天然气集输管道工程用无缝钢管标准的分析

张有渝 谯雯希 陈晓南 魏善涛 周 函 陈学文

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 四川石达能源发展有限公司, 四川 成都 610041;3. 四川科宏石油天然气工程有限公司, 四川 成都 610051

0 前言

天然气集输管道工程(包括集气管道工程和输气管道工程)中的干线管道、阀室、站场工艺管道、压力容器和压力管道设备，使用了大量的各种规格、材质的无缝钢管,这些无缝钢管制造的4项标准有：GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》(以下简称GB/T 9711—2017)、GB 6479—2013《高压化肥设备用无缝钢管》(以下简称GB 6479—2013)、GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》(以下简称GB/T 5310—2017)、GB/T 8163—2018《输送流体用无缝钢管》(以下简称GB/T 8163—2018),以及上述标准的引用标准YB/T 4149—2018《连铸圆管坯》(以下简称YB/T 4149—2018)、YB/T 5137—2018《高压用热轧和锻制无缝钢管圆管坯》(以下简称YB/T 5137—2018)、YB/T 5222—2014《优质碳素结构钢热轧和锻造圆管坯》(以下简称YB/T 5222—2014)。按照这些标准制造的无缝钢管,具有各不相同的化学成分、制造方法(包括钢和管坯、钢管的制造方法)、交货状态和力学性能、冲击韧性、金相组织、检验要求等,因而它们的质量和工程适用性也各不相同,有些无缝钢管虽然同钢号,但由于是按照不同的无缝钢管标准制造的,它们的性能和质量差别也很大。因此，应根据天然气集输管道工程的设计参数(包括设计压力、设计温度和介质条件)、外部环境条件、其他质量要求和投资状况,恰当地选择无缝钢管以保证工程安全和节省投资,是工程设计的主要内容。

天然气集输管道工程设计标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》(以下简称GB 50251—2015)和GB 50349—2015《气田集输设计规范》(以下简称GB 50349—2015)均规定了上述4项无缝钢管标准为其使用标准,其中对GB/T 8163无缝钢管的适用条件给出了不同规定,这种对GB/T 8163无缝钢管使用的分歧意见,也在工业管道的设计标准中有体现,这些标准GB/T 50316—2000(2008年版)《工业金属管道设计规范》(以下简称GB/T 50316—2000)、GB 20801.2—2006《压力管道规范工业管道第2部分材料》(以下简称GB 20801.2—2006)、SH/T 3059—2012《石油化工管道设计器材选用规范》(以下简称SH/T 3059—2012)。标准上的技术分歧已存在多年,给压力管道设计人员带来了不必要的困惑和疑点,体现出来的是对同一标准的无缝钢管给出不同的适用条件,必然有不恰当的规定存在,因此给某些工程带来了安全隐患(虽然有标准依据)。

本文针对上述标准对无缝钢管性能和质量的规定,结合天然气集输管道工程设计和环境的条件进行分析,提出对无缝钢管适用条件和工程上选用的意见,供标准编制和设计参考。

1 影响无缝钢管性能和质量的主要因素

无缝钢管性能和质量决定于无缝钢管标准,为了满足国民经济不同领域对无缝钢管性能和质量的要求,中国编制了各种不同的无缝钢管标准,仅碳钢和低合金钢材质，还有GB 3087—2008《低中压锅炉用无缝钢管》(以下简称GB 3087—2008)、GB 9948—2006《石油裂化用无缝钢管》(以下简称GB 9948—2006),GB 18248—2000《气瓶用无缝钢管》(以下简称GB 18248—2000),GB/T 18984—2016《低温管道用无缝钢管》(以下简称GB/T 18984—2016)等标准,这些标准虽然内容各不相同,但影响无缝钢管性能和质量的主要因素都有共通性,通过对这些因素的对比分析,能对无缝钢管性能和质量作出判断。

