了K65 鋼級（相當于X80）、 Φ1 420 mm 管道， 在國際高鋼級大直徑管道建設史上具有里程碑意義[3]。 2019年建成投產的俄羅斯西伯利亞力量管道， 是中俄東線對應的俄羅斯段， 采用了與巴甫年科沃—烏恰管道類似的設計， 管徑為1 420 mm， 鋼級包括K60 和K65。 另一條具有代表性的管徑1 422 mm管道是土耳其與阿塞拜疆合資建設的跨安納托利亞天然氣管道項目 （TANAP）， 該項目采用了X70 鋼級鋼管。

中俄東線天然氣管道是我國第一條X80 鋼級Φ1 422 mm 管道， 項目建設時正值我國X80 管道陸續出現一些質量安全事故， 問題包括環焊自身的問題， 以及一系列與管材質量相關的問題。盡管X80 管線鋼在我國已有大規模應用， 但由于中俄東線鋼管的直徑、 壁厚均有較大幅度的增加， 以及基于以往X80 管道質量問題等因素，對管材產品提出更嚴格的要求， 給我國板材、 管材制造企業的制造技術、 質量控制能力帶來巨大的挑戰。 本研究通過對中俄東線北段采用的約50%的直縫埋弧焊管的實物理化性能進行統計分析， 旨在對我國目前X80 寬厚板、 直縫埋弧焊管制造技術及質量控制水平有較深入的了解， 并對中俄東線北段管道運行及安全評價、 管道挖潛等提供參考。

1 技術挑戰

近年來我國X80 管道發生了較多的質量安全問題， 相關失效分析結果表明， X80 管道主要失效形式為環焊縫失效， 其主要原因包括環焊縫韌性、焊接缺陷、 不等壁厚及錯邊等引起的應力集中，以及環焊縫相對于鋼管的低強匹配等[4-7]。 這些失效反映出來的管材質量問題包括： 管材成分要求范圍寬， 實物一致性差， 導致管材可焊性差； 管材強度要求寬泛， 實物水平接近標準上限， 造成焊縫與管體低強匹配； 管材幾何尺寸要求偏低， 現場組對困難， 出現強力組對以及應力問題等。 圍繞這些問題， 在中俄東線建設前， 從管材自身質量改進的角度， 在中俄東線鋼管技術條件以及數據單補充技術要求中， 對相關技術指標及控制范圍均進行了更為嚴格的要求。 其中， 涉及理化性能方面主要包括化學成分、 拉伸性能和DWTT 等指標。

1.1 化學成分

在西氣東輸三線焊接工藝評定過程中， 出現了較多的環焊縫性能不合格問題， 由此引起了對西氣東輸二線以來我國X80 鋼合金體系不一致、合金含量差異大、 甚至同一廠家不同批次板材合金含量差異大的問題的關注。 圖1 為不同時期某廠家同一規格X80 鋼級合金成分的變化。 當時這種變化幾乎不需要經過任何告知及確認， 完全取決于制造商。 這些變化一方面可能導致鋼板、 鋼管性能的巨大變化， 另一方面必然引起材料可焊性的變化， 從而對制管焊接以及現場焊接帶來隱患。

圖1 不同時期某廠家同一規格X80 鋼合金成分的變化

為了避免這種問題， 《中俄東線天然氣管道工程技術規范第四部分： X80 級直縫埋弧焊管技術條件》 對X80 鋼級Φ1 422 mm 管材合金元素進行了嚴格的限制。 管材化學成分的限制著眼于兩方面： 一是減少成分波動以促進管材質量的穩定以及現場環焊工藝的適用性； 二是通過對關鍵元素以及冷裂紋敏感系數的嚴格控制， 改善環焊可焊性， 促進環焊縫以及熱影響區強韌性的改善。技術條件中給出了合金元素的驗收值及推薦范圍，但規定“如制造商選擇推薦范圍以外的其他化學成分， 應經業主批準”， 這就使得推薦值成為事實上的驗收值。 合金元素主要要求部分見表1， 表1還列出了俄羅斯巴甫年科沃—烏恰管道以及西伯利亞力量管道《工作壓力11.8 MPa 的天然氣干線長輸管道用直徑1 420 mm、 強度等級K65 的直縫電焊鋼管技術條件》 中K65 （相當于X80） 鋼管合金元素要求。 對比發現， 兩者理念和嚴格程度基本一致， 在Nb、 Mo、 Ni 等元素范圍要求上略有不同， 中俄東線對鋼管冷裂紋敏感指數Pcm 的要求顯然要高于K65 鋼管， 但不能據此判斷優劣。

