应用于新疆煤制气外输管道工程的X80钢级管线钢试制综述

王亦雄

(中国石油化工股份有限公司物资装备部 北京 100728)

0 引 言

新疆煤制气外输管道工程(以下简称“新气管道工程”)，是中国石化投资建设的最长管道工程，也是世界范围内首条设计使用X80钢级管线钢输送煤制气的长输管道，输送介质中含有约3%的氢气。管道设计全长8 372 km，包括一条干线、六条支干线，干线的起点是新疆木垒首站，终点为广东省韶关末站，途径13省(区)。管线的设计压力12 MPa，设计输量3×1010m3/a，最大管径为1 219 mm，最大壁厚33.0 mm，其用钢总量超过4×106t/a，采购金额超过250 亿元。

在长输管道建设中，管线钢采购成本可占到管道工程总投资的40%，管线钢质量对管道建设质量起着决定性作用，管线钢供应进度对管道施工进程影响巨大，因此，中石化物资装备部组织实施了新气管道工程X80钢级管线钢的试制工作。

1 试制方案

1.1 试制的必要性

1.1.1 输送介质的特殊性

新气管道工程是世界范围内首条设计使用X80钢级的煤制气长输管道，与西气东输、川气东送等天然气输送管道工程相比，其显著的特点是输送介质中含有约3%的氢气，氢气在高压输送过程中可能会以氢原子的形式渗入管线钢[1]，当这种可扩散氢渗透进钢材中，将对钢管的耐腐蚀性、韧性及裂纹扩散速率等方面产生一系列影响。为了了解掌握高压状态下氢对管材和设备的影响规律，中国石化启动了“高压、大口径、大厚壁管道材料及设备关键技术研究”专项科研项目，根据该项目的研究结果，编制出新气管道工程用管材的系列标准，其化学成分、非金属夹杂物、低温韧性、无损检验等等技术要求明显高于输送常规介质的国内外管道标准。

1.1.2 环焊焊接工艺的适应性逐年降低

管线钢的高强度可通过多种强化机制和强化方法来获取[2]。随着西气东输二线、三线的施工建设，我国X80钢级管线钢的研发、制造水平也得到了长足的进步，随着各钢厂不断深入研究和探索，钢材的成分设计、轧制工艺之间的差异日益凸显，不同钢厂的原料生产的钢管环焊对接时，焊接工艺的适应性呈明显下降趋势，而施工现场的人员、环境、设备的差异又加剧了环焊焊接工艺管理的难度，显著增大了环焊缝质量的波动范围，即环焊缝质量的稳定性降低。

1.2 试制方案

1.2.1 试制目的

考虑新气管道工程输送介质的特殊性，以及环焊焊接工艺的适应性逐年降低等问题，为确保管道的长期稳定运行，中国石化决定开展新气管道工程X80钢板/卷和钢管的试制工作。试制的主要目的是：1)验证新气管材技术标准的可行性与合理性。2)优化管材、焊材的化学成分，确定管材、焊材的目标成分，提高环焊焊接工艺的适应性。3)考察供应商制造工艺的可行性，筛选出具备供货能力的供应商。4)根据第三方评价机构对各供应商试制产品的检测结果和供应商的技术能力与产品性能进行评定，为后期招标采购提供数据支撑。

1.2.2 评价准则

管线钢板和钢管属于直接集中采购的物资品种，由中国石化物资装备部负责采购，并编制了试制方案并组织实施。试制的主要流程包括：1)编制技术标准初稿。2)供应商资格预审。3)通过资格预审的供应商进行试制。4)试制结果评价，即通过评价结果确定供应商是否通过试制、确定正式技术标准。5)确定新气管道工程用钢板和钢管的合格供应商清单。

试制遵循钢级以高代低、规格以厚代薄的原则，根据新气管道工程干线的钢管规格及用钢量，确定具体的试制规格，见表1。从表1可见，干线用钢管试制了3种规格，而母管试制了两种规格。

表1 新气管道工程用钢管的试制规格

试制由钢板供应商与钢管供应商按照自愿的原则组合配对，但考虑试制周期和费用等因素，对于同一规格，一家钢板供应商最多只能与三家钢管供应商配对组合，一家钢管供应商也最多只能与三家钢板供应商配对组合。钢管通过指定第三方评价机构的性能试验评价和环焊缝焊接评价，即该钢板供应商与钢管供应商的组合通过该规格的试制评价，具备参与对应规格钢板/钢管的投标资格。

