應(yīng)用于新疆煤制氣外輸管道工程的X80鋼級(jí)管線鋼試制綜述

王亦雄

(中國石油化工股份有限公司物資裝備部 北京 100728)

0 引 言

新疆煤制氣外輸管道工程(以下簡(jiǎn)稱“新氣管道工程”)，是中國石化投資建設(shè)的最長(zhǎng)管道工程，也是世界范圍內(nèi)首條設(shè)計(jì)使用X80鋼級(jí)管線鋼輸送煤制氣的長(zhǎng)輸管道，輸送介質(zhì)中含有約3%的氫氣。管道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)8 372 km，包括一條干線、六條支干線，干線的起點(diǎn)是新疆木壘首站，終點(diǎn)為廣東省韶關(guān)末站，途徑13省(區(qū))。管線的設(shè)計(jì)壓力12 MPa，設(shè)計(jì)輸量3×1010m3/a，最大管徑為1 219 mm，最大壁厚33.0 mm，其用鋼總量超過4×106t/a，采購金額超過250 億元。

在長(zhǎng)輸管道建設(shè)中，管線鋼采購成本可占到管道工程總投資的40%，管線鋼質(zhì)量對(duì)管道建設(shè)質(zhì)量起著決定性作用，管線鋼供應(yīng)進(jìn)度對(duì)管道施工進(jìn)程影響巨大，因此，中石化物資裝備部組織實(shí)施了新氣管道工程X80鋼級(jí)管線鋼的試制工作。

1 試制方案

1.1 試制的必要性

1.1.1 輸送介質(zhì)的特殊性

新氣管道工程是世界范圍內(nèi)首條設(shè)計(jì)使用X80鋼級(jí)的煤制氣長(zhǎng)輸管道，與西氣東輸、川氣東送等天然氣輸送管道工程相比，其顯著的特點(diǎn)是輸送介質(zhì)中含有約3%的氫氣，氫氣在高壓輸送過程中可能會(huì)以氫原子的形式滲入管線鋼[1]，當(dāng)這種可擴(kuò)散氫滲透進(jìn)鋼材中，將對(duì)鋼管的耐腐蝕性、韌性及裂紋擴(kuò)散速率等方面產(chǎn)生一系列影響。為了了解掌握高壓狀態(tài)下氫對(duì)管材和設(shè)備的影響規(guī)律，中國石化啟動(dòng)了“高壓、大口徑、大厚壁管道材料及設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”專項(xiàng)科研項(xiàng)目，根據(jù)該項(xiàng)目的研究結(jié)果，編制出新氣管道工程用管材的系列標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分、非金屬夾雜物、低溫韌性、無損檢驗(yàn)等等技術(shù)要求明顯高于輸送常規(guī)介質(zhì)的國內(nèi)外管道標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 環(huán)焊焊接工藝的適應(yīng)性逐年降低

管線鋼的高強(qiáng)度可通過多種強(qiáng)化機(jī)制和強(qiáng)化方法來獲取[2]。隨著西氣東輸二線、三線的施工建設(shè)，我國X80鋼級(jí)管線鋼的研發(fā)、制造水平也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，隨著各鋼廠不斷深入研究和探索，鋼材的成分設(shè)計(jì)、軋制工藝之間的差異日益凸顯，不同鋼廠的原料生產(chǎn)的鋼管環(huán)焊對(duì)接時(shí)，焊接工藝的適應(yīng)性呈明顯下降趨勢(shì)，而施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、環(huán)境、設(shè)備的差異又加劇了環(huán)焊焊接工藝管理的難度，顯著增大了環(huán)焊縫質(zhì)量的波動(dòng)范圍，即環(huán)焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性降低。

1.2 試制方案

1.2.1 試制目的

考慮新氣管道工程輸送介質(zhì)的特殊性，以及環(huán)焊焊接工藝的適應(yīng)性逐年降低等問題，為確保管道的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，中國石化決定開展新氣管道工程X80鋼板/卷和鋼管的試制工作。試制的主要目的是：1)驗(yàn)證新氣管材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可行性與合理性。2)優(yōu)化管材、焊材的化學(xué)成分，確定管材、焊材的目標(biāo)成分，提高環(huán)焊焊接工藝的適應(yīng)性。3)考察供應(yīng)商制造工藝的可行性，篩選出具備供貨能力的供應(yīng)商。4)根據(jù)第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)對(duì)各供應(yīng)商試制產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果和供應(yīng)商的技術(shù)能力與產(chǎn)品性能進(jìn)行評(píng)定，為后期招標(biāo)采購提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