表1 中俄東線X80 直縫焊管合金元素要求

1.2 拉伸性能

西氣東輸二線建設以后的相當一段時間， 對于X80 鋼管的拉伸性能是基于API SPEC 5L 要求， 即屈服強度為555～705 MPa， 抗拉強度為625～825 MPa。 由于強度區間要求寬泛， 導致X80 鋼強度波動大、 穩定性差， 給制管以及環焊帶來一系列問題。 對于制管過程， 典型的問題是低合金以及高強度帶來的焊管焊縫熱影響區軟化以及不合格問題[8]， 如圖2 所示。

圖2 彎曲試驗表現出來的焊接熱影響區軟化

另一方面， 近年來備受關注的環焊縫失效事故與環焊縫、 管體的強度匹配問題， 國內外比較一致的觀點認為， 環焊縫的高強匹配對于避免環焊縫失效至關重要[5,9-10]。 高強匹配能夠有效避免環焊縫處的應力集中， 從而避免環焊縫失效。 由于環焊縫與管體的匹配程度顯然與管體自身的強度相關， 較低的管體強度使等強甚至高強匹配變得更容易實現， 因此壓縮強度上限也成為促進環焊縫合理強度匹配的重要方向。

為了給現場環焊縫焊接創造更好的條件，以更好滿足等強甚至高強匹配的要求， 技術條件中鋼管拉伸性能區間進一步縮小。 中俄東線技術條件中將屈服強度上限由API SPEC 5L 要求的705 MPa 壓縮至690 MPa， 在后續的數據單中進一步壓縮至675 MPa， 區間范圍由150 MPa縮窄為120 MPa； 抗拉強度上限由825 MPa 壓縮至780 MPa， 在后續數據單中進一步壓縮至765 MPa， 區間由200 MPa 縮窄為140 MPa。強度區間的縮窄給制造工藝的穩定性帶來了極大的挑戰， 也需要制管廠和鋼廠密切配合， 尋求最佳的鋼板強度控制區間， 以確保鋼管強度區間滿足要求。

1.3 DWTT 性能

高鋼級、 大直徑、 厚壁管材的DWTT 性能面臨較大的技術挑戰， 這是由于板材厚度增加、板寬增加帶來軋制壓縮比的降低， 而采用大壓縮比軋制細化奧氏體晶粒是改善DWTT 性能的重要途徑。 按照API SPEC 5L 規定， 壁厚超過25.4 mm 時， 管材DWTT 剪切面積由強制性的70%/85% （最小單值/最小平均值） 要求改為協商確定。 中俄東線直縫鋼管主要規格為25.7 mm和30.8 mm， 按照API SPEC 5L 規定可以協商確定更低的DWTT 剪切面積要求。 為了增強安全性， 中俄東線項目技術條件要求-5 ℃下DWTT剪切面積也要達到70%/85%的水平。

2 中俄東線X80 鋼級Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管的實物性能

2.1 化學成分

2.1.1 整體情況

中俄東線三種不同壁厚鋼管的化學成分要求是一致的。 對三個規格共1 393 熔煉爐X80 鋼板制造的Φ1 422 mm 鋼管進行了化學成分檢驗， 結果見表2。 由表2 可以看出， 所有檢驗批產品的化學成分均滿足推薦范圍要求， 合格率100%。 備受關注的鋼管Pcm 為0.149%～0.203%， 均值為0.171%， 遠低于API SPEC 5L 規定的最大0.25%的水平， 且呈現良好的正態分布， 如圖3 所示，較低的Pcm 為環焊創造了良好的條件。

