吉玲康，董 瑾

(1.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)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2. 西安石油大學(xué)期刊中心 陜西 西安 710065)

0 引 言

Nord Stream管道(以下簡稱北溪管道)項目是從俄羅斯的維堡(Vyborg)經(jīng)波羅的海到德國的格里夫斯瓦爾德(Greifswald)的天然氣輸送管道。該管道由2條直徑為48 in(外徑1 219 mm，內(nèi)徑1 153 mm)的平行管道組成，每條管道長1 223 km。該管道系統(tǒng)每年可輸送天然氣550×108m3，全線采用分段設(shè)計方法，設(shè)計工作壓力分別為22、20和17.75 MPa，節(jié)省了超過30×104t鋼材。線路鋼管鋼級為L485，壁厚為26.8～41.0 mm。北溪-I管道從2010年4月開工建設(shè)。第1條管道于2011年底完工，第2條于2012年底完工[1]。

感應(yīng)加熱彎管是除線路直管外重要的管材類型，經(jīng)過認(rèn)真考察和研究，最終德國繆爾海姆的Salzgitter Mannesmann Grobblech GmbH(MGB)贏得了向北溪-I項目供應(yīng)38個大直徑彎管的合同。生產(chǎn)結(jié)果表明，各項性能指標(biāo)和尺寸公差均達(dá)到要求。本文將對這些彎管的技術(shù)要求、生產(chǎn)情況和質(zhì)量水平等進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 感應(yīng)加熱彎管的技術(shù)要求

北溪-I項目彎管情況見表1，材料等級為L485和L450，材料強度高，低溫下延展性好。由于設(shè)計壓力高、壁厚大，所有彎管均規(guī)定感應(yīng)加熱彎制后必須經(jīng)過整體淬火和回火，并具有嚴(yán)格的幾何尺寸公差。

表1 北溪-I項目 38個大直徑彎管的詳細(xì)情況

德國接收站需要10個48 in彎管。表1中列出的28 in和38 in彎管安裝在俄羅斯海岸的壓氣站附近和德國一側(cè)的接收站附近。由于它們應(yīng)用條件有差異，必須遵守不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和試驗要求，如表1和表2所示。為滿足低溫試驗要求，彎管由直縫埋弧焊(LSAW)母管制成，由Eisenbau Kr?mer(EBK)制管廠生產(chǎn)，該公司還為北溪-I項目提供48 in×41 mm 的止屈器。

表2 北溪-I彎管母管尺寸和制造標(biāo)準(zhǔn)[2]

28 in和38 in彎管采用L 485級材料制造，與管線管相同等級。但對于48 in彎管，要求降低到L 450級，原因是為了在彎曲后整體淬火回火熱處理期間保持適當(dāng)?shù)膸缀畏€(wěn)定性而增加了壁厚。其實，如果考慮干線和相鄰管線管道尺寸的運行條件，48 in×34 mm壁厚的母管制成的L 485級材料的48 in彎管就足夠了，但由于在感應(yīng)加熱的奧氏體化過程中，較大的徑厚比會使彎管有變形和塌陷的風(fēng)險，因此這些母管的壁厚增加到最小38.0 mm，而其強度等級降低至L 450級。

表3列出了北溪-I項目不同規(guī)格彎管的基本力學(xué)性能要求。其中，沖擊試驗溫度根據(jù)服役條件確定，例如俄羅斯一側(cè)壓氣站28 in彎管的測試溫度為-38 ℃，德國一側(cè)38 in彎管的測試溫度為-25 ℃。

表3 北溪-I項目彎管拉伸和韌性性能要求

2 感應(yīng)加熱彎管成分設(shè)計、生產(chǎn)工藝及質(zhì)量水平

2.1 成分設(shè)計

為了在感應(yīng)加熱并彎曲加工后達(dá)到所需的強度，選擇碳當(dāng)量CEIIW為0.42、含0.09%C、1.5%Mn、Mo及Nb、V微合金化的熱機械控制工藝(TMCP)生產(chǎn)的厚板作為彎管的原材料。

釩微合金化會在回火過程中產(chǎn)生析出強化作用。釩是非常有效的，特別是在熱感應(yīng)彎曲加工中，因為它在奧氏體化過程中具有足夠的溶解度，并且在回火過程中在納米范圍內(nèi)形成細(xì)小的沉淀[3]。另一方面，鈮在奧氏體中的溶解度較低，但在厚板材料的熱機械軋制過程中起著重要作用，它降低了軋制道次之間可能再結(jié)晶的溫度范圍。在可能再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，奧氏體的變形會導(dǎo)致奧氏體晶粒的凝固和強化。這有助于在轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或貝氏體的過程中細(xì)化組織[4]。北溪-I管道項目的不同尺寸彎管都是用這種化學(xué)成分制造的。

2.2 熱處理工藝和顯微組織

彎曲后的熱處理包括在910 ℃下奧氏體化50～60 min，然后在600～650 ℃下回火90 min。根據(jù)彎管尺寸的不同，熱處理參數(shù)也有微小差異。在熱處理過程中，所有彎管都從內(nèi)部用支撐固定，以避免壓扁。由于直徑48 in的 90°彎管的外形尺寸為10 200 mm長，3 200 mm寬，其尺寸已經(jīng)超過目前已有的淬火可用托架，所以必須進(jìn)行設(shè)備改造，同時還必須選擇可用的熱處理爐[2]。

圖2顯示了北溪項目48 in彎管從天然氣加熱爐到淬火槽的轉(zhuǎn)移過程。由于包括支柱在內(nèi)的一個90°彎管的實際重量約為13 t，加上用于轉(zhuǎn)移至淬火池的C形鉤和托盤的重量，必須對彎管廠的起重機的能力進(jìn)行升級。

