趙新偉1,2 池強1,2 張偉衛1,2 李麗鋒1,2 楊鋒平1,2

1.中國石油集團石油管工程技術研究院； 2.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

摘 要： 在西氣東輸二線X80管線鋼管研究開發和建設經驗的基礎上，經過大量試驗研究和計算分析，進一步優化了OD（外徑） 1 422 mm X80管線鋼管化學成分和機械性能試驗方法，提出了OD 1 422 mm X80鋼管的關鍵性能指標，制定了中俄天然氣管道工程用OD 1 422 mm X80鋼管的技術條件。從管道刺穿抗力、失效概率、個體風險等方面，計算并對比分析了OD 1 422 mm X80和OD 1 219 mm X80管道的風險水平，分析結果為選擇中俄東線設計方案提供了決策參考。聯合國內鋼鐵和制管企業，成功開發并試制了OD 1 422 mm X80鋼管產品，產品性能滿足中俄東線天然氣管道用鋼管技術條件。

關鍵詞： OD 1 422 mm X80管線鋼管； 關鍵技術指標； 管道風險水平； 產品試制； 中俄天然氣管道工程

天然氣管道設計和建設中，在不影響管道安全可靠性的前提下，如何最大限度地降低管道建設成本和提高管道輸送效率，一直備受管道建設投資者和管道運營企業的關注。與X70鋼管相比，西氣東輸二線采用管徑為1 219 mm、壓力為12 MPa的X80鋼管，節約了10%鋼材，降低了成本，但其經濟輸量范圍為（250～300）×108 m3/a，最經濟輸量為280×108 m3/a，最大輸氣量只能達到330×108m3/a，不能滿足中俄東線天然氣管道、西氣東輸四線及五線等超大輸量（超過400×108 m3/a）管道的建設需求。通過技術經濟綜合分析，可主要采取三種技術方案提高管輸效率和降低管道建設成本：一是管道設計系數和規格不變，采用X90/X100超高強度鋼管；二是設計系數和鋼級不變，管徑增至1 422 mm；三是管道規格和鋼級不變，設計系數由0.72提高到0.80。為滿足超大輸量天然氣管道建設需求，從“十二五”開始，中國石油天然氣集團公司設立重大科技專項，組織開展了第三代大輸量天然氣管道工程關鍵技術的研究攻關，上述三種技術方案都取得了重要突破[1-7]。其中，制定了OD（外徑）1 422 mm X80鋼管板材、管材技術條件，成功開發試制了OD 1 422 mm X80鋼管（包括HSAW和LSAW）以及配套的彎管和管件，開展了OD 1 422 mm X80管道安全可靠性和風險評估，為中俄東線天然氣管道工程建設奠定了技術基礎。

1 OD1 422 mm X80管線鋼管關鍵技術指標

在Q/SY 1513.1―2012 《油氣輸送管道用管材通用技術條件 第1部分：埋弧焊管》和西氣東輸二線1 219 mm X80管道建設經驗的基礎上，借鑒API SPEC 5L―2012《管線鋼管規范》的最新成果，結合中俄東線天然氣管道工程的具體特點，對OD 1 422 mm X80管線鋼及鋼管的各項關鍵技術指標進行研究，優化了X80鋼管化學成分和力學性能試樣取樣位置，計算并確定了鋼管韌性指標CVN要求值，制定了中俄東線天然氣管道工程用外徑1 422 mm X80管材技術條件。

