國內外標準中關于高鋼級大直徑天然氣管道評價的對比分析

穆云婷， 王云龍， 任天曉， 顧曉婷， 張瑤瑤， 穆云彤

（1. 中油龍慧自動化工程有限公司， 河北 廊坊 065001；2. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065099； 3. 中國石油物資采購中心， 北京 100029；4. 長江大學， 湖北 荊州 434022； 5. 中油管道檢測技術責任有限公司， 河北 廊坊 065099）

0 前 言

隨著全球低碳經濟的發展， 天然氣需求量在快速增長[1]， 天然氣管道也在向高鋼級、 大直徑、高壓力方向發展， 采用高鋼級管材、 高壓力輸送可以使天然氣管道更加經濟、 高效地運行[2]。 中俄東線天然氣管道工程是中國首個采用X80 鋼級、直徑1 422 mm、 輸送壓力12 MPa 且單線輸氣規模最大的長輸天然氣管道工程[3-5]。 伴隨著管道輸送技術的發展， 高鋼級管道生產工藝、 大直徑鋼管配套管件以及全自動焊接工藝也在不斷升級。

在X80 高鋼級管道的生產方面， 我國已開發了X80 高鋼級管線鋼熱軋板卷技術和滿足高韌性要求的高潔凈度鋼制造技術[6]， 成功研發了X80 鋼級Φ1 219 mm×25.7/27.5/32 mm 的直焊縫埋弧焊管[7]， 滿足了西氣東輸二線工程的需要。同時， 借助鋼管低應力成型等技術， 開發出各項性能指標均符合管道建設標準要求的X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 的螺旋縫埋弧焊管[8-9]。 張振永等[10-11]通過分析國內外標準規范， 結合理論計算和國內鋼管實物生產水平， 明確了中俄東線站場管道用X80 鋼管低溫韌性指標。

大直徑鋼管配套低溫用管材、 管件方面，目前我國已形成了X80 鋼級、 外徑1 422 mm管道低溫整體式絕緣接頭的設計與制造技術[12]；楊云蘭、 鄒峰等[13]開發了一種設計溫度-40 ℃、 壓力12.6 MPa、 內徑1 550 mm 的安全自鎖性快開盲板； 尤澤廣等[13]通過對國內外管件標準進行對標， 確定了中俄東線站場低溫環境用大直徑三通的技術條件。

在全自動焊接方面， 中俄東線天然氣管道試驗段95%采用全自動焊接工藝[14]， 全線全自動焊接比例超過80%[4]。 在大直徑鋼管上實施全自動焊接工藝， 其要求必然與以往工藝不同[15]， 為了提高中俄東線管道自動焊的焊接效率， 保證焊接質量， 張小強[16]等在管道線路選線、 管道敷設、材料及焊接方面對全自動焊接設計方法和技術進行了改進與提升。

由此可見， 我國在高鋼級、 大直徑、 高壓力長輸管道和管件的生產、 設計與施工等方面積累了大量成功經驗和先進做法。 隨著管道向高鋼級、 大直徑、 高壓力方向發展， 現有的管道標準也應隨之提高。 因此， 有必要對中外管道標準進行研究， 分析中外標準在管道和管件設計、 制造、 力學性能等方面要求的差異， 學習借鑒國外的先進經驗， 完善相關技術要求和技術指標， 提高我國管道行業的安全技術水平。

1 X80 鋼級管材的制造與檢驗

1.1 X80 鋼級熱軋卷板

材料差異上， 國內規范較為統一， 要求材料為純凈鎮靜鋼， 并設置晶粒度評定、 非金屬夾雜物級別、 熱處理和表面清潔狀態。 相對于西氣東輸二線管道標準和X80 螺旋縫埋弧焊鋼管標準， 中石油標準缺少首批檢驗； CSA 標準規定可使用半鎮靜鋼； ISO 則沒有鎮靜鋼的說法， 只涉及了晶粒度； API SPEC 5L 則具備寬度要求、 原料加工工藝、 文件化的質量管理體系和實際熱軋工藝偏離評價， 對于材料要求更為嚴格細致。

