白 芳，鐘桂香＊，刁鳳東

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

2中國(guó)石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

根據(jù)我國(guó)中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃，2025 年我國(guó)計(jì)劃建設(shè)的長(zhǎng)輸管線總長(zhǎng)將達(dá)到24 萬(wàn)公里，其中天然氣、原油、成品油管道里程數(shù)分別達(dá)到16.3 萬(wàn)公里、3.7 萬(wàn)公里、4 萬(wàn)公里。截至2019 年底，我國(guó)已建油氣管道總長(zhǎng)超過(guò)14 萬(wàn)公里，其中天然氣管道約8 萬(wàn)公里，管道約3.5 萬(wàn)公里，成品油管道約3.0 萬(wàn)公里。隨著油氣管道輸量和運(yùn)距的不斷增加，管道建設(shè)越來(lái)越多地使用了大口徑(如1219 mm、1422 mm)、高鋼級(jí)(如X70、X80)的管線鋼管，即油氣管道向高鋼級(jí)、高壓力、大口徑的趨勢(shì)發(fā)展。焊接作為管道施工中的重要環(huán)節(jié)，在管道工程的施工和安全運(yùn)行中扮演著重要角色[1] [2]。

目前，高鋼級(jí)大口徑管道工程的焊接施工方式以自動(dòng)焊為主，該焊接方式應(yīng)用的主要目標(biāo)是提高焊接質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，作為焊接施工的重要原材，鋼管的力學(xué)性能與幾何尺寸等是影響焊接施工質(zhì)量的重要因素。本文從4 個(gè)方面闡述了為了保障自動(dòng)焊環(huán)焊縫質(zhì)量，在鋼管技術(shù)條件方面建議采取的設(shè)計(jì)提升措施。

2. 提升方向

2.1. 關(guān)于鋼管化學(xué)成分

2.1.1. 關(guān)于鋼管合金元素含量限定

對(duì)于管線鋼這種熱軋鋼，為了獲得高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)是在C-Mn-Nb微合金的基礎(chǔ)上，添加適當(dāng)?shù)腃r、Ni、Mo 等合金元素。而這些合金元素的含量對(duì)鋼管強(qiáng)韌性能的優(yōu)化也起著至關(guān)重要的作用[3] [4]。目前不同國(guó)家關(guān)于鋼管的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，如GB/T 9711《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》和API S pecification 5 L，對(duì)鋼管部分合金元素含量波動(dòng)范圍較寬泛，而這些元素往往對(duì)焊接質(zhì)量，特別是環(huán)焊縫的斷裂韌性影響較大[5]。以Ni、Mo 和Cr 元素為例，如圖1 所示，雖然都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但不同鋼廠同種合金元素含量波動(dòng)較大，影響鋼管化學(xué)成分的穩(wěn)定性，進(jìn)一步影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

Figure 1. Statistics of alloy element content of different manufacturers圖1. 不同廠家合金元素含量統(tǒng)計(jì)

對(duì)Ni、Mo 和Cr 三種合金元素與C、Si 這些元素的離散程度進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示?？梢钥闯龊辖鹪豊i、Mo 和Cr 含量的離散性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C 和Si。

跟各個(gè)國(guó)家的國(guó)標(biāo)相比，各個(gè)國(guó)家的企業(yè)和工程標(biāo)準(zhǔn)要相對(duì)較嚴(yán)格。以Ni、Cr 和Mo 為例，由表1～3可以看出，這些標(biāo)準(zhǔn)的要求均要嚴(yán)于其國(guó)標(biāo)，同時(shí)有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中還以鋼管壁厚作為劃分依據(jù)，不同壁厚，同種合金元素含量要求不同，是不同規(guī)格鋼管的生產(chǎn)和性能的綜合體現(xiàn)[6] [7]。這也是在工程鋼管設(shè)計(jì)上值得借鑒和學(xué)習(xí)的。