1.1 化學成分優化

在西氣東輸二線等重大管道工程建設的推動下， X80管線鋼得到了大量應用，國內各鋼鐵企業根據自身的特點，開發出了多種合金體系的X80管線鋼，其化學成分差異較大，甚至同一企業在不同階段生產的管線鋼化學成分也有很大差異[8]。這種化學成分上的較大差異，會降低焊接工藝和焊材的適用性，增加管道現場焊接難度，加劇焊縫力學性能波動，并可能會給管道服役帶來安全隱患。對于壁厚20 mm以上的X80管線鋼，這一問題尤為突出。為了解決這一難題，在西二線 X80管線鋼應用經驗的基礎上，通過試驗研究，進一步優化X80管線鋼化學成分，縮小化學成分波動范圍，從而穩定X80管線鋼管質量和現場焊接工藝窗口，提高管線本質安全。對OD 1 422 mm X80管線鋼采用低C、 Mn成分設計，并加入適量的Mo、 Ni、 Nb、 V、 Ti、 Cu、Cr等元素。經對西二線等天然氣管道工程用X80鋼管的化學成分及焊接結果進行研究分析發現 ，管線鋼中C、 Mn、 Nb的劇烈波動（圖 1～3），對焊接性能有較大影響。管線鋼中C是增加鋼強度的有效元素，但是它對鋼的韌性、塑性和焊接性有負面影響[9]。降低C含量可以改善管線鋼的韌脆轉變溫度和焊接性，但C含量過低則需要加入更多的其它合金元素來提高管線鋼的強度，使冶煉成本增高[10]。綜合考慮經濟和技術因素， C含量應控制在0.05%～0.07%之間。

圖 1  X80鋼管的C含量分布統計

圖 2  X80鋼管的Mn含量分布統計

圖 3  X80鋼管的Nb含量分布統計

為保證管線鋼中低C含量，避免引起其強度損失，需要在管線鋼中加入適量的合金元素，如Mn、Nb、 Mo等。 Mn的加入引起固溶強化，從而提高管線鋼的強度。 Mn在提高強度的同時，還可以提高鋼的韌性，但有研究表明Mn含量過高會加大控軋鋼板的中心偏析，對管線鋼的焊接性能造成不利影響[11]。因此，根據板厚和強度的不同要求，管線鋼中Mn的加入量一般是1.1%～2.0%。

Nb是管線鋼中不可缺少的微合金元素，能通過晶粒細化、沉淀析出強化作用改善鋼的強韌性。過低的Nb含量，在焊接熱循環過程中不能有效抑制熱影響區奧氏體晶粒長大，導致相變時產生大尺寸的塊狀M/A和粒狀貝氏體產物，使韌性惡化。過高的Nb含量，在焊接熱循環過程中會導致較大尺寸的沉淀析出，并使晶粒均勻性惡化，也會損害熱影響區韌性 [12,13]。研究表明， Nb含量控制在0.030%～0.075%比較合理。 依據研究結果，并組織冶金、材料和焊接領域專家討論協商，對OD 1422mm X80管材C、Mn、Nb、Cr、Mo、Ni的含量進行了約定。確定管線鋼中C、Mn、Nb含量的目標值分別為0.060% 、 1.75% 、 0.06%。直縫鋼管中Ni目標值為0.20%，必須加入適量的Mo，且含量應大于0.08%。螺旋縫鋼管中Cr、Ni、Mo的目標值均為0.20%。考慮到生產控制偏差、檢測誤差及經濟性， 規定OD 1 422 mm X80管材C含量不大于0.070%， Mn含量不大于1.80%。直縫鋼管Nb、Mo、Ni的含量范圍分別為0.04%～ 0.08%、0.08%～0.30%、0.10%～0.30%；螺旋縫鋼管中Nb、Cr、Mo、Ni的含量范圍分別為0.05%～0.08% 、 0.15%～0.30% 、 0.12%～0.27%、0.15%～0.25%。表1給出了確定的OD1 422 mm X80管材化學成分含量的要求。

1.2 力學性能測試試樣的取樣位置

西氣東輸二線工程之前，油氣管道用螺旋縫埋弧焊鋼管的管徑均小于1 219 mm，為了取樣方便，熱軋板卷力學性能測試試樣取樣位置均要求與板卷軋制方向成30°。力學性能測試試樣的取樣角度與板寬和鋼管管徑的關系如公式（1）。