1.1 化学成分中的磷、硫、铝含量

无缝钢管化学成分中的磷、硫元素是残存在钢中的有害元素,但却是无法避免的元素。

1.1.1 磷

磷是造成钢较严重偏析的有害元素,且能增加钢的脆性,尤其是低温脆性。

磷在钢中造成偏析的原因是:由于磷扩大了铁的固相线和液相线的间距,所以铁合金需要更多的时间进行凝固，在此过程中，含磷量偏大的铁液集聚在已成固相的枝晶夹缝中，成为磷的偏析。由于磷在铁中的扩散速度较慢,因此具有磷偏析的钢促进了轧材中带状组织的产生,要通过锻造或热处理方法消除偏析是不可能的,要获得均匀的组织较困难[1]。研究表明,为获得最佳的钢材表面和内部性能,无缝钢管用低碳钢的最佳化学成分中含磷量不大于0.005%[2]。

磷在低碳钢中增加脆性主要表现在钢的冲击韧性降低,且当含磷量较高时,提高钢的韧脆转变温度,这对钢的性能很不利。

1.1.2 硫

硫是造成钢的宏观组织极不均匀的元素,又是形成非金属夹杂物的主要元素,从而降低钢的延展性和韧性,且对钢的热变形加工性有严重不良影响。在锻轧过程中会产生网状裂缝,甚而导致大开裂,产生废品,再则不利于钢的焊接性,易导致焊缝热裂[1]。

硫在钢中除与铁形成化合物FeS外,更易与钢的其他某些金属元素形成化合物,其中硫和锰亲和力远大于硫和铁的亲和力,因此硫在钢锭中以硫化锰这种高熔点化合物分布在晶粒内部或晶界上,形成不连续的网状组织,这种硫化物的网状组织,降低钢的延展性和韧性,降低冲击试验的冲击值。研究表明,无缝钢管内部缺陷随着钢中硫和氮含量的降低及Mn/S比值的增大而减少,当平均锰含量为0.40%时,钢中的硫含量不应超过0.020%[2]。

1.1.3 铝

铝和氧、氮元素有很强的亲和力，在钢中是优良的脱氧剂，其作用是脱氧定氮,且细化晶粒,阻抑低碳钢的时效,提高钢在低温下的韧性[1]。

铝在钢中细化本质晶粒的原因，是由于铝在钢中与其他元素,主要是N元素形成细小弥散分布的难熔化合物AlN起到阻抑作用。研究表明,AIN中铝含量应控制在0.008%以上，目的是使钢的晶粒细化，铝含量低于该值时，则晶粒粗大，但若再增加铝含量，也不可能继续细化晶粒[1]。

1.2 制造方法

无缝钢管的生产分3个阶段，从原材料炼钢到制成管坯,再轧拔成无缝钢管,其标准的技术要求中必定有“制造方法”项。制造方法的技术要求必然包括钢的冶炼方法、管坯制造方法和钢管制造方法,这是直接影响无缝钢管性能和质量的技术要求，但往往被设计人员选用标准时忽视而造成不良后果。无缝钢管化学成分指标控制的严格程度，加上其制造方法的先进程度，决定了无缝钢管性能和质量的优劣，即钢的化学成分加制造工艺决定了无缝钢管的性能和质量。

1.2.1 钢的冶炼方法

钢的冶炼一般采用电炉或氧气转炉等设备进行,差别在于是否采用炉外精炼及采用哪些炉外精炼。

钢性能和质量的优良,主要表现在纯洁度高、均匀性好,各向异性小,合金成分范围窄等方面,这就要求钢中杂质含量低,特别是非金属夹杂物含量少,级别低,轧制后钢的纵向和横向力学性能没有差别或差别很小。

