油氣管道用三通管件的研究*

胡美娟，劉迎來，吉玲康，馬秋榮，王 鵬

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

三通管件是油氣輸送管道工程中重要而且用量較大的配件。它在管道建設(shè)中用來改變管道方向、改變管徑大小、進(jìn)行管道分支、局部加強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)特殊連接等作用。近年來油氣管道建設(shè)已進(jìn)入了發(fā)展的高峰期，隨著管道業(yè)的發(fā)展，三通管件也趨于向高強(qiáng)度、大口徑、厚壁、高性能的方向發(fā)展。我國西氣東輸工程中的三通管件工作壓力達(dá)到12 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到625 MPa及以上，外徑達(dá)到1 422 mm，最大壁厚超過50 mm。

三通的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，影響質(zhì)量和性能的因素多。在實(shí)際服役過程中，三通不僅承受內(nèi)壓，還往往受到彎矩、扭矩、軸向力的作用。由于三通管件的幾何結(jié)構(gòu)和所受外載的復(fù)雜性，導(dǎo)致其往往成為管系中應(yīng)力集中較高的危險(xiǎn)部位[1-2]。從某種意義上說，三通質(zhì)量的好壞與承載能力的高低將直接影響到整個(gè)管系的完整性及安全運(yùn)行，所以就需要對油氣輸送領(lǐng)域三通管件的制造方法、成型工藝、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和性能要求進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 三通管件概述

油氣輸送管道用三通管件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中主管：指流體直通的部分，即有開孔的管道。支管：與主管相交連接的管狀部分。臺(tái)肩部：位于縱向平面(支管與主管軸線確定的平面)且靠近相貫線的支、主管上的區(qū)域。腹部：靠近相貫線與橫向平面(垂直于主管軸線且包含了支管軸線的平面)交點(diǎn)附近的殼體區(qū)域。三通的主管和支管端部均為相同的尺寸，稱為等徑三通。當(dāng)支管端部尺寸小于主管尺寸，稱為異徑三通。

圖1 三通管件結(jié)構(gòu)示意圖

三通管件的制造工藝主要有鑄造、焊接、液壓脹形和熱擠壓成形等。鑄造三通是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)三通形的鑄型里，凝固后獲得具有三通形狀的毛坯，然后進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工得到鑄造三通管件。鑄造三通的優(yōu)點(diǎn)是可以得到形狀復(fù)雜、壁厚較厚的管件毛坯。但是缺點(diǎn)是后續(xù)機(jī)加工工時(shí)長，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，特別是對于大口徑厚壁三通管，體型較大，在加工時(shí)要切削掉很多的材料，耗材量大，生產(chǎn)成本高。另外，鑄造三通的質(zhì)量不易保證，而且缺陷不易檢查，在工程投產(chǎn)后常發(fā)生泄漏事故，所以不宜在石油、化工管道上采用[3]。焊接三通管件是在管坯上開馬鞍形焊口后與支管直接焊接而成，具有制造方便、現(xiàn)場靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是三通管件焊接工藝比一般鋼管焊接復(fù)雜，焊接面是在一個(gè)馬鞍形的不規(guī)則空間曲面上，焊接質(zhì)量難以保證。焊接三通最大的弱點(diǎn)是高應(yīng)力區(qū)正好位于支管和母管連接的相貫線處的焊縫位置上，用在石油、天然氣管道等高壓運(yùn)輸線路上容易留下事故隱患[4]。三通管件的液壓脹形是通過內(nèi)部液體加壓和軸向加力將管坯壓入到模具型腔，補(bǔ)償脹出支管的一種壓力加工方法，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約材料、降低模具費(fèi)用、減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量。但是由于國內(nèi)目前采用脹形方法的成形力較低，內(nèi)壓與軸向進(jìn)給的控制也不嚴(yán)格，僅適用于生產(chǎn)薄壁、低強(qiáng)度和管徑較小的三通管件[5]。熱擠壓三通為現(xiàn)今我國制造高強(qiáng)度、大口徑油氣輸送管道三通管件的主要技術(shù)。它是將整個(gè)管坯加熱到管材再結(jié)晶溫度以上的某一適當(dāng)溫度后放入模具中，在壓力機(jī)的作用下對管坯進(jìn)行熱擠壓，管坯在徑向力的作用下沿模腔幾何形狀產(chǎn)生塑性變形而形成三通支管。熱擠壓三通由于沒有焊縫，表面光潔度好、外形變化平緩、壁厚分布無突變、整體強(qiáng)度好[6-8]。