sinα ＝B /πD  （1）

式中,α 為螺旋角，°； B 為板寬， mm； π 為圓周率； D 為鋼管外徑， mm。

按目前主流熱軋板卷產品寬度1 500～1 600 mm計算，管徑1 219 mm、 1 422 mm的螺旋縫埋弧焊管，熱軋板卷的取樣角度分別為23.1°～24.7°、19.6°～21.0°。因此， OD 1 422 mm的螺旋縫埋弧焊管，與板卷軋制方向成20°取樣，更符合實際情況。圖 4和圖 5給出了實際生產的熱軋板卷在20°和30°位置取樣測得的力學性能結果對比。可以看出與軋制方向夾角20°位置的屈服強度、抗拉強度、 DWTT（落錘撕裂試驗）剪切面積高于30°位置，若按與軋制方向成30°位置取樣，容易低估熱軋板卷的力學性能，造成不必要的浪費。因此在中俄東線天然氣管道工程中檢測取樣位置更改為與軋制方向成20°位置。

圖 4 熱軋板卷20°和30°位置的拉伸性能對比

圖 5 熱軋板卷20°和30°位置的DWTT結果對比

1.3 鋼管焊縫及熱影響區啟裂韌性指標

大量的油氣管道失效事故統計分析表明，焊管啟裂一般均發生在鋼管焊縫或熱影響區，因此選擇焊接接頭斷裂韌性作為焊管啟裂韌性指標。在國際上，通常假設鋼管焊縫或熱影響區存在深度為t /4（t 為鋼管壁厚）的表面裂紋缺陷，采用斷裂力學分析方法獲得裂紋不發生擴展的臨界斷裂韌性值，將此臨界斷裂韌性值作為焊管的啟裂韌性指標。

鋼管管徑1 422 mm，設計壁厚21.4 mm，輸送壓力12 MPa，鋼級X80，設計系數取0.72，屈服強度、抗拉強度分別取標準規定的最小值555 MPa、625 MPa。假定裂紋深度 a =5.35 mm，將表面裂紋分為軸向半橢圓外表面裂紋、軸向半橢圓內表面裂紋、軸向外表面長裂紋、軸向內表面長裂紋4種類型，分析不同裂紋長度下焊接接頭斷裂韌性敏感性。由于斷裂韌性測試費用高且周期長，為了便于工程應用，利用API 579-1―2007/ASME FFS-1―2007《Fitness-forservice-second edition》推薦的斷裂韌性指標KC與夏比沖擊功CVN的經驗關系式，將KC指標轉化為CVN指標。

4種類型裂紋中，軸向內表面長裂紋最為苛刻，即在同樣裂紋長度下，對材料斷裂韌性的要求最高。為保守起見，基于軸向內表面長裂紋的敏感性分析結果（圖 6）來確定管徑1 422 mm的X80焊管焊接接頭斷裂韌性指標。最終，根據分析結果，為了確保管道安全，鋼管焊縫和熱影響區啟裂韌性取60 J。上述計算分析是針對一類地區設計系數0.72的鋼管，對二、三、四類地區鋼管焊縫及熱影響區也統一 按上述指標控制。由于二、三、四類地區管道設計系數更低，因此同樣設計壓力下管壁更厚，運行過程中管道產生的環向應力越低，采用同樣的啟裂韌性，管道更不容易發生啟裂，這樣處理更加保守，安全裕度更大。

圖 6 不同裂紋長度下焊縫啟裂韌性預測結果

1.4 鋼管母材止裂韌性指標

為防止天然氣管道開裂后發生延性裂紋的長程擴展，管材必須有足夠的韌性以保證天然氣管道一旦開裂能在一定長度范圍內止裂。隨著鋼級、輸送壓力、管徑及設計系數不斷提高，管道的延性斷裂止裂問題也更加突出，是高鋼級管線鋼管應用的瓶頸技術問題。針對中俄東線天然氣管道工程，采用Battelle雙曲線（BTC）方法，并引入修正系數，計算了一類地區管徑1 422 mm X80管道止裂的韌性需求，提出了鋼管母材的止裂韌性指標。