钢管用钢的表面和内部质量,取决于其化学成分(宏观纯度)、脱氧的方法(微观纯度)和浇注条件[2]。

炉外精炼的主要方法有以下四种。

1)渣洗。这是提高转炉、电炉钢纯度的措施,渣洗可以有效脱硫、脱氧和去除杂质,减轻出钢过程中二次氧化的有害作用。

2)吹氩。它是通过钢包底部专门安装的透气砖吹入氩气,依靠钢液中上浮的氩气泡粘附乳化的渣滴,以脱除钢中的有害气体。

3)真空脱气。目的是减少钢中有害气体,特别是氢气。工艺方法很多种,其中真空脱气VC法,可使钢中氢含量降到低于2 ppm(0.000 2%)以下,氧含量为20 ppm(0.002 0%)左右；DH法(中国称为提升脱气法或虹吸法)可使钢中氢含量去除50%～70%,平均含量为1.7 ppm(0.000 17%),氧含量降到20～40 ppm(0.002 0%～0.004 0%);RH法又称真空循环脱气法,中国大量使用了RH装置,该法脱氢可使钢中氢含量降低到2 ppm(0.000 2%)以下,还可脱氧去氮,钢液经过RH装置真空脱气后可提高纯净度,减少各向异性,提高塑性和韧性，中国无缝钢管标准一般都要求进行真空脱气,但 GB/T 8163—2018不要求真空脱气[3]。

4)钢包喷粉。属于固体料的添加方法,就是将粉状的反应剂用气体载流喷入钢的液态熔池中,喷入的粉料一般是钙、镁或其合金、化合物,钢包喷粉不仅可以达到脱硫脱氧的目的,还可以降低非金属夹杂物含量和改变夹杂物的形态,提高钢的质量[3]。

1.2.2 管坯制造方法

无缝钢管的管坯可以用连铸机生产,也可以用钢锭经型钢轧机轧成管坯,还可以直接使用钢锭。采用连铸管坯不仅经济合理,质量比钢锭好。

通常管坯的缺陷都会转移到钢管上,管坯上的缺陷可能是炼钢引起的,也可能是轧制或拔制时产生的。研究表明,无缝钢管产生缺陷的原因40%是管坯质量缺陷造成的,60%是轧制过程操作不正确而造成的[2]。

减少连铸管坯缺陷的主要措施在于提高钢的纯洁度,减少非金属夹杂。

因为管坯质量直接影响到钢管的质量,所以任何无缝钢管的标准都对管坯规定了应符合的标准,例如GB 6479—2013、GB 5310—2017和GB/T 8163—2018均规定了连铸管坯应符合YB/T 4149《连铸圆管坯》(以下简称YB/T 4149)的规定,GB 6479—2013和GB 5310—2017均规定了热轧(锻)管坯应符合YB/T 5137《高压用热轧和锻制无缝钢管圆管坯》(以下简称YB/T 5137)的规定,GB/T 8163—2018规定热轧(锻)管坯应符合 YB/T 5222《优质碳素结构钢热轧和锻制圆管坯》(以下简称YB/T 5222)的规定。YB/T 4149、YB/T 5137和YB/T 5222标准对管坯的质量,除了化学成分、冶炼方法规定,主要包括:交货状态、低倍组织缺陷的控制、表面质量的控制,非金属夹杂物的控制等内容的技术要求,由于GB/T 8163—2018的热轧和锻制圆管坯遵循的是YB/T 5222—2014标准,而YB/T 5222—2014的技术要求远低于YB/T 5137—2018的规定,因此按照GB/T 8163—2018生产的无缝钢管,从炼钢和管坯开始,其质量就低于按GB 6479—2013和GB 5310—2017生产的同牌号无缝钢管。

1.2.3 无缝钢管制造方法

较大直径的无缝钢管均采用热轧(挤压)或热扩工艺生产,热轧无缝钢管生产工艺有多种方法,但主要工序之一是将实心的管坯在穿孔机上穿成厚壁的荒管,成品管的质量很大程度上取决于荒管质量,穿孔时的主要缺陷之一是荒管内、外表面上的折叠。产生折叠的主要原因是原始管坯质量有问题。这与管坯中非金属夹杂物的数量和分布有关,折叠的表征是在钢管内、外表面上有薄的金属分层,分层的形态为鳞状,独立分层的外形近似于闭合的曲线,一般分布在钢管全长上。研究表明,在非金属夹杂的周围存在气孔,在穿孔过程中气孔裂开,形成内折叠,经定径机定径后呈现鳞皮状,而管坯中的非金属夹杂是从钢锭中带来的。钢锭质量,决定于非金属夹杂和带状偏析的严重程度,带状偏析很大程度上是磷、硫、碳、锰元素的偏析[2],由此可以看出,无缝钢管化学成分中磷、硫元素含量对钢管质量影响的重要性。