1.2 X80 鋼級熱軋板材

1.2.1 熱軋鋼板適用范圍

GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管》 與國外標準ISO 不適用于鑄鐵管， 適用范圍較廣。 西氣東輸二線管道標準僅適用于X80 鋼級管徑為1 219 mm 的直縫埋弧焊鋼管生產用鋼板， X80 螺旋縫埋弧焊鋼管標準則僅適用于18.4 mm 和21.0 mm 兩種厚度的鋼板，API 標準在適用范圍上沒有要求， DNV 標準規定的適用范圍為厚度不超過150 mm 高強度和超高強度結構用軋制鋼板和型鋼。 針對中俄東線管道壁厚， X80 螺旋縫埋弧焊標準與DNV 中鋼板厚度局限性較大， 不適用。

1.2.2 熱軋鋼板材料差異

材料差異上， 國內規范較為統一。 加拿大規范CSA Z245.1-02 規定可使用半鎮靜鋼，ISO 標準則沒有鎮靜鋼的說法， 只涉及了晶粒度。 挪威船級社規范DNV 對于厚度不大于12.5 mm 的 型 鋼， 經DNV 特 許， 可 以 使 用 沸騰鋼。 相較于國內規范， 國外規范均缺少生產工藝評定試驗。

1.2.3 熱軋鋼板強度指標差異

國內外規范控制了屈服強度、 抗拉強度的上限和下限、 屈強比上限以及均勻延伸率下限， 但均沒有給出具體值， 需要通過額外的協議進行規定。 協議時， 可增加縱向拉伸曲線的形狀、 屈服強度波動范圍、 時效試驗、 斷裂韌性CTOD。 國家標準GB/T 9711—2017 與國外標準API、 ISO 均保持一致， 其他國內規范與CSA 標準的強度最大值均略低于國家標準， 最小值基本保持一致， 較為保守。 各標準對熱軋鋼板的強度指標要求見表1。

表1 不同標準對熱軋鋼板強度指標要求對比

1.3 X80 鋼級埋弧焊管

1.3.1 范圍及原料要求

國外標準ISO、 API 與GB/T 9711—2017 對鋼管管材原料要求一致， 中石油標準與西氣東輸工程標準對鋼材原料要求較嚴格， 要求鋼材應為細晶粒鎮靜鋼， 晶粒尺寸應為10 級或更細， 鋼材需用熱機械控軋工藝 （TMCP） 生產，且中石油標準規定螺旋埋弧焊管的板卷寬度不得小于鋼管外徑的1.0 倍， 也不得大于鋼管外徑的2.5 倍。

1.3.2 力學性能

在拉伸性能要求方面， 國外標準ISO、 API 與GB/T 9711—2017 均規定鋼管屈服強度數據分布帶寬150 MPa， 抗拉強度數據分布帶寬200 MPa。中石油標準規定鋼管屈服強度數據分布帶寬135 MPa， 抗拉強度數據分布帶寬155 MPa，控制范圍較小， 工藝要求較高。 不同標準對X80 鋼級埋弧焊管拉伸性能的要求見表2。

表2 X80 埋弧焊管拉伸性能要求

1.3.3 工藝質量檢驗及試驗

在外觀檢查方面， API 中規定最小允許壁厚缺欠是指該表面缺欠下剩余的壁厚小于最小允許壁厚的缺欠。 API 與GB/T 9711—2017 規定一致， 西氣東輸工程規范缺失電弧燒傷、 硬塊的規定。

工藝質量檢驗方面， 國外標準ISO、 API 與GB/T 9711—2017 對于焊縫工藝質量要求較高， 對不同壁厚鋼管的錯邊和焊偏有對應要求； 中石油標準對不同壁厚的鋼管分別提出了管體錯邊要求和管端錯邊要求， 直縫管以壁厚25 mm 為界限， 螺旋焊管規定了t＝21.4 mm 和t＝17.8 mm 的最大徑向錯邊。 中石油標準與西氣東輸工程標準都對不同壁厚鋼管的焊縫余高做出了要求， 整體高于國標。

2 1 400 mm 及以上直徑鋼管配套用管件

2.1 快開盲板

2.1.1 快開盲板類型

通過對比SY/T 0556—2018 《快速開關盲板技術規范》、 NB/T 47053—2016 《安全自鎖型快開盲板》 和日本標準JIS B 8284： 2003 《壓力容器用快速閉塞物》， 發現目前快開盲板主要有以下類型：牙嵌型快開盲板（YQ 型）、 卡箍型快開盲板（KG型）、 插扣型快開盲板（CK 型）、 壓力型快開盲板（YH 型） 和安全自鎖型快開盲板， 其中安全自鎖型快開盲板又分為臥式和立式。