2 油氣輸送用三通管件的研究進(jìn)展

熱擠壓三通管件在油氣輸送領(lǐng)域中的應(yīng)用歷史并不長。上世紀(jì)70年代美國制定了熱擠壓三通的國家標(biāo)準(zhǔn)。我國在上世紀(jì)80年代后開始研制并逐漸應(yīng)用熱擠壓三通。近年來，高壓、大口徑長輸油氣管道建設(shè)進(jìn)入黃金時(shí)期。西氣東輸一線、二線，中亞和中緬等管道工程的建設(shè)，給管件產(chǎn)品帶來了巨大的發(fā)展空間，同時(shí)對三通管件的質(zhì)量與性能要求越來越高。

2.1 油氣輸送用三通管件的成型工藝

油氣輸送用三通管件的熱擠壓工序一般分為四步：制坯、壓扁、鼓包和拉拔。

制坯：選擇合適的鋼管或者鋼板卷曲成管。由于無縫鋼管生產(chǎn)的三通管件外徑尺寸較小，目前油氣輸送管道用高強(qiáng)度、大口徑三通管件一般是將厚度適合的寬厚板材卷曲成管，然后焊接成三通毛坯管[1]。

壓扁：將管坯經(jīng)整體加熱到Ac3以上50～100 ℃，恒溫時(shí)間≥10 min出爐，在壓力機(jī)上壓制成橢圓形，焊縫放在長軸頂部。劉麗敏等的研究表明：在大于最小高寬比0.47的條件下，壓扁后三通管坯截面的高寬比在一定范圍內(nèi)對三通鼓包的影響可以忽略不計(jì)。管坯截面的高寬比小于0.47時(shí)，在壓扁時(shí)易出現(xiàn)凹塌現(xiàn)象，并且在后續(xù)鼓包時(shí)不宜在模具上放置并準(zhǔn)確定位[9]。

鼓包：將整個(gè)管坯加熱到Ac3以上50～100 ℃，恒溫時(shí)間≥30 min出爐，在壓力機(jī)上多次鼓包直至支管長度達(dá)到要求，始壓溫度不小于Ac3+50 ℃，終壓溫度不小于Ac3-50 ℃。油氣輸送管用三通管件的鼓包工序特點(diǎn)是: 主要變形區(qū)集中在管坯一側(cè)的中部，而其他部位基本不變形。在鼓包前，加熱工件在不鼓包一側(cè)用水進(jìn)行冷卻處理，這樣可以使工件不同區(qū)域的材料由于溫度不同而顯示出不同的屈服強(qiáng)度，有利于在成形過程中預(yù)定變形區(qū)材料的流動(dòng)。鼓包工序是三通成形工藝的關(guān)鍵，鼓包的高度以及形狀直接決定了后續(xù)工序成形難易程度，乃至整個(gè)三通成形工藝的成敗。李海量和劉麗敏等利用Deform-3D有限元軟件優(yōu)化了Φ1 219 mm三通管件的成形工藝參數(shù)，研究表明：不同的模具入口圓角對于鼓包過程有一定的影響。模具入口圓角過小時(shí)，鼓包變形力過大并且容易在管件內(nèi)部出現(xiàn)材料堆積現(xiàn)象。隨著模具入口圓角的增加，鼓包過程所需要的變形力隨之降低，但是過大的入口圓角會(huì)使得最終鼓包高度無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求[5]，入口圓角為R125時(shí)既可以滿足起包高度的要求也可以滿足后續(xù)工序的工藝要求。黃鑒等針對WPHY-80的模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明：起包過程中成形部位加熱到950 ℃，局部淬火至120 ℃，淬火范圍達(dá)到65%左右，可有效避免成形缺陷的產(chǎn)生[7]。劉麗敏等數(shù)值模擬結(jié)果表明：第一次起包時(shí)冷卻區(qū)為63%；二次起包時(shí)冷卻區(qū)為55%時(shí)，鼓包效果較好。

拉拔：在管坯鼓包上開預(yù)制孔，開孔尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)要求，留有加工余量20～30 mm開孔。對開孔周圍用砂輪機(jī)進(jìn)行修整，去除毛刺并進(jìn)爐加熱，加熱溫度Ac3以上50～100 ℃，恒溫時(shí)間≥10 min出爐，然后在液壓機(jī)上用專用模具多道次熱拔成形。模擬結(jié)果表明，三道次拉拔由于成形載荷較小、支管壁厚減薄率較小，因此優(yōu)于兩道次拉拔成形方案。拉拔效果的好壞主要取決于鼓包的高度是否理想[9]。