Table 1. Statistics on the requirements of X65 steel alloy elements in different enterprise or engineering standards表1. 不同企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)X65 鋼級(jí)合金元素要求統(tǒng)計(jì)

Table 2. Statistics on the requirements of X70 steel alloy elements in different enterprise or engineering standards表2. 不同企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)X70 鋼級(jí)合金元素要求統(tǒng)計(jì)

Table 3. Statistics on the requirements of X80 steel alloy elements in different enterprise or engineering standards表3. 不同企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)X80 鋼級(jí)合金元素要求統(tǒng)計(jì)

因此，針對(duì)不同企業(yè)和不同工程的具體情況，為了優(yōu)化鋼管的化學(xué)成分，收窄合金元素含量的波動(dòng)范圍，提高現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)焊縫的力學(xué)性能穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)文件中對(duì)于這些合金元素含量的波動(dòng)范圍應(yīng)進(jìn)行限定。經(jīng)過(guò)限定后，如圖3 所示，可以看出Ni、Mo 和Cr 這些合金元素的波動(dòng)范圍有所縮窄。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，如表4，Ni、Mo 和Cr 元素含量波動(dòng)范圍分別縮窄了0.022%、0.065%和0.033%，元素含量縮窄率分別約為15.6%、41.9%和18.9%。

Figure 3. Statistics of the content of alloying elements of different manufacturers after being restricted圖3. 不同廠家合金元素含量經(jīng)限制后的統(tǒng)計(jì)情況

Table 4. Statistics on the narrowing of alloying element content range表4. 合金元素含量范圍縮窄情況統(tǒng)計(jì)

2.1.2. 關(guān)于感應(yīng)加熱彎管碳含量及Pcm的限定

用感應(yīng)加熱方式生產(chǎn)的彎管，其管材的金相組織、強(qiáng)度、沖擊韌性及可焊性等均會(huì)因鋼管的二次加熱發(fā)生變化，感應(yīng)加熱彎管母管的化學(xué)成分、質(zhì)量性能對(duì)熱彎工藝及最終彎管的性能有著重要影響[8] [9]。一般來(lái)說(shuō)，感應(yīng)加熱彎管與線路用鋼管在化學(xué)成分上的差異主要體現(xiàn)在碳含量上，其余合金元素的差異主要體現(xiàn)在碳當(dāng)量上，而這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)鋼管的焊接性影響顯著。通過(guò)對(duì)收集的X65、X70 和X80 感應(yīng)加熱彎管的碳含量和碳當(dāng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以得出(如表5 所示)，目前企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于感應(yīng)加熱彎管的碳含量和碳當(dāng)量規(guī)定范圍較寬。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合各鋼廠的生產(chǎn)情況，從設(shè)計(jì)上可以繼續(xù)加嚴(yán)這兩項(xiàng)指標(biāo)，以更好的控制感應(yīng)加熱彎管的現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量。

Table 5. Statistics of carbon content and carbon equivalent of induction heating bend表5. 感應(yīng)加熱彎管碳含量和碳當(dāng)量情況統(tǒng)計(jì)

2.2. 關(guān)于鋼管強(qiáng)度

2.2.1. 鋼管屈服強(qiáng)度區(qū)間的限定

為了更好了使焊材和母材進(jìn)行強(qiáng)度匹配，對(duì)鋼管母材的拉伸強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間進(jìn)行限定是目前設(shè)計(jì)中對(duì)鋼管技術(shù)條件要求的重要一項(xiàng)內(nèi)容。關(guān)于鋼管拉伸的強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間，一般各個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的要求較為寬松，但是其企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼管拉伸強(qiáng)度區(qū)間，特別是對(duì)屈服強(qiáng)度區(qū)間的限定較為嚴(yán)格。圖4 統(tǒng)計(jì)的是相關(guān)的企業(yè)和工程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)X65、X70 和X80 等級(jí)鋼管拉伸強(qiáng)度區(qū)間的限定。由此可以看出，法國(guó)燃?xì)夂蜌づ七@些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼管的屈服強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間限定較嚴(yán)格，不同鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度區(qū)間均統(tǒng)一為120 MPa。