API SPEC 5L―2012《管線鋼管規范》推薦了4種鋼管延性斷裂止裂韌性的計算方法，包括EPRG準則、 Battelle簡化公式、 BTC方法以及AISI方法。對比4種方法的適用范圍（表 2）可見，對于設計壓力12 MPa、管徑1 422 mm X80的天然氣管道，適宜采用BTC模型并引入修正系數的方法來計算止裂韌性。

將BTC方法應用于中俄東線氣質組分（表 3），計算溫度取0 ℃，計算結果（圖 7）表明，中俄東線氣質組分存在明顯的減壓波平臺，止裂韌性CVN計算值為167.97 J。由于BTC方法止裂韌性計算值超過100 J，因此必須進行修正。其中修正系數的確定來源于X80全尺寸爆破試驗數據庫。目前國際上通用的全尺寸爆破試驗數據庫如圖 8所示[14,15]，由此確定的中俄東線1 422 mm X80管道止裂韌性修正方法為TGRC2，修正系數為1.46。經過1.46倍的線性修正，將止裂韌性指標確定為245 J。需要指出的是，計算并修正后得到的245 J是止裂概率為100%的單根鋼管的韌性要求值。參考美國DOT 49 CFR Part 192的規定，裂紋能在5～8根鋼管止裂，對應的止裂概率達到95%和99%即可。按照這一原則，止裂韌性指標確定為245 J應該是偏于保守和安全的。

圖 7 管道止裂韌性的BTC方法預測結果

圖 8 全尺寸氣體爆破試驗數據庫

在OD 1 422 mm X80管線鋼管關鍵技術指標研究基礎上，制定了中俄東線天然氣管道用OD 1 422 mm X80板材和管材的技術條件，包括Q/SY GD 0503.1－2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第1部分：X80級螺旋埋弧焊管用熱軋板卷技術條件》、 Q/SYGD 0503.2－2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第2部分： X80級螺旋埋弧焊管技術條件》、 Q/SYGD0503.3－2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第3部分： X80級直縫埋弧焊管用熱軋鋼板技術條件》和Q/SY GD 0503.3－2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第4部分： X80級直縫埋弧焊管技術條件》。

2 OD 1 422 mm X80管道風險分析

外徑1 422 mm X80管線鋼管作為第三代管線鋼管首次在中俄天然氣管道工程中應用，有必要對其風險水平做系統的分析和評估。從刺穿抗力、腐蝕和第三方損壞（設備撞擊）失效概率、個體風險等方面分析了OD 1 422 mm X80管道的風險水平，并與已經大量應用的OD 1 219 mm X80管道的風險水平做了對比，分析結果為中俄東線采用OD 1 422 mm X80管線鋼管的設計方案提供了重要決策依據。

2.1 管道刺穿抗力

采用Driver和Playdon提出的管道刺穿抗力的半經驗估算模型[16]，計算了不同管徑、不同設計系數下X80管道的刺穿抗力，結果如圖 9所示。可以看出，在相同操作壓力和設計系數下， OD 1 422 mmX80管道比OD 1 219 mm X80管道的刺穿抗力要大，主要因為管道壁厚的增加。以0.72的設計系數為例，OD 1 422 mm X80與OD 1 219 mm X80管道相比，刺穿抗力提高約16.7%。在操作壓力、外徑相同的條件下，設計系數提高，管道刺穿抗力降低，這是因為，設計系數的提高將降低對管道壁厚的需求。

圖 9 不同管徑和設計系數下的鋼管刺穿抗力

2.2 管道失效概率

計算了外腐蝕和設備撞擊兩種風險因素下的失效概率。其中，外腐蝕失效與時間相關，考慮了低腐蝕（0.02 mm/a）和中等腐蝕（0.09 mm/a）兩種腐蝕速率，但未考慮定期檢測、換管和維修對腐蝕失效概率的影響，結果如圖 10所示。從圖 10可知，兩種腐蝕速率下， OD 1 422 mm X80管道失效概率均低于0.80和0.72設計系數的OD 1 219 mm X80管道，這與壁厚較大相關。