当然,无缝钢管折叠缺陷的产生,还与钢管原材料钢锭的浇铸工艺有关,即浇铸强度和浇铸速度,这是钢管制造方法上的工艺问题,这里不予讨论。

1.2.4 推论

从上述无缝钢管制造方法的分析中,可以得到其影响质量的四点推论。

1)无缝钢管标准中钢、管坯、钢管的制造方法直接影响无缝钢管的质量,因此在选用无缝钢管标准时,必须对此技术要求给予高度关注,慎重分析。

2)无缝钢管原料钢的治炼方法直接关系到无缝钢管材质的纯洁度和均匀性,所以钢的冶炼方法中必须要有炉外精炼的技术要求。

3)管坯的缺陷一般会转移到无缝钢管上,因此对管坯的质量控制应有标准规定,而且采用的标准严格程度直接影响到无缝钢管成品的质量。YB/T 5222—2014的技术要求远低于YB/T 5137—2018。

4)钢管原料钢和管坯中的化学成分偏析和非金属夹杂是重要的缺陷,今后会转移到无缝钢管成品上,无缝钢管成品实际也存在着以带状组织出现的成分偏析和非金属夹杂物,所以在尽量降低化学成分中磷、硫含量的同时,关注钢管制造方法。

1.3 冲击韧性

天然气集输管道工程使用的无缝钢管都应具备一定的冲击韧性,冲击韧性是指金属材料在破断前吸收能量和进行塑性变形的能力,一般用冲击值大小来衡量[1]。这是由天然气集输管道工程的功能和属性所决定的,这类工程一般处于荒郊野外,受自然环境条件的影响很大,特别是环境气温条件的影响,为了防止材料受到冲击载荷的突然加载发生断裂,或者受环境低温的影响发生脆性断裂或延性断裂扩展,需要钢管具备一定的冲击吸收能量,并在无缝钢管标准中给予明确规定。如在低温地区,无缝钢管在-20 ℃以下环境运行,还应对无缝钢管补充要求进行系列温度下的韧脆转变温度测定,作为其安全运行的保证指标。

在无缝钢管的冲击试验项目中,特别应关注的指标是试件的试验温度和合格的冲击吸收能量值,试验温度应低于天然气集输工程的设计温度和环境气温最低值,该值与GB 150.1—2011压力容器标准的规定不同,一般在无缝钢管标准中对合格的冲击吸收能量值有规定,当试件的试验温度降低时,仍可采用此值作为低温冲击试验的合格指标。

1.4 非金属夹杂/带状组织

非金属夹杂是钢中不溶解的非金属元素化合物,如氧化物、硫化物、氮化物以及硅酸盐等的总称,简称夹杂或夹杂物[1]。钢中非金属夹杂物的存在,直接影响到无缝钢管的质量,降低钢管韧性,升高韧脆转变温度,并导致钢管的材料各向异性[4]。减少非金属夹杂物的关键问题是提高钢的纯度(2)。在用于高压的无缝钢管标准中,均规定了对非金属夹杂物控制的合格指标,并规定了检验的标准GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》。