因此，在鋼管設(shè)計(jì)文件中，通過(guò)參照其它企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)，也對(duì)不同等級(jí)鋼管的屈服強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行縮窄，保證鋼管母管與焊材的高強(qiáng)匹配，保證自動(dòng)焊接質(zhì)量。通過(guò)對(duì)制管廠家X65、X70 和X80 三種鋼級(jí)拉伸屈服強(qiáng)度區(qū)間的統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)來(lái)自五家制管企業(yè)共36,895 組數(shù)據(jù)，如圖5 所示?？梢钥闯?，如果均以屈服強(qiáng)度區(qū)間為120 MPa 進(jìn)行限定，X65 鋼級(jí)的合格率為98.4%、X70 鋼級(jí)的合格率為98.6%、X80鋼級(jí)的合格率為99.5%，這三種強(qiáng)度等級(jí)的鋼管合格率較高。因此，在鋼管設(shè)計(jì)中可以統(tǒng)一屈服強(qiáng)度區(qū)間，限定屈服強(qiáng)度上限，從而使鋼母材與焊材更好地進(jìn)行強(qiáng)度匹配，提高自動(dòng)焊接質(zhì)量。

Figure 4. Comparison of the tensile strength interval of pipes with different strength grades in the standard圖4. 標(biāo)準(zhǔn)中不同強(qiáng)度等級(jí)鋼管的拉伸強(qiáng)度區(qū)間對(duì)比

Figure 5. Interval statistics of actual yield strength of pipes with different strength grades圖5. 不同強(qiáng)度等級(jí)鋼管的實(shí)際屈服強(qiáng)度區(qū)間統(tǒng)計(jì)

2.2.2. 鋼管縱向拉伸強(qiáng)度的要求

從環(huán)焊縫強(qiáng)度匹配角度，與焊材強(qiáng)度匹配的其實(shí)是鋼管縱向拉伸強(qiáng)度，因此為了環(huán)焊縫能達(dá)到其強(qiáng)度匹配要求，應(yīng)對(duì)鋼管縱向拉伸強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。在國(guó)內(nèi)外的一些企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)中，俄羅斯博-烏天然氣管道工程標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯西伯利亞力量管道工程標(biāo)準(zhǔn)增加了縱向強(qiáng)度要求，且允許低于其橫向拉伸強(qiáng)度。目前在建的中俄東線天然氣管道工程(永清-上海)的鋼管技術(shù)條件中也提出直縫埋弧焊管縱向指標(biāo)的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的最低值可以降低為橫向指標(biāo)最低值的95%。

2.3. 關(guān)于鋼管管端幾何尺寸及其加工

首先，由于自動(dòng)焊接工藝對(duì)鋼管幾何尺寸要求較高，特別是對(duì)鋼管管端的不圓度和周長(zhǎng)差等控制嚴(yán)格。因此從設(shè)計(jì)角度，根據(jù)焊接工藝評(píng)定情況嚴(yán)格控制鋼管管端尺寸，保證現(xiàn)場(chǎng)焊接組對(duì)精度，提高焊接質(zhì)量。