管線鋼板和鋼管屬于直接集中采購的物資品種，由中國石化物資裝備部負(fù)責(zé)采購，并編制了試制方案并組織實(shí)施。試制的主要流程包括：1)編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)初稿。2)供應(yīng)商資格預(yù)審。3)通過資格預(yù)審的供應(yīng)商進(jìn)行試制。4)試制結(jié)果評(píng)價(jià)，即通過評(píng)價(jià)結(jié)果確定供應(yīng)商是否通過試制、確定正式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。5)確定新氣管道工程用鋼板和鋼管的合格供應(yīng)商清單。

試制遵循鋼級(jí)以高代低、規(guī)格以厚代薄的原則，根據(jù)新氣管道工程干線的鋼管規(guī)格及用鋼量，確定具體的試制規(guī)格，見表1。從表1可見，干線用鋼管試制了3種規(guī)格，而母管試制了兩種規(guī)格。

表1 新氣管道工程用鋼管的試制規(guī)格

試制由鋼板供應(yīng)商與鋼管供應(yīng)商按照自愿的原則組合配對(duì)，但考慮試制周期和費(fèi)用等因素，對(duì)于同一規(guī)格，一家鋼板供應(yīng)商最多只能與三家鋼管供應(yīng)商配對(duì)組合，一家鋼管供應(yīng)商也最多只能與三家鋼板供應(yīng)商配對(duì)組合。鋼管通過指定第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)和環(huán)焊縫焊接評(píng)價(jià)，即該鋼板供應(yīng)商與鋼管供應(yīng)商的組合通過該規(guī)格的試制評(píng)價(jià)，具備參與對(duì)應(yīng)規(guī)格鋼板/鋼管的投標(biāo)資格。

2 方案實(shí)施

2.1 前期工作

新氣管道工程項(xiàng)目重大，為確保試制工作的依法合規(guī)和評(píng)價(jià)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與客觀性，中國石化物資裝備部與業(yè)主新疆煤制天然氣外輸管道有限公司(以下簡(jiǎn)稱新氣管道公司)通過公開招標(biāo)的方式，確定了鋼板/鋼管性能評(píng)價(jià)及環(huán)焊焊接評(píng)價(jià)的第三方機(jī)構(gòu)：螺旋埋弧焊管及所需卷板的性能評(píng)價(jià)由國家鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心負(fù)責(zé)；直縫埋弧焊管(含熱煨彎管用母管母板)及所需中厚板的性能評(píng)價(jià)由國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心負(fù)責(zé)；環(huán)焊焊接試驗(yàn)評(píng)價(jià)由中國石油天然氣管道科學(xué)研究院負(fù)責(zé)。

第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)確定后，中國石化物資裝備部于2015年6月在中國采購與招標(biāo)網(wǎng)等平臺(tái)發(fā)布了新氣管道工程X80鋼級(jí)管線鋼公開試制的公告，邀請(qǐng)所有具備生產(chǎn)能力的鋼板、鋼管供應(yīng)商參與試制。共有53家供應(yīng)商報(bào)名參與資格預(yù)審，經(jīng)過審查專家組的文件審查及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，46家供應(yīng)商通過資格預(yù)審，其中螺旋埋弧焊管供應(yīng)商17家，直縫埋弧焊管(含熱煨彎管用母管)供應(yīng)商8家，卷板供應(yīng)商12家，中厚板供應(yīng)商9家。根據(jù)資格預(yù)審結(jié)果，中國石化物資裝備部于2015年9月發(fā)布了《關(guān)于開展中國石化新疆煤制氣外輸管道工程X80鋼級(jí)管線鋼單爐試制的通知》，正式開始試制。