在无缝钢管质量控制中,还有一项很重要的项目是带状组织,带状组织包括两种类型：一类是由于化学元素的成分偏析在钢的轧制中形成条带状偏析组织；另一类是由钢中非金属夹杂物在轧制中形成的条带。带状组织不仅存在于管线钢中,同样存在于低碳结构钢显微组织中,某危害性是使钢的力学性能呈各向异性,降低钢的塑性和韧性,热处理时易产生变形,且硬度不均匀[5]。带状组织在无缝钢管标准中未予以列入控制项目,这是其不足之处;但却是客观存在,而且应予以评级控制,无缝钢管带状组织的评级对于经调质处理的无缝钢管索氏体金相组织,目前存在标准适用性的问题,这有待解决,但是评级却是必须的[6]。

2 对GB/T 8163—2018的分析

GB/T 8163《输送流体用无缝钢管》最早的编制版本是1987年版,至最新有效版本共经历修订出版了4个版本(1987年版、1999年版、2008年版和2018年版),中间还有2个版本是1999年版和2008年版。该标准颁布30多年来,逐渐被压力管道工程设计、施工采用,但是也不断出现分歧和争论,而且这种分歧存在于压力管道的设计标准中,虽然这种分歧是正常的,但对于工程设计和施工而言,则不是正常状态,因为必定在对这个标准的钢管使用中会存在不应有的安全隐患。为了解决这种分歧问题,本文拟根据掌握的资料进行详细地分析。

2.1 GB/T 8163编制版本的历史变迁

第一版GB/T 8163—1987《输送流体用无缝钢管》编制时并未采标,第二版GB/T 8163—1999非等效采用ISO 559:1991《清水、污水用管》,第三版GB/T 8163—2008非等效采用EN 10216—1:2004《用于压力的无缝钢管交货技术条件第1部分规定室温性能的非合金钢管》(以下简称EN 10216—1:2004),最新有效版本GB/T 8163—2018按照GB/T 1.1—2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》(以下简称GB/T 1.1—2009)给出的规则起草,但实际上仅是对GB/T 8163—2008标准进行了少量的补充、删节、修改,一定程度上提高了技术要求内容[7-10],GB/T 8163各个版本采标与适用范围对比见表1。

表1 GB/T 8163各个版本采标与适用范围对比表Tab.1 Adopted standards and application scope comparison of different versions of GB/T 8163

从GB/T 8163编制历史变迁可以看出以下三点。

1)GB/T 8163的采标标准是变化的,从采标ISO 559:1991到改成用于压力和规定室温的非合金钢管,GB/T 8163—2018虽然按照GB/T 1.1—2009给出的规则起草,但技术要求的实质内容与GB/T 8163—2008并无根本改变,只是在GB/T 8163—2008的基础上补充、删除和修改了少量内容,技术要求某些内容得到了提高,所以仍可认为基本上是采标EN 10216—1:2004。

2)GB/T 8163—2008采标EN 10216—1:2004技术上核心内容:一是用于压力输送流体的无缝钢管;二是对该标准的无缝钢管规定了室温性能,即从化学成分、制造方法、力学性能及冲击韧性、试验与检验等方面保证了室温下用于压力输送流体的安全;三是该类无缝钢管材质为非合金钢。

3)GB/T 8163的历次版本在该标准无缝钢管的适用范围规定上没有什么变化,均是适用于输送流体用一般无缝钢管,仅在GB/T 8163—2018将流体定义为普通流体,但是普通流体的定义并未给出,笔者查了很多标准和术语标准,也没有关于“普通流体”的定义,所以笔者认为GB/T 8163历次版本在标准适用范围上的规定是不恰当的,是造成该标准理解使用上分歧的重要原因。在其适用范围的规定上不应该去掉被采标标准规定的室温性能下的压力输送内容。

2.2 GB/T 8163—2008及GB/T 8163—2018与EN 10216—1:2004的差异

GB/T 8163—2008与EN 10216—1:2004在一致性程度上是非等效,实际上GB/T 8163—2008中钢号仅有10、20、Q295与EN 10216—1:2004中6个钢号在强度等级上是相当的,而其它钢号Q345～Q460与EN 10216—1:2004毫无关系,所以该标准的适用范围到底应该如何表述,确实让人难于理解。