其次，從管端加工角度，為了避免大口徑天然氣管道不等壁厚連接而產(chǎn)生的焊接、無(wú)損檢測(cè)和應(yīng)力集中問(wèn)題，通過(guò)對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)、工程案例等研究，基于我國(guó)對(duì)這些變壁厚焊接接頭所采用的焊接工藝、無(wú)損檢測(cè)方法和擬期望降低的焊接應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)于直管-直管、直管-感應(yīng)加熱彎管的不等壁厚連接都進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，即在鋼管厚壁側(cè)進(jìn)行內(nèi)孔錐型坡口的加工，示意圖如圖6 所示。通過(guò)應(yīng)力分析計(jì)算和考慮環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)操作，得出不同類型(直管-直管或直管-彎管)的孔錐型坡口尺寸，即在期望應(yīng)力集中系數(shù)為1.05、1.15 情況下，計(jì)算最小錐孔長(zhǎng)度分別為83～115 mm (直管-直管中的L 值)和25～40 mm(直管-彎管中的L 值) [10]。為了提高坡口的加工精度，感應(yīng)加熱彎管的內(nèi)錐孔型坡口由制造廠家加工完成，鋼管的內(nèi)錐型坡口由鋼管廠加工，也可由施工單位現(xiàn)場(chǎng)加工。從設(shè)計(jì)角度，還會(huì)對(duì)坡口表面粗糙度、坡口加工表面壁厚一致性、坡口表面檢測(cè)及坡口保護(hù)等提出相關(guān)要求，為確保自動(dòng)焊接質(zhì)量提供保障。

Figure 6. Inner taper hole groove in butt-welded joints with unequal wall thickness圖6. 不等壁厚對(duì)焊接接頭頭內(nèi)錐孔型坡口型式

2.4. 關(guān)于鋼管焊接工藝評(píng)定適用性

2.4.1. 焊接環(huán)境

為了減小現(xiàn)場(chǎng)焊接焊口與焊接工藝評(píng)定的差異，首先兩者要從焊接環(huán)境上吻合，因此焊接工藝評(píng)定的焊口要在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)、由工程實(shí)際焊接施工人員完成，使焊接工藝評(píng)定中的焊接環(huán)境要素與施工現(xiàn)場(chǎng)匹配度達(dá)到100%，以提高鋼管焊接工藝對(duì)工程的指導(dǎo)和適應(yīng)性[11] [12] [13]。

2.4.2. 評(píng)定用鋼管

鋼管各因素對(duì)自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定的影響，在目前的設(shè)計(jì)文件中已進(jìn)行明確規(guī)定，即自動(dòng)焊的焊接工藝評(píng)定，其不需重新評(píng)定的壁厚覆蓋范圍為±3.2 mm。若鋼管的壁厚變化超出允許的偏差范圍應(yīng)重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。在施工前，當(dāng)L485 (X70)及以上鋼管的化學(xué)成分發(fā)生變化，應(yīng)進(jìn)行焊接工藝沖擊韌性試驗(yàn)。這里的鋼管化學(xué)成分變化主要體現(xiàn)在碳含量以及碳當(dāng)量Pcm上。在設(shè)計(jì)文件中一般規(guī)定如下：

1) 當(dāng)C ≤ 0.12%時(shí)，Pcm增加≥0.02%，

2) 當(dāng)C ＞ 0.12%時(shí)，CE 增加≥0.03%，CE = C +Mn 6 +(Cu +Ni )15 +(Cr +Mo +V ) 5 ( %)；

3) C 增加≥0.02%。

同時(shí)，結(jié)合目前在建管道工程項(xiàng)目的焊接工藝評(píng)定情況，為從C 含量和Pcm含量角度提高焊接工藝評(píng)定的適應(yīng)性，建議鋼管的出廠質(zhì)量證明文件上對(duì)C 含量和Pcm數(shù)值精確到0.001%。