2.2 方案的實(shí)施及評(píng)價(jià)結(jié)果

試制工作自2015年9月開始，到2016年4月結(jié)束，歷時(shí)7個(gè)月。46家鋼板、鋼管供應(yīng)商按照自愿原則組成52對(duì)試制組合，共提交70套試樣，其中由國家鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心負(fù)責(zé)評(píng)價(jià)的螺旋埋弧焊管試樣共計(jì)33套，一次評(píng)價(jià)合格24套，復(fù)驗(yàn)合格5套，4套試樣未通過評(píng)價(jià)。不合格的主要原因是焊縫/熱影響區(qū)沖擊韌性偏低和焊縫導(dǎo)向彎曲不合格。由國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心負(fù)責(zé)評(píng)價(jià)的直縫埋弧焊管試樣共計(jì)37套，一次評(píng)價(jià)合格32套，復(fù)驗(yàn)合格5套，首次不合格的主要原因是鋼板供應(yīng)商與鋼管供應(yīng)商之間的交流不充分，未能掌握制管工藝對(duì)鋼板-鋼管性能變化的規(guī)律，在鋼管擴(kuò)徑率等方面出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致管體的屈強(qiáng)比超標(biāo)。由中國石油天然氣管道科學(xué)研究院負(fù)責(zé)評(píng)價(jià)的環(huán)焊縫焊接工藝評(píng)定，其中螺旋埋弧焊管試樣共計(jì)32套，一次評(píng)價(jià)合格6套，復(fù)驗(yàn)合格21套，5套試樣未通過評(píng)價(jià)；直縫埋弧焊管試樣共計(jì)35套，一次評(píng)價(jià)合格14套，復(fù)驗(yàn)合格21套，不合格的主要原因是焊縫沖擊功值未達(dá)到技術(shù)要求。

3 存在的問題及解決方案

3.1 主要問題

3.1.1 環(huán)焊縫適應(yīng)性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)結(jié)果離散性大

試制初期，環(huán)焊縫適應(yīng)性評(píng)價(jià)試驗(yàn)使用了8個(gè)廠家的焊材(成分不同)，并采用自動(dòng)焊、半自動(dòng)焊、多種焊接道次等多種工藝混合進(jìn)行，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)繁多雜亂，離散性大、規(guī)律性差，給母材、焊縫的理化性能與焊材成分、焊接工藝等的相關(guān)性分析帶來較大困難。另外，由于焊材及焊接工藝的種類太多，試驗(yàn)用管段消耗過大，試驗(yàn)難以持續(xù)。

3.1.2 試制歷時(shí)較長(zhǎng)

試制工作耗時(shí)較長(zhǎng)，其主要原因一是鋼板、鋼管試制周期長(zhǎng)。新氣管道工程重大，受關(guān)注程度較高，報(bào)名參與并通過資格預(yù)審的供應(yīng)商數(shù)量較多，試制的產(chǎn)品評(píng)價(jià)試樣達(dá)70套，而一套試樣要經(jīng)歷鋼板供應(yīng)商的制造工藝摸索、試驗(yàn)、正式生產(chǎn)、運(yùn)輸至鋼管供應(yīng)商、鋼管試制、取樣、第三方機(jī)構(gòu)試驗(yàn)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，一輪試制周期即達(dá)3個(gè)多月；二是評(píng)價(jià)工作量大，性能評(píng)價(jià)要經(jīng)過試樣加工、化學(xué)分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、物理試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析和編寫評(píng)價(jià)報(bào)告等環(huán)節(jié)，一套試樣的評(píng)價(jià)周期為2～3周。

3.2 解決方案

3.2.1 優(yōu)化調(diào)整焊接工藝和焊材成分

針對(duì)試驗(yàn)初期環(huán)焊縫適應(yīng)性評(píng)價(jià)試驗(yàn)的焊材、工藝組合多，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)離散性大、規(guī)律性差等問題，物資裝備部與新氣管道公司及時(shí)組織設(shè)計(jì)單位、第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)等單位對(duì)前期評(píng)價(jià)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，做出將焊材成分優(yōu)化至4種、焊接道次減至3種、固定焊接人員等方面的調(diào)整，有效規(guī)范了焊接試驗(yàn)程序，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性顯著降低，規(guī)律性顯著增強(qiáng)，表2為W-S螺旋鋼管的不同焊材-焊接道次組合的環(huán)焊縫沖擊韌性結(jié)果，為快速分析母材成分、焊材成分、焊接工藝的相關(guān)性奠定了良好的基礎(chǔ)，為改善焊材成分和焊接工藝指明了方向。

優(yōu)化前后的蓋面焊縫、填充焊縫及熔合線的典型組織如圖1和圖2所示。圖1中存在較多的粒狀貝氏體，原始奧氏體晶界上存在“項(xiàng)鏈狀”M-A，這種組織會(huì)引起焊縫局部脆化，焊縫韌性降低。圖2的組織相對(duì)細(xì)小，存在較多的貝氏體和鐵素體，M-A組元細(xì)小。