压力管道设计中常用钢号是20,将GB/T 8163—2008及GB/T 8163—2018中钢号20与EN 10216—1:2004中强度等级相当的钢号1.024 5和1.025 5进行技术上比较,其技术上的差异主要表现在化学成分中有害元素磷、硫含量,力学性能的断后收缩率A,冲击试验和制造方法等方面[9-10],见表2。

表2 GB/T 8163与EN 10216—1:2004等强度钢号的差异表Tab.2 Differences of steel numbers with equal strength in GB/T 8163 and EN 10216—1:2004

从表2可以看出以下三点。

1)虽然GB/T 8163—2008和GB/T 8163—2018均规定了钢的制造方法应有炉外精炼,但是20号钢的化学成分中有害元素磷、硫合格含量均比EN 10216—1:2004的钢号1.024 5和1.025 5高出较多,磷、硫含量高对钢的危害性见本文前述。

3)虽然20号钢与1.024 5和1.025 5号钢在强度等级上相当,但是由于有害元素磷、硫含量和塑性韧性的差异,所以可以看出20号钢性能和质量(纯洁度和各向异性、带状组织等)低于采标1.024 5和1.025 5号钢,因此在使用条件上,20号钢只宜用于常温和较低压力输送流体。

2.3 压力管道设计标准的分歧

天然气集输管道工程和工业管道工程现行有效的设计规范关于GB/T 8163标准的无缝钢管使用条件存在较大差异,即技术上的分歧以标准的形式规定[11-16],见表3～4。

表3 天然气集输管道工程设计规范的规定比较表Tab.3 Rules comparison of engineering design standards of natural gas gathering and transportation pipeline

表4 工业管道工程设计规范的规定比较表Tab.4 Rules comparison of engineering design standards of industrial pipeline

从表3～4可以看出以下两点。

1)天然气集输管道工程设计规范和城镇燃气规范均可采用GB/T 8163的无缝钢管,但GB 50349—2015对GB/T 8163的无缝钢管使用限制比较严格且要求明确。例如:当集气管道为DN300,设计压力为4.0 MPa,介质为非含硫天然气时,取强度设计系数F=0.4,采用20号钢无缝钢管,则设计壁厚为6.632 mm,考虑壁厚负偏差,则GB/T 8163的20号钢无缝钢管名义厚度8 mm。

2)工业管道设计规范对采用GB/T 8163无缝钢管的分歧较大,有不予采用的,也有不允许用于GC1级管道的,对可以采用GB/T 8163无缝钢管的设计压力和温度上限意见也不一致。

2.4 压力容器规范的规定

压力容器与压力管道虽然是不同类别的特种设备,但是同样具备承受带压力的流体介质在旋转壳体中产生三向应力状态的特点,不论无缝钢管是作为压力容器或压力管道设备的壳体和开口接管,还是作为工艺管道，都同样受着流体介质的压力、温度以及结构因素的影响,这是其共性。因此压力容器设计规范关于无缝钢管使用条件的规定,同样可以在压力管道设计规范中予以参考,因此本文列出GB 150.2—2011《压力容器第2部分材料》(以下简称GB 150.2—2011)的有关规定:GB/T 8163中10、20号钢和Q345D钢管的使用规定如下:设计压力不大于4.0 MPa;10、20号钢和Q345D钢管的使用温度下限应为-10 ℃、0 ℃和-20 ℃;钢管壁厚不大于10 mm;不得用于毒性程度为极度或高度危害的介质；不得用于换热管[17]。

从GB 150.2—2011的规定可以看出以下两点。

1)GB 150.2—2011对GB/T 8163的10、20号钢的使用限制是依据2008年版的标准,该版采标的标准是EN 10216.1—2004,GB 150.2—2011对10、20号钢使用限制的内容应该是常温、带压的流体介质,且是无严重毒性的。

2)GB 50349—2015对GB/T 8163的无缝钢管使用限制与GB 150.2—2011一致,其他压力管道设计规范的规定与GB 150.2—2011的规定相差较远或无明确规定。