拉拔完成后應(yīng)進(jìn)行初始三通整形，對表面質(zhì)量、尺寸檢查，當(dāng)管端直徑圓度達(dá)不到技術(shù)要求時(shí)，在熱處理前進(jìn)行校正。

在熱擠壓成型過程中，三通需經(jīng)過多次加熱及冷卻。管體及焊縫力學(xué)性能較成型前有很大改變，其拉伸、沖擊力學(xué)性能無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，最終熱處理是使三通管體及焊縫滿足各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。油氣管道三通熱處理通常采用淬火+回火工藝，熱處理溫度及保溫時(shí)間由三通管體的材料及壁厚決定，同時(shí)考慮焊縫的熱處理特性[10]。

2.2 油氣輸送用三通管件的設(shè)計(jì)

大口徑三通的設(shè)計(jì)問題一直以來都是管道工程中的技術(shù)難點(diǎn)之一，MSS SP-75-2008和ISO 15590.1-2009這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中沒有可靠的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。隨著油氣管道的直徑、壓力的不斷提高，支管直徑接近或等于主管直徑的三通的設(shè)計(jì)問題顯得更加突出。由于幾何形狀不連續(xù)性，在內(nèi)壓作用下，三通管相貫線的拐角處存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象。Ellyin等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有試樣均在縱向平面內(nèi)轉(zhuǎn)角處在壓力遠(yuǎn)小于整體屈服壓力時(shí)就已經(jīng)開始屈服。主管壁厚較薄的三通，腹部的最高應(yīng)力點(diǎn)是在肩部形成塑形區(qū)以后才達(dá)到屈服值的，而主管壁厚較大的三通，則是肩部拐角處的內(nèi)壁和腹部外壁同時(shí)達(dá)到屈服[11]。趙樹炳的研究表明：三通在內(nèi)壓作用下，最大等效應(yīng)力發(fā)生在三通的肩部內(nèi)側(cè)，最大變形發(fā)生在腹部外側(cè)。合理的選擇支管入口的圓角半徑能夠改善三通應(yīng)力集中程度[12-13]。馬業(yè)華等利用有限元分析技術(shù)，開發(fā)了三通優(yōu)化分析模塊，得到了最優(yōu)的三通圓角半徑。最優(yōu)圓角半徑隨支管半徑的增大而增大[14]，如圖2所示。

圖2 含圓角三通的內(nèi)外圓角半徑關(guān)系圖

我國長輸管道管件設(shè)計(jì)中普遍采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是MSS SP-75-2008《Specification for high test wrought butt welding fittings》，其規(guī)定了管件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使用數(shù)學(xué)分析和驗(yàn)證試驗(yàn)兩種方法。數(shù)學(xué)分析法中三通的設(shè)計(jì)方法采用的是等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算法。所謂補(bǔ)強(qiáng)指的是由于管道開孔后其承載強(qiáng)度有所下降，需要對其強(qiáng)度補(bǔ)充，等面積補(bǔ)強(qiáng)即指補(bǔ)強(qiáng)材料的面積應(yīng)大于等于管道開孔丟失材料的面積。驗(yàn)證試驗(yàn)法是指在大量爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、篩選和研究，從而確定三通壁厚等結(jié)構(gòu)尺寸的一種方法。

國內(nèi)油氣輸送用三通的設(shè)計(jì)計(jì)算所采用的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 50253《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、SY/T 0510《鋼制對焊管件》及ASME B 31.3《Process Piping》，上述標(biāo)準(zhǔn)都是采用的等面積補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法。王高峰等對上述4種標(biāo)準(zhǔn)中三通開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算方法進(jìn)行了對比：ASME B 31.3中對拔制三通開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的限定較多，并且增加了引出口外輪廓部分的曲率半徑的規(guī)定。實(shí)例計(jì)算顯示GB/T 50251和GB/T 50253的設(shè)計(jì)計(jì)算較為嚴(yán)格[15]。趙樹炳等對比分析了GB/T 50251和GB/T 50253的計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)：GB/T 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對補(bǔ)強(qiáng)的要求更為嚴(yán)格，并且其補(bǔ)強(qiáng)面積與連接工藝管線的壁厚有關(guān)。