表2 中俄東線X80 鋼級Φ1 422 mm 直縫焊管化學成分

圖3 中俄東線X80 鋼級Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管Pcm 分布統計結果

2.1.2 不同原料廠家產品情況

圖4 為各廠家原料合金元素含量均值對比，其中某些廠家提供了三種規格鋼板， 而某些廠家只提供了一種規格鋼板。 從圖4 可以看出， 差異主要體現在主要合金元素Mo、 Ni、 Cr、 Cu 上，其中Cr、 Cu 元素含量差異較大， C 含量和Pcm基本保持同等水平。 這種差異主要與各廠家的設計理念、 技術路線、 經驗及傳統有關， 也與成本管控有一定關系。 與之前的X80 鋼板合金成分相比， 中俄東線項目鋼板合金差異要小得多， 這對于鋼管質量的穩定以及環焊質量提高是有益的。

圖4 不同廠家X80 鋼板主要合金元素含量對比

由于上述四家鋼廠均參與了板厚30.8 mm 板材的生產供貨， 并且考慮板厚30.8mm 板材的制造難度， 本研究對四家鋼廠板厚30.8 mm 鋼板主要合金成分進行了對比， 對比結果如圖5 所示。對比圖4 和圖5 可以發現， 各廠家板厚30.8mm鋼板成分與三個規格平均成分基本一致， 這與統計分析結果一致， 表明壁厚對合金元素添加量的影響較小， 采用同樣的成分可以生產出厚度21.4～30.8 mm 規格鋼板。

圖5 各廠家30.8 mm 板材主要合金元素對比

2.2 拉伸性能

對總計近20 000 根X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管按照取樣要求制取拉伸試樣， 其中橫向拉伸試樣樣本數1 972 組， 縱向試樣283 組， 包括小批量試制和正式批量生產。 總計有31 根鋼管（包括復取） 拉伸性能不符合要求， 其中屈強比超標試樣22 個， 屈服強度低于標準下限試樣10 個， 鋼管拉伸性能合格率達到99.83%。 從不合格試樣的分布看， 主要集中在個別批次， 這些批次經分析后發現在鋼板制造過程中存在工藝波動。

合格焊管屈服強度統計情況見表3， 其正態分布如圖6 所示。

表3 X80 鋼級Φ1 422 mm 鋼管屈服強度統計結果

統計分析結果表明， 目前120 MPa 的屈服強度區間對于X80 鋼管來說， 具有非常高的合格率， 但縱向屈服強度區間達到了140 MPa。從屈服強度分布情況看， 呈現比較良好的正態分布， 這使得進一步壓縮屈服強度區間成為可能。 從橫、 縱向屈服強度分布可以看出， 對于直縫鋼管， 縱向屈服強度分布整體左移， 縱向屈服強度較橫向屈服強度平均低33 MPa。 較低的縱向屈服強度對管道環焊縫的高強匹配是有利的。

圖6 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管屈服強度分布

焊管抗拉強度統計結果見表4， 分布情況如圖7 所示。 橫向抗拉強度區間為135 MPa， 縱向抗拉強度區間為125 MPa。 與屈服強度類似， 抗拉強度也呈現比較良好的正態分布。 同樣， 縱向抗拉強度較橫向抗拉強度普遍低一些， 平均低20 MPa。

表4 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管抗拉強度統計結果

圖7 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管抗拉強度分布

焊管屈強比統計見表5， 分布情況如圖8 所示。 從平均水平看， 盡管鋼管橫、 縱向均具有較低的屈強比水平， 但有相當比例的鋼管屈強比位于標準上限值， 這也意味著進一步壓縮X80 鋼管的屈強比具有較大的難度。 縱向屈強比分布整體左移， 縱向屈強比較橫向屈強比平均低0.024。

表5 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管屈強比統計結果

圖8 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管屈強比分布

焊管焊接接頭的抗拉強度統計結果見表6，分布情況如圖9 所示。 焊縫抗拉強度平均為682 MPa， 與管體抗拉強度均值686 MPa 相比，焊接熱影響區與管體強度匹配良好， 未發生明顯軟化。 制管焊縫焊接接頭強度匹配的改善得益于對合金成分的嚴格控制以及強度上限的壓縮。

