高強(qiáng)度油氣輸送管道三通驗(yàn)證試驗(yàn)研究

劉迎來，吳 宏，井懿平，郭志梅

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京100101）

0 前 言

X70和X80高強(qiáng)度管線鋼在西氣東輸、川氣東送和西氣東輸二線等多條管道工程的大量推廣和應(yīng)用，加速了管道系統(tǒng)內(nèi)站場(chǎng)、閥室配套用DN1 000和DN1 200等大直徑系列三通管件產(chǎn)品的研究開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程，特別是三通的選材和熱擠壓制造技術(shù)潛能的充分發(fā)揮，使得適用于10～12 MPa的Te485和Te555強(qiáng)度級(jí)別的壁厚44～52mm三通產(chǎn)品被相繼成功開發(fā)出來，使困擾西氣東輸一線、二線等國家重點(diǎn)長輸管道工程建設(shè)的瓶頸問題被成功化解，確保了工程建設(shè)的急需，也使得國內(nèi)大直徑三通制造技術(shù)走在了國際管件制造行業(yè)前列。目前，我國已進(jìn)入又一個(gè)長輸管道建設(shè)的新高峰階段，西氣東輸三線已開始建設(shè)，四線的規(guī)劃設(shè)計(jì)已初步完成，六線的初步規(guī)劃已開始醞釀，更大直徑、超高壓輸送問題陸續(xù)擺在管道工程建設(shè)人員的面前，大直徑更高輸送壓力管道用三通的開發(fā)問題再次成為工程的熱點(diǎn)問題。

高強(qiáng)度三通的制造實(shí)際上是對(duì)金屬材料進(jìn)行熱塑性加工的過程，通常需將原材料加熱到Ac3點(diǎn)以上，進(jìn)行成型加工，并最終通過淬火加回火的熱處理過程獲得與干線鋼管相匹配的強(qiáng)韌性[1-3]。另外，為了滿足輸氣管道密封性的要求，用于油氣管道工程用的三通管件需通過焊接的方式與管道相連接，因此，管道工程用三通材料必須具有良好的野外施焊性能。對(duì)于高強(qiáng)度三通產(chǎn)品，材料淬透性和焊接性控制是一對(duì)十分難解決的矛盾。從熱處理角度講，高強(qiáng)度要求鋼中必須有足夠的強(qiáng)淬透性合金元素；從滿足野外焊接需要來講，材料的碳當(dāng)量又必須進(jìn)行限定，其合金元素的含量不能太高。鑒于此，三通設(shè)計(jì)方法的選擇對(duì)于如何科學(xué)、合理的解決這一矛盾十分關(guān)鍵。

據(jù)文獻(xiàn)知，國內(nèi)外管件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三通設(shè)計(jì)方法有兩種，可供設(shè)計(jì)人員自由選用，即公式計(jì)算方法和試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法。采用公式計(jì)算法設(shè)計(jì)的結(jié)果十分保守［4-5］，如在X80鋼級(jí)φ1 219mm輸氣管道的四類地區(qū)，DN1 000mm×1 000mm×1 000mm Te485 10 MPa三通的計(jì)算最小壁厚為62mm，DN1 200mm×1 200mm×1 200mm Te555三通計(jì)算壁厚78mm，顯然，在當(dāng)前工藝技術(shù)條件下，幾乎不具備生產(chǎn)的可能性。驗(yàn)證試驗(yàn)方法，即要求連接到管道系統(tǒng)的三通，其承壓能力不小于與所連接鋼管的承壓能力［6-7］，但由于多種原因，國內(nèi)目前所擁有的高強(qiáng)度大直徑三通設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分匱乏，不足以支持三通設(shè)計(jì)人員利用其進(jìn)行三通設(shè)計(jì)。這也是當(dāng)前設(shè)計(jì)人員都了解公式計(jì)算設(shè)計(jì)方法與三通實(shí)際承載偏差很大，設(shè)計(jì)結(jié)果十分保守的緣由所在。因?yàn)橐环矫嫒峒庸ぜ夹g(shù)難度很大，而另一方面，設(shè)計(jì)人員又不能采用試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行三通設(shè)計(jì)。據(jù)近幾年來管道工程用φ1 219mm 12 MPa X80系列鋼管水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，其實(shí)物極限承壓能力基本分布在18～30 MPa范圍內(nèi)，不大于設(shè)計(jì)工作壓力的2.5倍?；诖耍M(jìn)行高強(qiáng)度三通設(shè)計(jì)技術(shù)研究，獲取足量的三通設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供三通設(shè)計(jì)技術(shù)支撐依據(jù)，對(duì)于擺脫當(dāng)前三通設(shè)計(jì)和生產(chǎn)困境問題具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)方法

基于φ1 219mm 12 MPa X80管道工程用鋼管規(guī)格尺寸，結(jié)合熱擠壓三通成型工藝特點(diǎn)，選用厚度為300mm的同爐坯件，利用TMCP工藝軋制成表1所要求的5種壁厚規(guī)格的鋼板[8]。并依照表1要求選用不同壁厚的鋼板與預(yù)定規(guī)格的三通進(jìn)行組對(duì)，每張鋼板下2件三通的毛坯料，采用熱拔制工藝將其分別加工成DN1 200mm×1 200mm×700mm， DN1 200mm×1 200mm×800mm， DN 1 200mm×1 200mm×900mm，DN1 200mm×1 200mm×1 000mm 規(guī)格系列的三通各2件，DN1 200mm×1 200mm×1 200mm的三通共6件。