2 方案实施

2.1 前期工作

新气管道工程项目重大，为确保试制工作的依法合规和评价试验的准确性与客观性，中国石化物资装备部与业主新疆煤制天然气外输管道有限公司(以下简称新气管道公司)通过公开招标的方式，确定了钢板/钢管性能评价及环焊焊接评价的第三方机构：螺旋埋弧焊管及所需卷板的性能评价由国家钢铁产品质量监督检验中心负责；直缝埋弧焊管(含热煨弯管用母管母板)及所需中厚板的性能评价由国家石油管材质量监督检验中心负责；环焊焊接试验评价由中国石油天然气管道科学研究院负责。

第三方评价机构确定后，中国石化物资装备部于2015年6月在中国采购与招标网等平台发布了新气管道工程X80钢级管线钢公开试制的公告，邀请所有具备生产能力的钢板、钢管供应商参与试制。共有53家供应商报名参与资格预审，经过审查专家组的文件审查及现场复核，46家供应商通过资格预审，其中螺旋埋弧焊管供应商17家，直缝埋弧焊管(含热煨弯管用母管)供应商8家，卷板供应商12家，中厚板供应商9家。根据资格预审结果，中国石化物资装备部于2015年9月发布了《关于开展中国石化新疆煤制气外输管道工程X80钢级管线钢单炉试制的通知》，正式开始试制。

2.2 方案的实施及评价结果

试制工作自2015年9月开始，到2016年4月结束，历时7个月。46家钢板、钢管供应商按照自愿原则组成52对试制组合，共提交70套试样，其中由国家钢铁产品质量监督检验中心负责评价的螺旋埋弧焊管试样共计33套，一次评价合格24套，复验合格5套，4套试样未通过评价。不合格的主要原因是焊缝/热影响区冲击韧性偏低和焊缝导向弯曲不合格。由国家石油管材质量监督检验中心负责评价的直缝埋弧焊管试样共计37套，一次评价合格32套，复验合格5套，首次不合格的主要原因是钢板供应商与钢管供应商之间的交流不充分，未能掌握制管工艺对钢板-钢管性能变化的规律，在钢管扩径率等方面出现偏差，导致管体的屈强比超标。由中国石油天然气管道科学研究院负责评价的环焊缝焊接工艺评定，其中螺旋埋弧焊管试样共计32套，一次评价合格6套，复验合格21套，5套试样未通过评价；直缝埋弧焊管试样共计35套，一次评价合格14套，复验合格21套，不合格的主要原因是焊缝冲击功值未达到技术要求。

3 存在的问题及解决方案

3.1 主要问题

3.1.1 环焊缝适应性评价的试验结果离散性大

试制初期，环焊缝适应性评价试验使用了8个厂家的焊材(成分不同)，并采用自动焊、半自动焊、多种焊接道次等多种工艺混合进行，导致试验数据繁多杂乱，离散性大、规律性差，给母材、焊缝的理化性能与焊材成分、焊接工艺等的相关性分析带来较大困难。另外，由于焊材及焊接工艺的种类太多，试验用管段消耗过大，试验难以持续。

3.1.2 试制历时较长

试制工作耗时较长，其主要原因一是钢板、钢管试制周期长。新气管道工程重大，受关注程度较高，报名参与并通过资格预审的供应商数量较多，试制的产品评价试样达70套，而一套试样要经历钢板供应商的制造工艺摸索、试验、正式生产、运输至钢管供应商、钢管试制、取样、第三方机构试验评价等环节，一轮试制周期即达3个多月；二是评价工作量大，性能评价要经过试样加工、化学分析、机械性能试验、物理试验、数据分析和编写评价报告等环节，一套试样的评价周期为2～3周。