上述關于橫向、 縱向屈服強度及抗拉強度的對比是基于整體數據， 其均值有意義。 為了更準確地研究對于同一根鋼管橫向、 縱向拉伸性能的情況，對同時進行橫向、 縱向拉伸試驗的鋼管試驗結果進行對比， 對比結果如圖10 所示。 圖10 更直觀地表明， 直縫埋弧焊管的縱向屈服強度、 抗拉強度整體低于橫向。 較低的縱向性能有利于形成環焊縫的等強甚至過強匹配， 可提高管道的抗變形能力， 這也是改善管道安全性的重要措施之一。

表6 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管焊接接頭抗拉強度統計結果

圖9 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管焊接接頭抗拉強度分布

圖10 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管橫向、縱向拉伸性能對比

2.3 夏比沖擊韌性

X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管總計近20 000 根，抽取夏比沖擊試驗樣本總計1 796 組， 包括小批量試制和正式生產。 其中10 根鋼管母材夏比沖擊試驗結果不合格（全部為某鋼廠21.4 mm 厚鋼板， 經查詢存在工藝異常）， 焊管管體夏比沖擊試驗合格率為99.95%。

2.3.1 管體

表7 為焊管管體夏比沖擊試驗統計結果， 具體分布情況如圖11 所示。 按標準規定進行-10 ℃夏比沖擊試驗， 同時對部分焊管進行了-45 ℃以及-60 ℃夏比沖擊試驗。 結果表明， 中俄東線焊管母材均具有優良的韌性， 即使在-45 ℃、-60 ℃時， 其沖擊功均值仍達到300 J 以上。 可見目前X80 鋼的夏比沖擊韌性十分優良。 但從表7 和圖11 也可以看出， 夏比沖擊功的分布離散度較大， 這一方面是由于統計樣本來自多個廠家原材料所制的多個規格鋼管， 另一方面也表明了當前X80 鋼自身均勻性方面仍存在很大的改進空間。

表7 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管母材沖擊功統計結果

圖11 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體夏比沖擊功分布

2.3.2 焊縫及熱影響區

焊管焊縫及熱影響區-10 ℃夏比沖擊試驗結果見表8， 沖擊功分布情況如圖12 所示。 從表8可以看出， 實物水平較標準值有較大幅度的富裕量， 尤其是均值超出標準值一倍以上， 表明鋼管直焊縫具有優良的韌性水平。 圖12 的夏比沖擊功分布情況表明， 熱影響區的夏比沖擊功波動明顯大于焊縫沖擊功波動， 這一方面是由于熱影響區自身性能波動大， 另一方面與焊縫形貌和取樣位置關系密切。

表8 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管夏比沖擊功統計結果

圖12 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管焊縫及熱影響區夏比沖擊功分布

2.4 DWTT 性能

2.4.1 整體情況

在所有小批量試制和正式生產的焊管中， 僅有3 根鋼管DWTT 不合格 （為某廠小批量試制的25.7 mm 板厚） ， 鋼管DWTT 合格率達99.984%。 如果僅考慮批量生產， DWTT 合格率達到了100%。 DWTT 整體情況統計結果見表9，其分布如圖13 所示。

表9 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管DWTT 統計結果

圖13 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管DWTT 剪切面積分布

2.4.2 不同規格板材情況

一般認為， 隨著管線鋼厚度的增加， 獲得同樣DWTT 剪切面積的難度增加。 通過對中俄東線三種壁厚鋼管DWTT 進行統計分析， 結果見表10和圖14。 首先需要說明的是， 三種規格均具有優良的DWTT 剪切面積。 然而， 統計結果并未呈現出DWTT 剪切面積率隨著壁厚的增加而降低。 相反， 結果表明隨著壁厚的增加， 其平均DWTT 剪切面積率甚至略有升高， 30.8 mm 壁厚鋼管的DWTT 剪切面積率均值達到了95.1%。