最后對(duì)三通件在 AC3＋（10～20）℃進(jìn)行淬火，在600℃進(jìn)行回火熱處理。再從同規(guī)格2件三通中隨機(jī)抽取1件進(jìn)行實(shí)物力學(xué)性能評(píng)價(jià)，另外1件用于進(jìn)行三通設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用原材料及對(duì)應(yīng)三通樣件

為了確保用于進(jìn)行力學(xué)性能綜合評(píng)價(jià)三通樣件和驗(yàn)證試驗(yàn)三通樣件的可靠性，同規(guī)格2件三通除原材料取之于同一鋼板外，相同規(guī)格三通的熱成型、淬火及回火熱處理的每個(gè)熱加工過程，均分別按照1爐同時(shí)加工2件的方式進(jìn)行。

1.2 三通拉伸性能試驗(yàn)

在抽取的13件三通上，分別從各個(gè)三通的支管、肩部、主管本體及焊接接頭處，以三通壁厚中心部位為試樣中心線，取直徑為12.7mm的圓棒狀母材橫向拉伸試樣，按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)，在UH-F500KNI拉升試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果其抗拉強(qiáng)度分布在635～705 MPa之間，屈服強(qiáng)度分布在555～640 MPa之間，其強(qiáng)度分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，顯然三通的強(qiáng)度指標(biāo)均可滿足Te555三通的要求［2］。

圖1 三通母材抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)值分布頻率

1.3 三通驗(yàn)證試驗(yàn)

1.3.1 三通爆破結(jié)構(gòu)件選取及結(jié)構(gòu)件組裝

圖2 三通爆破結(jié)構(gòu)件示意圖及實(shí)物形貌

為了確保驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)得三通的極限承載能力即爆破壓力，試驗(yàn)要求其試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件的爆破點(diǎn)必須在三通上。因此，在進(jìn)行爆破結(jié)構(gòu)件焊接組裝時(shí)，規(guī)定每個(gè)爆破結(jié)構(gòu)組件中直管短節(jié)L1、L2、L3的材料強(qiáng)度級(jí)別與三通相同，也為X80鋼；短節(jié)的長度應(yīng)大于等于其公稱直徑，且不小于1 m；壁厚大于或至少等于三通主管壁厚；管帽（封頭）強(qiáng)度級(jí)別X80，且與相連接管等厚。將各個(gè)組件焊接成一個(gè)密閉的三通爆破結(jié)構(gòu)件,如圖2所示。

1.3.2 三通極限承壓能力測(cè)試

將爆破結(jié)構(gòu)件水平放置到爆破試驗(yàn)坑內(nèi)，在直管段L1和L3上分別開一個(gè)直徑6mm的豎通孔，其中一個(gè)安裝注水接頭，一個(gè)安裝排氣接頭。在HYDROSEYS鋼管實(shí)物水壓試驗(yàn)系統(tǒng)上，聯(lián)接好水壓試驗(yàn)管路，在常溫下，向結(jié)構(gòu)件內(nèi)連續(xù)注水，排干凈結(jié)構(gòu)件內(nèi)空氣后，檢查結(jié)構(gòu)件密封性完好后，持續(xù)注水升壓，當(dāng)水壓指示達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服壓力計(jì)算值時(shí)，保壓20 min左右，再重新持續(xù)注水升壓，直至三通爆破失穩(wěn)，記錄其爆破時(shí)的壓力，即為三通的極限承壓能力。

依照上述要求，先后完成了13件Te555強(qiáng)度級(jí)三通的極限承壓能力測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果見表2。其中在36mm厚DN1 200mm×1 200mm×700mm 和DN1 200mm×1 200mm×800mm三通試驗(yàn)中，因爆破結(jié)構(gòu)件環(huán)焊縫發(fā)生早期失穩(wěn)泄漏而使得試驗(yàn)失敗，未能測(cè)得這2件三通的真實(shí)極限承載壓力。