2.1.2 適用范圍

表3 是四種標準中對快開盲板適用范圍的對比。 對于NB/T 47053—2016 和中石油標準而言，都是在SY/T 0556—2018 的基礎上制定的， 具體情況有具體的要求， 因此SY/T 0556—2018 所涵蓋的內容多且廣。

表3 四種標準中快開盲板適用范圍對比

對于不同類型的快開盲板， 設計參數的要求有所不同， 表4 對國內不同類型快開盲板的相關設計參數和特點進行了比對。 表4 中的標準雖均可滿足大直徑、 高鋼級低溫埋地管道的要求， 但是具體設計參數方面略有不同。

表4 國內各類快開盲板的適用范圍和特點

比對發現， 對于中俄東線管道工程來說插扣型快開盲板無法采用； 牙嵌型快開盲板因工程實際運用很少， 市場占有份額很小， 也不適合采用；卡箍型快開盲板和安全自鎖型快開盲板較合適。

2.1.3 物理性能要求

國內標準SY/T 0556—2018、 NB/T 47053—2016 和日本標準JIS B 8284： 2003 均有不同的壓力標準規定， 國內應遵循相關壓力容器標準如GB 150.1～4 和JB/T 4732 相關規定。 SY/T 0556—2018 提出材料的屈強比宜≤0.8， 而JIS B 8284：2003 中說明管道元件的材料設計應力應按照日本國內相關壓力容器標準中的設計應力來定。

關于校核壓力， SY/T 0556—2018 標準認為試驗壓力不應小于1.25 倍設計壓力， 且至少應比設計壓力大0.1 MPa； NB/T 47053—2016 標準認為試驗壓力的限制應符合JB/T 4732 的相關規定， 特別指出用于長輸管道的快開盲板應按1.5 倍設計壓力校核。

2.1.4 密封圈要求

國內標準SY/T 0556—2018 提出了橡膠密封件的具體性能要求， 規定O 形橡膠密封圈的尺寸及公差宜符合GB/T 3452.1 的規定； NB/T 47053—2016 認為密封件的材料可以根據工作介質的不同進行選取， 其材料性能應不低于GB/T 23658 的相關規定； 而JIS B 8284： 2003 標準對于橡膠密封圈沒有提出特殊要求。

2.2 三通

2.2.1 原材料要求

美國標準MSS SP-75 《高強度優質對焊管件》 規定： 鋼材應為全鎮靜鋼， 并采用公認的熔煉規范制造， 以便提供所需的熱處理和缺口韌性；應采用平爐、 吹氧轉爐或電爐工藝制造， 并適于現場焊接至其他管件、 法蘭和按照相應的ASME標準制造的鋼管； 管件材料應為鋼錠、 鋼坯、 板鋼、 鍛造品質棒材、 鋼板、 無縫或具有填充金屬的熔融式焊接管產品； 所用鋼材應為適宜的焊接品質碳鋼或適宜的焊接品質的高強度低合金鋼。

GB/T 29168.2—2012 《石油天然氣工業 管道輸送系統用感應加熱彎管、 管件和法蘭 第2 部分： 管件》 規定： 生產管件的原材料應是采用鎮靜鋼生產的鋼坯、 鋼錠、 平板、 高品質鍛造棒材、 板材、 帶有填充金屬的焊管或無縫鋼管產品， 不應使用高頻焊和螺旋縫埋弧焊鋼管。 國內行業標準SY/T 0609—2016 《優質鋼制對焊管件規范》 對原材料的規定與美國標準MSS SP-75相同。 另外， 國內行業標準SY/T 0510—2017《鋼制對焊管件規范》 也規定了采用進口鋼材或按國外標準生產鋼材時， 除滿足國外相應標準要求外， 還需滿足國內相關規范的要求。

在管件的材料選擇方面， 我國標準規定較為全面， 與美國標準基本相同。

2.2.2 制造工藝要求

美國標準MSS SP-75 《高強度優質對焊管件》 規定管件應按以下要求進行一種或多種熱處理， 即消除應力熱處理、 正火、 正火加回火、 淬火加回火。

我國GB/T 29168.2—2012 《石油天然氣工業管道輸送系統用感應加熱彎管、 管件和法蘭 第2 部分： 管件》 規定， 所有管件在焊接和/或成型后應進行正火、 正火加回火或淬火加回火熱處理。 GB/T 13401—2017 《鋼制對焊管件 技術規范》 規定熱處理按以下要求： ①碳素鋼與合金鋼類別的管件應選擇適用的退火、 正火、 正火加回火或淬火加回火的方式熱處理； ②低溫用鋼類別的管件應選擇適用的正火、 正火加回火或淬火加回火的方式熱處理； ③不銹鋼類別的管件應固溶處理。 其次， 該標準還規定了不需要進行熱處理的情況。