表10 X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管DWTT 統計結果（-5 ℃）

圖14 不同壁厚X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管DWTT 剪切面積分布

DWTT 結果的這種反常， 應與兩個因素有關。 一是單面減薄試樣試驗值要比全壁厚結果略高[12-14]， 大約高3%～5%， 這就導致壁厚25.7 mm及壁厚30.8 mm 焊管采用減薄試樣進行試驗時， 同等條件下其結果更好一些； 二是這些不同壁厚的焊管所用板材由不同廠家制造， 而不同廠家對于DWTT 控制水平不一樣， 盡管某些廠家提供了更多更厚的鋼板， 但其DWTT 表現水平可能要優于其他廠家的薄規格鋼板。

圖15 是分別采用四個廠家的30.8 mm 壁厚焊管DWTT 試驗結果。 從圖15 明顯可以看出， 各廠家對于DWTT 的控制存在一定差異， 這種差異與合金成分、 制造工藝有關。 但結合圖5 各廠家30.8 mm 厚鋼板的合金含量可以看出， 合金含量的差異與DWTT 性能并沒有明顯的相關性， 至少較高的Mo、 Ni 含量并未帶來高的DWTT 性能。

圖15 不同廠家生產的壁厚30.8 mm 焊管DWTT 剪切面積均值對比

3 討 論

（1） 化學成分方面： 與國外同類項目相比，中俄東線項目對于管材合金成分的要求已十分嚴格， 這為鋼管質量的穩定性和環焊質量的可靠性奠定了基礎。 目前除了不同廠家X80 鋼板合金含量略有差異外， 同一廠家鋼板合金含量比較穩定， 波動較小。 而且， 各個廠家不同合金成分均能制造出性能優異的板材以及管材， 不能據此評判優劣。 進一步優化合金元素含量前， 需要深入研究合金元素含量對管材性能、 制管焊接、 現場環焊的定性以及定量影響。

（2） 拉伸性能方面： 鑒于中俄東線X80 焊管屈服強度和抗拉強度合格率及其良好的正態分布， 仍存在一定的壓減空間， 比如屈服強度區間向110 MPa 或100 MPa 趨近， 以更加接近國際先進標準。 俄羅斯標準對于K65 焊管屈服強度區間要求為100 MPa （555～655 MPa）， 抗拉強度區間要求為120 MPa （640～760 MPa）。 但需要注意的是， 同時壓減屈服強度和抗拉強度區間， 導致屈強比的問題比較突出。 從中俄東線焊管拉伸性能不合格項看， 也主要是集中在屈強比上。 因此， 應根據環焊縫等強或者過強匹配是以屈服強度還是抗拉強度為準， 來確定壓減屈服強度還是抗拉強度區間。

（3） DWTT 性能方面： 盡管中俄東線壁厚25.7 mm/30.8 mm 直縫焊管-5 ℃DWTT 具有很高的剪切面積率， 但與俄羅斯巴甫年科沃—烏恰管道以及西伯利亞力量管道要求（-20 ℃DWTT 剪切面積85%） 相比， 仍存在一定的差距。 因此， 我國X80 管材在低溫DWTT 性能方面還有進一步的提升空間。

4 結 論

（1） 批量供貨的X80 鋼級Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管的化學成分全部達到了中俄東線技術條件推薦值的要求， 主要合金元素控制在較窄的區間內， Pcm 最大值為0.203%， 均值為0.171%，鋼管具有較低的冷裂紋敏感性。

（2） 在調整屈服強度區間至120 MPa、 抗拉強度區間至140 MPa 時， X80 鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管拉伸性能合格率達99.83%。 鋼管屈服強度、 抗拉強度呈較為理想的正態分布，縱向屈服強度、 抗拉強度平均值較橫向分別低34 MPa 和20 MPa， 這對于管道施工過程中環焊縫實現等強匹配以及過強匹配是非常有利的。

（3） 焊管管體夏比沖擊合格率為99.95%，-10 ℃夏比沖擊功均值達343 J， 遠高于標準要求， -60 ℃夏比沖擊功均值仍在300 J 以上。

（4） 焊管DWTT 合格率達99.984%， 批量生產后鋼管DWTT 合格率達100%， -5 ℃DWTT 剪切面積均值達94%。 尤其是25.7 mm、 30.8 mm 大壁厚焊管的DWTT 性能優異， 30.8 mm 壁厚焊管DWTT 剪切面積均值達到了95%， 超出預期。