圖 10 管道腐蝕失效概率計算結果

設備撞擊是與時間無關的風險因素，失效概率不隨時間變化，如圖 11所示。在第三方損壞預防措施（地上和地下定位標記、尋呼系統、監視間隔和方法參照類似管線的設置）、第三方活動頻率、挖掘設備參數相同的情況下，第三方設備沖擊引起的管道失效概率與管道壁厚相關。 0.72設計系數OD 1 422 mm X80管道設備撞擊失效概率最低。

圖 11 第三方設備撞擊管道失效概率計算結果

2.3 管道風險

管道風險是失效概率與失效結果的乘積。相比0.80和0.72設計系數下的OD1 219 mm管道，OD 1 422 mm管道刺穿抗力高，失效概率小，但其潛在危害半徑大。從圖 12可見，在距管道中心距離200 m以內， OD 1 422 mm管道與兩種設計系數下的OD 1 219 mm管道個體風險無明顯差別，在200 m以外，個體風險的差別有增大的趨勢，這與危害區域半徑增大相對應，且200 m以外為管道非高后果區，其失效后果低。

圖 12 管道個體風險計算結果

3 OD1 422 mm X80管線鋼管開發和應用情況

結合中國石油天然氣集團公司重大科技專項“第三代高壓大輸量油氣管道建設關鍵技術研究”攻關，從2013年開始，國內寶鋼、首鋼、鞍鋼、太鋼、湘鋼、沙鋼等鋼鐵企業以及寶雞鋼管公司、渤海裝備公司等制管企業聯合開展了21.4 mm/25.7 mm/30.8 mm系列壁厚、外徑1 422 mm的 X80板卷、鋼板及焊管的開發與試制。 15家鋼鐵和制管企業，進行了3輪單爐試制，試制產品2 000余噸。 9家鋼鐵和制管企業開展了小批量試制（千噸級），試制產品14 000余噸（其中壁厚21.4 mm鋼管6 000 t，壁厚25.7 mm鋼管4 000 t，壁厚30.8 mm鋼管4 000 t）。經檢驗評價，試制產品的性能滿足中俄東線天然氣管道工程用OD 1 422 mm的 X80鋼管技術條件要求。試制鋼管的屈服強度為555～668 MPa，抗拉強度為632～745 MPa，母材CVN值為309～486 J，焊縫CVN值為138～259 J，熱影響區CVN值為90～354 J。試制鋼管經過環焊縫焊評試驗，其環焊縫性能滿足標準要求。小批量試制產品性能穩定，已用于中俄東線天然氣管道80 km試驗段工程建設。目前，OD 1 422 mm X80鋼管已進入大批量生產階段，以滿足中俄東線管道工程建設需要。

4 結語

（1）在西氣東輸二線1 219 mm X80管道建設經驗的基礎上，借鑒API SPEC 5L―2012最新成果，經過大量試驗研究和理論計算分析，進一步優化了X80管線鋼的化學成分和力學性能取樣位置，確定了OD 1 422 mm X80鋼管關鍵性能指標，制定了中俄東線用OD 1 422 mm X80板材和焊管技術條件，并應用于OD 1 422 mm X80板材和焊管的產品開發與試制。

（2）從管道刺穿抗力、失效概率和個體風險等方面，計算分析了OD 1 422 mm X80管道風險水平，并與OD 1 219 mm X80管道風險水平進行了比較，結果表明，采用OD 1 422 mm X80設計方案，風險水平并無明顯提高。

（3）通過國內多家鋼鐵企業和制管企業的聯合開發，成功研制了OD 1 422 mm X80鋼管產品，產品性能滿足中俄東線用OD 1 422 mm X80管材技術條件。小批量試制產品性能穩定，滿足中俄東線工程建設批量生產需要。

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基金項目：中國石油天然氣集團公司重大科技專項“第三代高壓大輸量油氣管道建設關鍵技術研究”（2012E-28）。

作者：趙新偉，男， 1969年生，教授級高級工程師，2004年9月畢業于西安交通大學并獲博士學位，石油管工程技術研究院副院長。長期從事油氣輸送管和管道完整性領域的科研和技術服務工作。