2.5 分析

1)GB/T 8163规定的无缝钢管自该标准颁布以来的30多年逐渐在压力管道领域得到了较广泛的使用,无缝钢管的性能和质量也在不断提高,但是由于该标准的无缝钢管性能和质量尚有待进一步提高,且标准在规定“适用范围”上不够明晰,有的压力管道设计标准对该标准无缝钢管的使用条件限制规定不明确,且标准间的部分差异较大,在工程设计上使用该标准无缝钢管时可能会造成潜在的安全隐患。因此,对该标准无缝钢管使用条件有必要进行探讨与论证。

2)GB/T 8163无缝钢管的适用范围在标准编制时应有定位,并应在标准第一章中予以明确,这是该标准存在的较大缺陷,中国已有的非合金钢无缝钢管标准均明确了使用范围,而且在标准名称中就予以明确。如:GB 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》、GB 6479—2013《高压化肥设备用无缝钢管》、GB 3087—2008《低中压锅炉用无缝钢管》、GB 8163—2018《输送流体用无缝钢管》、GB 9948—2008《石油裂化用无缝钢管》、GB 18248—2008《气瓶用无缝钢管》、GB 18948—2016《低温管道用无缝钢管》。

3) GB/T 8163中的10、20号钢无缝钢管的使用条件应以采标标准EN 10216—1:2004对应钢号确定,对于无采标标准的Q345、Q390等钢号的使用条件编制说明应给予说明,以供采用无缝钢管的工程设计人员参考。

3 无缝钢管标准的对比分析

天然气集输管道工程应该如何选用无缝钢管,需通过对无缝钢管标准的对比分析,结合工程设计条件和环境条件进行确定。所以对无缝钢管标准技术要求进行对比分析是必要的,GB 6479—2013、GB 5310—2017、GB/T 8163—2018常用无缝钢管钢号技术要求的差异,主要表现在化学成分中磷、硫含量、钢管制造方法、交货状态、力学性能、断后伸长率A、冲击试验、非金属夹杂物等方面[18-19],见表5。

表5 常用无缝钢管钢号技术要求对比表Tab.5 Technical requirements comparison of frequently used seamless steel pipe numbers

对比分析如下。

1)GB/T 8163—2018的20号钢无缝钢管从化学成分、有害元素含量、钢的制造方法、交货状态、塑性和韧性、非金属夹杂物含量和定级方面，均较同强度等级的GB 6479—2013和GB 5310—2017无缝钢管在性能和质量上低,这些差异对钢管质量的危害性详见本文前述。

2)GB 6479—2013和GB 5310—2017的20和20 G钢无缝钢管在保证其高品质的化学成分、制造方法和力学性能等方面具有相同的技术要求外,又有其各自不同的特性要求。GB 6479—2013的20号钢无缝钢管具有低温冲击韧性性能,可以用于低温-20 ℃(10号钢可用于-30 ℃低温)的工况下；GB 5310—2017的20 G钢则具有高温性能,因为高压锅炉的工况是高温高压,所以具备高温力学性能和10×104h的持久强度及对全脱碳层的要求,这些都是高温性能的技术要求,这些性能在标准中规定且必须达到的。

3)天然气集输管道工程的使用条件一般是高中压和常温或低温工况,天然气属于易燃且具爆炸性的介质,在气田集输工程中的天然气一般还具有较严重的腐蚀性,选择无缝钢管标准时,GB/T 8163—2018的20号钢无缝钢管显然不适合于高压或较高压力或低温的工况下使用,GB 5310—2017的20 G钢无缝钢管具备高温高压使用的性能,但是不具备低于0 ℃以下的性能。因此如果选用20 G钢,则存在浪费其高温性能,而低温性能可能略显不足的问题;GB 6479—2013的20号无缝钢管则从设计压力和设计温度及质量上适合天然气集输管道工程的工况,因此一般情况下,应该首选GB 6479—2013的20号钢的无缝钢管。