等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中其前提條件和數(shù)據(jù)選取等都帶有一定的假設(shè)性和裕量。對西氣東輸二線實(shí)際三通爆破試驗(yàn)壓力的分析表明，利用等面積補(bǔ)強(qiáng)公式計(jì)算出的結(jié)果偏于保守，且支管直徑越大，壁厚偏大越多。就西氣東輸二線X80大口徑三通而言，利用數(shù)學(xué)分析法計(jì)算的設(shè)計(jì)壁厚已接近材料熱加工能力極限。在今后更大口徑或更大壓力管道的建設(shè)中，如果仍然采用數(shù)學(xué)分析法，對目前X80三通生產(chǎn)選用的材料和工廠加工能力而言，將無法滿足工程建設(shè)質(zhì)量的要求[16]。劉迎來等基于大量X80系列三通實(shí)物性能和爆破試驗(yàn)，采用驗(yàn)證試驗(yàn)方法得到系列優(yōu)化的X80三通壁厚，使預(yù)期大口徑三通實(shí)物壁厚較計(jì)算結(jié)果減少20%，并建立相應(yīng)的技術(shù)條件和數(shù)據(jù)庫，從而指導(dǎo)管道工程用高強(qiáng)度大口徑三通的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前，該成果已在西氣東輸三線、四線等工程建設(shè)中得到應(yīng)用[17]。Q/SY GJX 105《油氣輸送管道工程用DN350及以上管件技術(shù)條件》和Q/SY GJX 106《油氣輸送管道工程用DN400及以上管件技術(shù)條件》中列出了確定三通管件壁厚的驗(yàn)證試驗(yàn)方法。

2.3 油氣輸送用三通管件的基本要求

2.3.1 油氣輸送用三通管件的化學(xué)成分

熱擠壓三通在成型過程中反復(fù)加熱變形，成型后必須進(jìn)行熱處理，母管通過焊接成型并且通過焊接方式與主管道相連接，因此高溫塑性、合適的淬透性和良好的可焊性是熱擠壓三通化學(xué)成份的的基本要求。表1列出了國內(nèi)TE555、俄羅斯K55鋼級三通的 化學(xué)成分，同時(shí)列出了Q/SY GJX 106和中俄東線規(guī)定的X80鋼級三通管件的化學(xué)成分最大允許值[18]。

2.3.2 油氣輸送用三通管件的力學(xué)性能

由于X80熱擠壓三通結(jié)構(gòu)和成型的復(fù)雜性，因此需要分別從三通的支管，臺(tái)肩部，主管和焊接接頭處取樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。

表1 X80鋼級三通管件常見化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

當(dāng)三通鋼管壁厚大于25 mm時(shí)，拉伸試樣可以采用全壁厚矩形拉伸試樣，也可以采用全壁厚均勻分層矩形拉伸試樣。圓柱形的拉伸試樣和夏比沖擊試樣則選取1/2壁厚處或者距管體外表面25 mm兩者數(shù)值較小的位置。

夏比沖擊試驗(yàn)規(guī)定溫度按照管件設(shè)計(jì)溫度減5 ℃進(jìn)行，也可由制造商與購方協(xié)商確定。中俄東線站場低溫環(huán)境用X80熱擠壓三通沖擊試驗(yàn)溫度低至-45 ℃。

3 結(jié)論和建議

油氣輸送用X80三通管件毛坯管的焊接目前只能采用手工焊接方法，因?yàn)閲鴥?nèi)沒有滿足要求的埋弧焊絲，但是手工焊接方法的焊接生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性低，導(dǎo)致焊縫成為三通管件上的薄弱環(huán)節(jié)。為了滿足野外環(huán)焊施工的需要，油氣輸送管用三通的合金含量一般較低。隨著壁厚的不斷增加，淬火后三通從表面到中心部位的組織不一樣，中心部位的屈服強(qiáng)度和夏比沖擊吸收能量顯著下降，造成潛在的脆性失穩(wěn)開裂風(fēng)險(xiǎn)。另外，在生產(chǎn)工藝方面，當(dāng)前高壓、大口徑三通的設(shè)計(jì)壁厚已大大超出了目前國內(nèi)三通管件的生產(chǎn)能力。因此急需開展三通管件新制造方法、新生產(chǎn)工藝等方面的研究。