3.2.2 加快試制進(jìn)度

針對(duì)試樣數(shù)量太多、評(píng)價(jià)工作量大的問題，物資裝備部組織各有關(guān)單位于2015年10月22日召開了首次試制工作協(xié)調(diào)會(huì)。會(huì)議上確立了試制進(jìn)度周報(bào)制度，每周三統(tǒng)計(jì)進(jìn)展情況，通過統(tǒng)籌控制進(jìn)度、主動(dòng)溝通協(xié)調(diào)等措施，督促低于預(yù)期的單位加快速度、協(xié)調(diào)試制供應(yīng)商與第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)無縫對(duì)接，明顯提高了試制工作的整體效率。另外，優(yōu)化第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)周期，按照“先普通再特殊、先評(píng)價(jià)再報(bào)告”的原則，優(yōu)先完成普通線路常用規(guī)格試樣的評(píng)價(jià)，最后再集中出具評(píng)價(jià)報(bào)告，合理節(jié)約時(shí)間。

4 試制效果

4.1 試制結(jié)果

本次試制是中國石化近年來首次嘗試開展管線鋼的試制工作，試制歷時(shí)7個(gè)月，經(jīng)過國家鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中國石油天然氣管道科學(xué)研究院等第三方機(jī)構(gòu)的鋼管性能評(píng)價(jià)和環(huán)焊焊接性能評(píng)價(jià)，共43家供應(yīng)商通過單爐試制，具備了參與新氣管道工程用鋼板/鋼管的投標(biāo)資格，其中螺旋埋弧焊管供應(yīng)商15家、直縫埋弧焊管供應(yīng)商8家，中厚板供應(yīng)商9家、卷板供應(yīng)商11家。

表2 W-S螺旋鋼管不同焊材-焊接道次組合的環(huán)焊縫沖擊韌性

圖1 蓋面焊縫-填充焊縫和熔合線組織

圖2 蓋面焊縫-填充焊縫和熔合線組織

4.2 試制效果

4.2.1 為新產(chǎn)品采購提供可行思路

近年來在大力推行依法治企、物資采購全面公開化的背景下，采購方圈定數(shù)家具備供貨能力的供應(yīng)商作為“短名單”，從中進(jìn)行采購的辦法已經(jīng)不能繼續(xù)，一款新產(chǎn)品在國內(nèi)外沒有應(yīng)用業(yè)績(jī)，面對(duì)踴躍參與的供應(yīng)商，如何排除不具備供貨能力的供應(yīng)商？通過產(chǎn)品試制的方法，對(duì)供應(yīng)商的技術(shù)能力、實(shí)物性能等方面進(jìn)行認(rèn)證和評(píng)價(jià)，為后續(xù)的招標(biāo)采購大幅降低風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，也為今后新產(chǎn)品在采購之前的甄選提供一種可行的操作思路。

4.2.2 驗(yàn)證了工藝的可行性

通過對(duì)70套試樣的試制結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一是驗(yàn)證了技術(shù)條件以及供應(yīng)商生產(chǎn)工藝等方面的可行性與合理性，同時(shí)積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為完善技術(shù)條件等工作提供有力支撐；二是通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出管線鋼性能、焊材成分以及焊接工藝的優(yōu)化方向，進(jìn)一步提高生產(chǎn)實(shí)物產(chǎn)品和施工建設(shè)的質(zhì)量穩(wěn)定性。

4.2.3 對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行有效鑒別

通過本次單爐試制，一是篩選出合格供應(yīng)商，通過單爐試制的供應(yīng)商占報(bào)名總數(shù)的77%，有效剔除了不具備供貨能力的供應(yīng)商，為后續(xù)采購工作奠定基礎(chǔ)；二是根據(jù)第三方機(jī)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)定結(jié)果，為招標(biāo)的技術(shù)評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確客觀的數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié) 語

單爐試制作為新氣管道工程X80鋼級(jí)管線鋼試制工作的一個(gè)環(huán)節(jié)，歷時(shí)7個(gè)月時(shí)間，取得較為圓滿的結(jié)果，為確保項(xiàng)目建設(shè)順利進(jìn)行，還應(yīng)陸續(xù)開展下列工作：

1)完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)試制的性能評(píng)價(jià)報(bào)告，結(jié)合“高壓、大口徑、大厚壁管道材料及設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”專項(xiàng)科研項(xiàng)目的最新研究成果，組織相關(guān)技術(shù)專家討論、完善新氣管道工程用管線鋼的技術(shù)條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2)開展環(huán)焊縫的重復(fù)性試驗(yàn)

環(huán)焊縫的試制結(jié)果并未達(dá)到預(yù)期效果，單爐試制結(jié)束后，應(yīng)盡快對(duì)試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷優(yōu)化鋼材和焊材的目標(biāo)化學(xué)成分，同時(shí)開展環(huán)焊縫的重復(fù)性試驗(yàn)，甄選最佳的環(huán)焊縫焊接方案。