表2 Te555強(qiáng)度級(jí)三通極限承壓能力測(cè)量結(jié)果

從三通爆破驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可以得出三個(gè)結(jié)論：

首先，在本試驗(yàn)條件下，三通的極限承載能力隨主管壁厚的增加呈增加的趨勢(shì)。當(dāng)選用三通毛坯鋼板壁厚位于30～46mm區(qū)間時(shí)，壁厚對(duì)承壓能力的貢獻(xiàn)非常顯著，三通極限承載壓力值隨壁厚的增加而快速遞增；當(dāng)選用鋼板壁厚接近50mm時(shí)，其壁厚增量對(duì)三通極限承載壓力的貢獻(xiàn)趨于減小；其次，當(dāng)制造三通的鋼板壁厚大于等于36mm時(shí)，規(guī)格為DN1 200mm×1 200mm×700～1 000mm三通管道的爆破試驗(yàn)壓力不會(huì)小于33 MPa；當(dāng)制造三通的鋼板壁厚大于等于44mm時(shí)， DN1 200mm×1 200mm×700～1 000mm 三通的爆破試驗(yàn)壓力不小于40 MPa； 第三，正常爆破試驗(yàn)三通的實(shí)測(cè)壓力均高于已知的φ1 219mm 12 MPa X80系列鋼管水壓爆破試驗(yàn)極限承載能力，在壁厚大于40mm時(shí)，其極限承壓能力不小于管道設(shè)計(jì)工作壓力的3.5倍。Te555強(qiáng)度級(jí)三通極限承壓能力與三通制造所選用鋼板壁厚的關(guān)系如圖3所示。

圖3 Te555強(qiáng)度三通極限承壓能力與三通制造所選用鋼板壁厚的關(guān)系

三通的極限承壓能力主要與三通自身結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度有關(guān)，在三通結(jié)構(gòu)尺寸一定的條件下，其極限承壓能力與材料強(qiáng)度成正比[6-7]。組織決定材料的性能[9-10]，三通生產(chǎn)選用材料為超低碳微合金鋼，正常情況下，三通的組織主要為粒狀貝氏體＋多邊鐵素體＋少量MA組元的回火態(tài)組織，但隨著板厚的增加，由于原材料的淬透性有限，在現(xiàn)有熱加工條件下，淬火后三通基體內(nèi)粒狀貝氏體和MA組元大大減少，多邊形鐵素體不僅數(shù)量增加，壁厚心部晶粒顯著粗化，使得其強(qiáng)韌性惡化，導(dǎo)致三通承壓能力不升反而下降。

1.3.3 三通爆破斷口分析

三通爆破口大體可分為三類，第一類，起裂點(diǎn)位于三通主管外壁表層，呈放射狀，由外向內(nèi)擴(kuò)展，斷口有明顯的分層現(xiàn)象。裂紋平行于三通主管軸向，其斷口特征與鋼管水壓試驗(yàn)斷口基本相同。這類三通在－30℃條件下母材的夏比沖擊能量較高，實(shí)測(cè)值均在200 J以上。這類端口的三通大多壁厚相對(duì)較薄，在壁厚40mm及以下尺寸的三通爆破件上較為多見；第二類，起裂點(diǎn)多位于三通主管與支管過渡的危險(xiǎn)截面處的外表面，此類斷口的放射狀花紋非常粗糙，在掃描電鏡下呈解理形貌。50mm和52mm壁厚的三通斷口全為脆性；第三類，屬于異常早期失穩(wěn)，起裂點(diǎn)均位于環(huán)焊內(nèi)焊道未焊透缺陷處，其附近表面局部有明顯的塑性變形現(xiàn)象，斷口也較為粗糙，如圖4～圖6所示。

圖4 44mm厚DN1 200mm×1 200mm×900mm三通爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖5 52mm厚 DN1 200mm×1 200mm×1 200mm三通爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖6 36mm厚DN1 200mm×1 200mm×700mm三通爆破試驗(yàn)結(jié)果

從宏觀形貌上看，三通爆破前其本體有較為明顯的局部塑性形變現(xiàn)象存在，但由于所選擇的試驗(yàn)三通的壁厚均較大，一方面使得三通結(jié)構(gòu)件對(duì)原材料冶金偏析及缺陷敏感性增強(qiáng)；另一方面，盡管其母材低溫韌性檢測(cè)值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于隨著壁厚增加，尺寸效應(yīng)更為突顯，使三通的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)由平面應(yīng)力向平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變，脆性傾向大增，易發(fā)生脆性開裂［11］，這是我們看到三通斷口大部分為脆性解理狀的原因所在。

2 結(jié) 論

（1）大厚壁三通在高的應(yīng)力下，其失穩(wěn)后爆破斷口均為脆性斷口。

（2）對(duì)于設(shè)計(jì)工作壓力為12 MPa的Te555 DN1 200系列三通，按照以下要求選擇三通毛坯板厚度，可確保其極限承載能力不小于40 MPa，即 DN1 200mm×1 200mm×900mm及以下尺寸的三通可選用40mm厚的鋼板； DN1 200mm×1 200mm×1 000mm尺寸的Te555三通選可用44mm厚的鋼板；生產(chǎn)DN1 200mm×1 200mm×1 200mm尺寸的三通可選用52mm厚的鋼板。

（3）采用本驗(yàn)證試驗(yàn)方案生產(chǎn)的TE555三通，其極限承載能力不小于管道設(shè)計(jì)工作壓力的3.5倍，具有很高的風(fēng)險(xiǎn)控制裕量。

3 應(yīng)用情況反饋

基于上述研究成果，起草Q/SY GJX 119—2012“西三線DN1200三通補(bǔ)充技術(shù)條件”，補(bǔ)充完善了Q/SY GJX 106—2010《油氣輸送管道用DN400mm及以上管件通用技術(shù)條件》，且標(biāo)準(zhǔn)直接在西氣東輸三線管道工程等項(xiàng)目得到應(yīng)用。

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