在管件熱處理的方法上， 國內外標準的要求基本一致， 但我國GB/T 13401—2017 按照管件的材料進行分類， 規定更加詳細。

2.2.3 性能要求

美國標準MSS SP-75 《高強度優質對焊管件》規定： 彎曲試驗后， 在焊接金屬或焊縫金屬與基體金屬間任何方向上， 應無明顯開裂， 或裂紋長度不大于3.048 mm （0.12 in）， 此彎曲試驗即為合格； 若未觀察到明顯的缺陷， 則沿試樣邊緣在任何方向上產生的裂紋不大于6.35 mm （0.25 in）時， 應為合格。

API 標準規定： 試驗期間出現在試樣邊緣且長度不大于6.4 mm （0.250 in） 的裂紋不應成為拒收的依據。 除此以外， 試樣不應完全斷裂； 在母材、 HAZ 或熔合線上不應出現任何長度大于3.2 mm （0.125 in） 或深度大于規定壁厚12.5%的裂紋或破裂； 在焊縫金屬不應出現長度大于3.2 mm （0.125 in） 且不考慮深度大小的裂紋或破裂。

我國GB/T 29168.2—2012 對焊縫導向彎曲試驗的驗收標準為： ①試樣應未完全斷裂； ②焊縫金屬的裂紋長度不超過3 mm； ③位于管體、熱影響區或熔合線的裂紋長度不超過3 mm， 深度在匹配管的壁厚公差范圍之內。 出現在試樣邊緣， 長度小于6 mm 的裂紋不應成為拒收原因，深度無規定。

無論是試樣的裂紋長度， 還是試樣邊緣的裂紋長度， 我國國家標準GB/T 29168.2—2012 的要求均高于美國標準MSS SP-75 和API 標準。

2.2.4 工藝質量和缺陷處理要求

表面質量方面， GB/T 13401—2017、 MSS SP-75、 SY/T 0609—2016 和中石油標準均要求管件表面應光滑、 無裂紋等。

缺陷處理方面， GB/T 13401—2017、 MSS SP-75 和SY/T 0609—2016 均要求對管件表面缺陷進行處理， 可采用機加工和磨削方法。 GB/T 13401—2017 認為缺陷深度不應大于壁厚的5%且不大于0.8 mm， 超過這一限值的缺陷應進行打磨， 而MSS SP-75 標準規定深度大于公稱壁厚6.5%的缺陷需要進行處理， 因此國內標準更嚴格。

中石油標準規定管體上的任何缺陷不允許采用焊接方式修補， 而MSS SP-75 標準允許采用焊接的方法對一定缺陷深度范圍內的有害缺陷進行修復。 由此可見， 國內中石油標準更加嚴格，與GB/T 13401—2017 標準相比， 中石油標準對缺陷處理的要求更加細致。

3 鋼制長輸管道全自動焊接工藝與焊縫質量檢測

3.1 全自動焊接工藝

在焊縫方面， GB/T 31032—2014 《鋼制管道焊接及驗收》 和EN288 《金屬材料的焊接工藝規程和認證》 使用范圍更廣泛， 中石油標準對自動焊針對性較強。 中石油標準、 EN288 和俄羅斯標準《西伯利亞力量焊接及無損檢測技術要求， 包括穿越地震斷裂帶》 要求試樣的外觀檢查和無損檢驗合格， 俄羅斯標準要求焊接工藝評定焊口的外觀和無損檢測合格， 國內標準對此無明確規定， 但通常在焊接工藝評定時也會進行外觀檢查和無損檢測。 GB/T 31032—2014 標準對外觀檢查不做要求。

在拉伸試驗方面， 中石油標準和俄羅斯標準《西伯利亞力量焊接及無損檢測技術要求， 包括穿越地震斷裂帶》 在拉伸試驗數量上要求一致，但在取樣部位和試驗要求上略有不同。 俄羅斯標準中分別規定了線路工程和穿越地震帶區段的試驗要求， 中石油標準僅涉及線路工程。 GB/T 31032—2014 和API 1104 標準對管徑進行了詳細的劃分。

在彎曲試驗方面， 中石油標準和俄羅斯標準《西伯利亞力量焊接及無損檢測技術要求， 包括穿越地震斷裂帶》 要求的彎曲試驗數量是相同的。 相對于GB/T 31032—2014 和EN288 標準，中石油標準應用的管徑范圍更廣泛。