在以往管道工程中，一般只對(duì)線路的直管-直管對(duì)接環(huán)焊縫進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。而直管-彎管的對(duì)接環(huán)焊縫不單獨(dú)進(jìn)行的焊接工藝評(píng)定。與管線鋼相比，感應(yīng)加熱彎管用鋼管的碳含量和碳當(dāng)量較高，其冶金成分、強(qiáng)化機(jī)制均有很大的不同，使得兩者的焊接性存在較大的差異[14] [15] [16]。本文對(duì)X65、X70和X80 三種等級(jí)的感應(yīng)加熱彎管和線路管的碳含量、碳當(dāng)量Pcm進(jìn)行了對(duì)比。如表6 可以看出，首先，線路用鋼管的碳含量和碳當(dāng)量都要低于彎管。其次，線路用鋼管的碳含量和碳當(dāng)量的標(biāo)準(zhǔn)差均要小于彎管，這說(shuō)明彎管的碳含量和碳當(dāng)量離散度更大，即不同鋼廠對(duì)于彎管母管的碳元素和合金元素添加含量的差異較大。通過(guò)SPSS 軟件的分析，如表6 所示，同種鋼級(jí)的感應(yīng)加熱彎管和線路管的碳含量、碳當(dāng)量Pcm具有顯著性差異，均值雖相差較小，但數(shù)據(jù)分布的離散程度不同。因此，在進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)，直管-直管的焊接工藝評(píng)定覆蓋范圍(如碳含量和碳當(dāng)量的要求)不一定能涵蓋直管-彎管，建議直管-彎管應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，保證該位置環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。

Table 6. Difference between line steel pipe and induction heating bend表6. 線路鋼管與感應(yīng)加熱彎管的差異

2.4.3. 評(píng)定取樣及監(jiān)測(cè)等

在焊接工藝評(píng)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，如GB/T 31032《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》，對(duì)焊接工藝評(píng)定的內(nèi)容規(guī)定的較為寬泛，造成在實(shí)際工程出現(xiàn)許多不確定性，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在工程的焊接工藝評(píng)定設(shè)計(jì)文件要求中，要對(duì)焊評(píng)的試驗(yàn)檢測(cè)取樣過(guò)程、焊評(píng)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等都進(jìn)行了明確規(guī)定。如焊接工藝評(píng)定時(shí)，應(yīng)采用相同的焊接工藝參數(shù)連續(xù)完成至少3 道無(wú)損檢測(cè)合格焊口的焊接，并隨機(jī)抽取其中一道焊口進(jìn)行環(huán)焊縫理化性能檢驗(yàn)。同時(shí)，隨機(jī)抽取另外一道焊口委托具有CMA 或CNAS 資質(zhì)的第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行環(huán)焊縫理化性能檢驗(yàn)。兩道焊口的環(huán)焊縫理化性能檢驗(yàn)必須全部合格，且第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)報(bào)告應(yīng)附在焊接工藝評(píng)定報(bào)告中。這些設(shè)計(jì)提升措施都使最終現(xiàn)場(chǎng)施工的焊接質(zhì)量得到有力保障。

3. 結(jié)論

通過(guò)在設(shè)計(jì)上對(duì)鋼管提出的相關(guān)要求，使鋼管對(duì)自動(dòng)焊接工藝的適應(yīng)性逐步提高，保證工程焊接質(zhì)量。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1) 合理限定鋼管中對(duì)環(huán)焊縫斷裂韌性影響顯著的合金元素含量波動(dòng)范圍，以穩(wěn)定環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步對(duì)感應(yīng)加熱彎管的碳含量和碳當(dāng)量進(jìn)行限定，提高其焊接可控性。

2) 從設(shè)計(jì)角度，根據(jù)各廠家提供的數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步限定X65、X70 和X80 鋼級(jí)鋼管的屈服強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間，使其與焊材更好地滿足強(qiáng)度匹配要求。同時(shí)，應(yīng)規(guī)定直縫埋弧焊鋼管的縱向拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，使其環(huán)焊縫達(dá)到很好的強(qiáng)度匹配條件。

3) 提高焊接工藝評(píng)定與現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的匹配度。當(dāng)鋼管中對(duì)焊接質(zhì)量影響顯著的碳含量和碳當(dāng)量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證焊縫性能。根據(jù)線路用鋼管與感應(yīng)加熱彎管中碳含量和碳當(dāng)量的差異，建議直管與彎管的連接焊口單獨(dú)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。