圖2 北溪項目48 in彎管從熱處理爐轉(zhuǎn)移到淬火槽過程(MGB彎管廠)

熱處理對母材組織的影響如圖3所示。母管的顯微組織以鐵素體為主，另外還有少量珠光體和貝氏體島，這是典型的熱機械加工和空冷的組織類型。然而，在淬火和回火后(調(diào)質(zhì)處理)，顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻呢愂象w。

圖3 母管(左)和調(diào)質(zhì)處理后(右)彎管母材的顯微組織

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 拉伸性能

在最終熱處理條件下，使用橫向條狀試樣測量彎管的拉伸性能。彎管內(nèi)弧、外弧、直管段和母管的拉伸試驗結(jié)果對比情況如圖4所示。

圖4 彎管和母管的母材屈服強度和抗拉強度對比

結(jié)果表明，彎管的屈服強度在545～570 MPa之間，抗拉強度在640～690 MPa之間。使用該種成分設(shè)計可以達(dá)到強度要求，而且可以達(dá)到母管的強度水平甚至更高。這主要是因為熱處理后釩碳氮化物沉淀硬化的強化貢獻(xiàn)比軋制條件高；另一個原因是淬火促進(jìn)了細(xì)晶貝氏體組織的形成。48 in彎管的屈服強度和抗拉強度與28 in和38 in彎管的屈服強度和抗拉強度處于同一水平，這表明即使強度要求較低，其也可以保持X70(L485)的強度水平。圖5為彎管直管段、彎弧處的橫向焊縫拉伸試驗結(jié)果與母管焊縫拉伸試驗結(jié)果的對比情況。結(jié)果表明，所有試驗結(jié)果均達(dá)到了L485(X70)和L450(X65)的抗拉強度570 MPa和535 MPa的要求，并斷于母材。

圖5 彎管與母管的焊接接頭抗拉強度對比

2.3.2 沖擊性能

彎管母材的韌性試驗結(jié)果如圖6所示，可見，包括彎管內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)、直管段的母材沖擊韌性均和母管處于同一水平，甚至略高，且平均值都在100 J以上，遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 彎管內(nèi)、外弧和直管段的母材平均CVN沖擊韌性和母管的對比

彎管的整體調(diào)質(zhì)熱處理使熱影響區(qū)(HAZ)的韌性達(dá)到母材的水平[5-6]。這對母管的HAZ韌性來說是非常有意義的。圖7為48 in試驗彎管的彎曲部位的焊縫金屬(WM)、熔合線(FL)、FL+2和FL+5沖擊試驗結(jié)果，可見彎曲部位的焊縫、熱影響區(qū)沖擊韌性高于母管母材沖擊韌性。

圖7 48 in彎管彎曲位置焊縫/熱影響區(qū)-35 ℃時的平均CVN沖擊能量與母管母材的對比

2.3.3 硬度

用維氏硬度計測定了母材和焊縫金屬的硬度分布。母材和焊縫區(qū)的最大允許硬度分別為260 HV10和270 HV10。圖8所示為48 in彎管從彎曲位置獲得的焊縫橫截面的硬度分布情況，所有測量值都低于規(guī)定的最高水平。圖9所示為其橫截面的宏觀形貌。

圖8 48 in彎管彎曲位置焊縫的硬度分布

圖9 48 in彎管整體調(diào)質(zhì)處理后多道次焊縫的宏觀截面圖

3 幾個問題的思考

北溪-I天然氣管道成功進(jìn)行了38個高鋼級大口徑彎管的設(shè)計、制造和使用，其中的一些做法值得借鑒。

1)該管道直徑分別為28 in和38 in的彎管直接采用L485級材料交付，48 in彎管為保證熱處理期間保持幾何穩(wěn)定性而采用了增大壁厚，降低鋼級到L450的方法。也就是說在同一管道工程中，根據(jù)不同的服役條件，可以采用不同鋼級管材進(jìn)行設(shè)計和制造，其目的是為了更好地滿足管道的安全可靠性。我國中緬管線也采用了這種設(shè)計理念，中緬管線的主干線采用的是X80鋼級鋼管，但在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)為了保證鋼管具有更好的應(yīng)變能力，采用了加大壁厚的X70大應(yīng)變鋼管。

2)該管道的3種規(guī)格彎管均采用相同成分體系的TMCP厚壁鋼管作為原材料，采用感應(yīng)加熱后整體淬火+回火熱處理的工藝路線，彎管的力學(xué)性能均滿足訂貨標(biāo)準(zhǔn)要求。這種熱處理方式可以很好地實現(xiàn)對彎管成分、組織、性能的控制，整體均勻性優(yōu)異。但和我國大部分彎管廠采用的感應(yīng)加熱淬火方法相比，設(shè)備、制造過程成本更高，占地面積也更大。

3)該管道所使用的3個規(guī)格的彎管分別采用了ISO 3183、EN 10208-2、DNV-OS-F101 3個不同的標(biāo)準(zhǔn)，其強度、韌性的要求和試驗方法等都有所不同。這種做法可能是由于該管道是一條國際管道，不同國家的標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一造成的。這顯然會給管材的制造、使用、甚至將來的完整性評估等帶來困難。

4)該管道采用48 in大口徑管道且在高設(shè)計壓力下進(jìn)行輸送，因此對所有管材均提出了嚴(yán)格的要求，同時對各供應(yīng)商進(jìn)行資格預(yù)審，對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督制造，確保所有部件都達(dá)到高質(zhì)量要求。