3.2 焊縫質量檢測

3.2.1 焊縫超聲檢驗驗收標準差異

在焊縫超聲檢驗驗收標準方面， CSA Z245.1-14 要求的判斷標準基于信號極限， 并分類為電阻焊焊縫與埋弧焊焊縫。 電阻焊焊縫在缺陷產生后， 若剩余壁厚在規定范圍內， 則采取打磨除掉該缺陷， 并采用超聲波法檢驗；埋弧焊焊縫在缺陷產生后直接判廢。 而GB/T 9711—2017 對所有焊縫類型對應的刻槽類型均做出詳細規定， 利用反射體產生的回波信號作為判斷標準， 超出要求的直接拒絕， 沒有打磨缺陷再檢測的環節。 根據中俄東線實際工況， 中石油標準在GB/T 9711—2017 的基礎上做出修改， 重點是埋弧焊管與補焊焊縫。 GB/T 31032—2014 針對大直徑管材的不同缺欠類型及焊縫長度做出了詳細規定， 適用于中俄東線管道超聲檢驗驗收標準。

3.2.2 電磁檢驗驗收標準差異

CSA Z245.1-14 的判斷標準基于信號極限，若剩余壁厚在規定范圍內， 則采取打磨除掉該缺陷， 并采用超聲波法檢驗。 而GB/T 9711—2017對所有焊縫對應的刻槽類型均做出詳細規定， 利用反射體產生的回波信號作為判斷標準， 拒收門限不應超過適用的驗收極限， 超出要求的直接拒收。 針對中俄東線工況， 應在GB/T 9711—2017的基礎上做出修改， 重點是針對埋弧焊管焊縫與補焊焊縫。

3.2.3 磁粉檢驗驗收標準差異

GB/T 1032—2014 對磁粉檢驗的缺陷驗收標準基于直觀裂紋的形式， 對缺陷的數值控制較為直觀； 而GB/T 9711—2017 則以霍爾高斯計測得的數值為標準， 對技術要求較高。 中石油標準的驗收要求最為嚴苛， 不允許出現任何裂紋型缺陷。 針對中俄東線管道的運行環境， 可采用中石油標準規定的磁粉檢驗驗收標準， 或采用GB/T 31032—2014 的驗收標準。

4 結論與建議

（1） 在X80 鋼管的制作與檢驗方面， GB/T 9711—2017 與中石油標準相比， 雖兼顧了管線鋼的技術要求和生產可行性， 但是對于技術指標的要求屬于通用要求， 在力學性能試驗及檢測檢驗有關規定上不包含針對高鋼級、 1 422 mm 大直徑、 高壓低溫環境長輸管道的相關條款。 而中石油標準在原料、 工藝質量、 力學性能指標等要求上進行了明確規定， 要求更嚴格， 相比國標具有一定的先進性。

（2） 在大直徑鋼管配套用管件設計、 測試與檢驗方面， 國內外標準雖然對快開盲板的適用范圍、 物理性能和密封圈的規定各有相應的要求，但這些標準都對高鋼級、 1 422 mm 大直徑、 高壓低溫環境用快開盲板具有針對性。 關于三通制造與檢驗， 我國標準與美國標準在焊縫導向彎曲試驗、 熱處理方面存在差異， 但總體而言GB/T 29168.2 和GB/T 13401 的技術要求均高于美國標準， 這反映出我國標準和技術在以上方面具有一定的先進性。 在管件原材料的選擇方面， GB/T 29168.2、 SY/T 0609—2016 和SY/T 0510—2017與美國標準MSS SP-75 一致。

（3） GB/T 31032—2014 對鋼材與焊縫的規定及全自動焊接技術進行宏觀把控， 具有一定的普適性， 適用于國內的管道敷設， 但是無法做到與每個實際工況相貼合， 閾值大， 針對性較差；在全自動化焊接技術的要求中， 中石油技術規范要求的自動化水平較高， 更符合我國高鋼級、 大直徑焊管實現自動化焊接的目標； 國內外標準對于全自動焊縫工藝、 焊縫質量檢測中的工藝評定、 質量檢測等方面差異性較小。

（4） 通過國內外標準對比分析發現， 國外標準有值得借鑒的地方， 同時， 我國標準的技術水平也在不斷提高。 建議充分吸收國內外先進做法， 提升現有國標、 行業標準水平。