3.2 解决方案

3.2.1 优化调整焊接工艺和焊材成分

针对试验初期环焊缝适应性评价试验的焊材、工艺组合多，导致试验结果出现离散性大、规律性差等问题，物资装备部与新气管道公司及时组织设计单位、第三方评价机构等单位对前期评价试验的数据进行分析和评估，做出将焊材成分优化至4种、焊接道次减至3种、固定焊接人员等方面的调整，有效规范了焊接试验程序，试验数据离散性显著降低，规律性显著增强，表2为W-S螺旋钢管的不同焊材-焊接道次组合的环焊缝冲击韧性结果，为快速分析母材成分、焊材成分、焊接工艺的相关性奠定了良好的基础，为改善焊材成分和焊接工艺指明了方向。

优化前后的盖面焊缝、填充焊缝及熔合线的典型组织如图1和图2所示。图1中存在较多的粒状贝氏体，原始奥氏体晶界上存在“项链状”M-A，这种组织会引起焊缝局部脆化，焊缝韧性降低。图2的组织相对细小，存在较多的贝氏体和铁素体，M-A组元细小。

3.2.2 加快试制进度

针对试样数量太多、评价工作量大的问题，物资装备部组织各有关单位于2015年10月22日召开了首次试制工作协调会。会议上确立了试制进度周报制度，每周三统计进展情况，通过统筹控制进度、主动沟通协调等措施，督促低于预期的单位加快速度、协调试制供应商与第三方评价机构无缝对接，明显提高了试制工作的整体效率。另外，优化第三方评价机构的评价周期，按照“先普通再特殊、先评价再报告”的原则，优先完成普通线路常用规格试样的评价，最后再集中出具评价报告，合理节约时间。

4 试制效果

4.1 试制结果

本次试制是中国石化近年来首次尝试开展管线钢的试制工作，试制历时7个月，经过国家钢铁产品质量监督检验中心、国家石油管材质量监督检验中心、中国石油天然气管道科学研究院等第三方机构的钢管性能评价和环焊焊接性能评价，共43家供应商通过单炉试制，具备了参与新气管道工程用钢板/钢管的投标资格，其中螺旋埋弧焊管供应商15家、直缝埋弧焊管供应商8家，中厚板供应商9家、卷板供应商11家。

表2 W-S螺旋钢管不同焊材-焊接道次组合的环焊缝冲击韧性

图1 盖面焊缝-填充焊缝和熔合线组织

图2 盖面焊缝-填充焊缝和熔合线组织

4.2 试制效果

4.2.1 为新产品采购提供可行思路

近年来在大力推行依法治企、物资采购全面公开化的背景下，采购方圈定数家具备供货能力的供应商作为“短名单”，从中进行采购的办法已经不能继续，一款新产品在国内外没有应用业绩，面对踊跃参与的供应商，如何排除不具备供货能力的供应商？通过产品试制的方法，对供应商的技术能力、实物性能等方面进行认证和评价，为后续的招标采购大幅降低风险的同时，也为今后新产品在采购之前的甄选提供一种可行的操作思路。

4.2.2 验证了工艺的可行性

通过对70套试样的试制结果进行统计，一是验证了技术条件以及供应商生产工艺等方面的可行性与合理性，同时积累了大量试验数据，为完善技术条件等工作提供有力支撑；二是通过对试验数据进行分析，找出管线钢性能、焊材成分以及焊接工艺的优化方向，进一步提高生产实物产品和施工建设的质量稳定性。

4.2.3 对供应商进行有效鉴别

通过本次单炉试制，一是筛选出合格供应商，通过单炉试制的供应商占报名总数的77%，有效剔除了不具备供货能力的供应商，为后续采购工作奠定基础；二是根据第三方机构的检测评定结果，为招标的技术评价提供准确客观的数据支撑。

5 结 语

单炉试制作为新气管道工程X80钢级管线钢试制工作的一个环节，历时7个月时间，取得较为圆满的结果，为确保项目建设顺利进行，还应陆续开展下列工作：

1)完善相关技术标准

根据试制的性能评价报告，结合“高压、大口径、大厚壁管道材料及设备关键技术研究”专项科研项目的最新研究成果，组织相关技术专家讨论、完善新气管道工程用管线钢的技术条件和验收标准。

2)开展环焊缝的重复性试验

环焊缝的试制结果并未达到预期效果，单炉试制结束后，应尽快对试样数据进行分析，不断优化钢材和焊材的目标化学成分，同时开展环焊缝的重复性试验，甄选最佳的环焊缝焊接方案。