4 对GB/T 9711—2017无缝钢管的分析

4.1 PSL1和PSL2的主要差别

GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》是专门用于油气输送管道工程的钢管,包括无缝钢管和焊接钢管。它是根据ISO 3183:2012《石油天然气工业管线输送系统用钢管》(以下简称ISO 3183)和API SPEC 5 L第45版《管线钢管规范》(以下简称API SPEC 5 L)编制的。它包含两种产品规范水平(PSL1和PSL2),PSL2无缝钢管与PSL1无缝钢管不仅在磷、硫含量及其他方面有较大差异,而在性能上最大区别是PSL2要求对管体进行0 ℃或协议规定较低温度的夏比V形缺口冲击试验,符合标准规定的冲击功值,而PSL1则无此要求。

夏比V形缺口冲击试验是无缝钢管不发生脆性断裂或延性断裂扩展很重要的指标。笔者曾经亲历一项管道工程中对GB/T 9711的PSL1无缝钢管作夏比V形缺口冲击试验,各个规格的钢管冲击功值在常温试验温度下都很低,说明现在天然气集输管道工程中不采用PSL1级的无缝钢管正确。

4.2 PSL2无缝钢管应补充技术要求

GB/T 9711标准自颁布以来,逐渐在油气管道工程中得到推广使用,虽然ISO 3183和API SPEC 5 L钢管标准在内容上是一个完整的标准体系,但在两个方面与中国国情不同。一是由于这两个标准在国外应用中均与输气管道工程设计规范配套使用,且有着完整的引用标准、规范体系。ISO 3183配套输气管道工程设计规范是ISO 13623《石油天然气工业管道输送系统》,API SPEC 5 L 配套输气管道工程设计规范是AEME B 31.8《输气和配气管道系统》。二是这两个钢管标准均有成体系的原料钢和管坯冶炼、制造及钢管性能和质量检验标准配套,和与之相适应的钢管生产体系。但是我们采标过来的仅是单独的钢管标准,而非完整的标准体系采标,钢管生产体系不同,因此,按这两个标准编制的GB/T 9711—2017标准在使用过程中必须根据中国工程的实际现状补充技术要求,完善钢管的制造和检验要求,这种做法已经在大型输气管道工程中得到了成功的应用。

在天然气集输管道工程中，对GB/T 9711—2017标准中规定的无缝钢管，应予以补充的技术要求至少应包含以下内容,特别是在受环境温度影响严重的低温地区和高含硫天然气的工况下更有必要做以下补充要求。

1)制造方法方面,钢的冶炼应经炉外精炼并加真空脱气;管坯检验标准。

2)材料方面,碳当量值的调整;对非金属夹杂物级别限定;对晶粒度的规定;对带状组织评定(经调质热处理的无缝钢管中的索氏体带状组织,目前存在评定标准不确定的问题(6))。

3)管体的夏比V形缺口冲击试验的试验温度及冲击功的合格值,必要时应进行系列温度下的冲击试验,以确定钢管韧脆转变温度。

4)落锤撕裂试验。

5)检验频次。

5 结论

天然气集输管道工程可以选用的无缝钢管标准,在使用时应根据其性能和质量,再结合工程设计条件及环境条件区别对待,以确保工程的长期安全运行。

1)GB/T 8163—2018中的20号钢无缝钢管只宜用于常温条件下,且设计压力低于4.0 MPa的管道工程中,建议设计压力不大于2.5 MPa。建议GB/T 8163—2018修订再版时,适用范围应作明确表述。

2)GB 6479—2013和GB 5310—2017的钢管，应优先选用GB 6479—2013的无缝钢管,如果要采用GB 5310—2017的无缝钢管,应根据设计参数和环境最低温度决定是否补充要求作低温夏比V形缺口冲击试验,并确定其合格值。

3)GB/T 9711—2017的无缝钢管在使用时,应根据工程的设计条件和环境温度条件,对标准进行必要的技术要求补充,天然气集输管道工程不应采用PSL1规范水平的无缝钢管。