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技术利器为中俄东线管道“脱棉袄”

管道局低温管件研发纪实

  9月25日,中俄东线天然气管道(黑河—长岭)施工现场一派繁忙景象,各单位为实现全线贯通做最后的准备。笔者看到站场内一排排钢管整齐地架设在空中,其中有首次采用的低温环境(零下45摄氏度)用D1422 X80管件。该管件由管道工程有限公司牵头研制,新产品的应用代表了我国长输管道管件的最高水平。

  打破传统

  是能源合作更是技术较量

  中俄东线(黑河—长岭)途经我国北方严寒地区,冬季气温最低可达零下45摄氏度,这对工程建设人员来说是一种考验,对站场内管件的低温性能更是一种考验。设计人员采用站内保温或电伴热的方案,就像是给管道穿上了一件“棉袄”,以保证管道安全过冬。后来在运行阶段,发现这种方法容易出现诸如保温层脱落、管道腐蚀、保温层进水、电伴热引发火灾等问题。

  四年前,随着中俄东线可研方案的启动,针对中俄东线工程能否“脱棉袄”的问题,集团公司专家组展开了激烈研讨。中俄东线工程俄罗斯境内段采用非保温的方案,他们的X70管件能够承受零下45摄氏度的低温,而当时国内高强度、大口径管件的加工制造能力,从尺寸规格到低温韧性方面都无法满足中俄东线天然气管道工程非保温的需求。这条中俄能源合作的管道不仅是一条能源输送管道,更是技术实力的比拼。

  为确保管道的本质安全,最终专家组确定了采用“非保温”方案,成立“中俄东线站场低温环境(零下45摄氏度)用D1422 X80管件研制”课题组,由管道设计院牵头,开展站场低温三通管件和弯管产品的自主研发。

  找准瓶颈

  轮番实验终获成功

  解决站场管件低温韧性的问题,关键是低温断裂控制指标的确定。国际上对于这项指标的确定存在较大差异,也存在一系列的世界性难题:站内管件断裂形式如何控制,低温韧性评价方法如何选择,低温韧性评价指标如何确定,试验温度与设计温度的关系如何考虑等。针对这一系列难题,课题组进行了断裂控制理论研究、以往工程管件实物水平调研、国内外站内管件设计标准对比和基于失效评估方法的断裂韧性计算等探索。经过十几轮的研讨分析,课题组最终确定了中俄东线站场低温环境管件的低温断裂控制原则和指标,形成了中俄东线低温环境下站场管材、管件技术条件系列标准,为世界天然气管道工程低温(零下45摄氏度)管件的设计树立了标杆。

  低温管件的共性问题解决了,课题组看到了希望,然而具体到其中的三通管件产品研发,一个又一个难题接踵而至。

  首先摆在课题组面前的就是大开孔率热挤压三通的结构设计问题。管件中三通的制造难度最大,三通结构由于开孔破坏了管件的连续性和整体性,需要进行开孔补强设计。课题组联合清华大学,采用极限分析设计方法,完成了三通的结构设计。为验证三通结构及实际工况下的可靠性,课题组在国内首次采用工艺管道壁厚接管,对小批量试制X80三通进行爆破试验及应力测试,并采用扫描三通模型,完成基于极限载荷的三通爆破应力及爆破压力有限元计算。极限分析设计方法在确保三通制造能力的同时,也保证了三通结构的强度安全。

  为了保证三通的壁厚中心低温性能稳定性,课题组联合钢厂、试制单位,对化学成分设计及元素控制、专用焊材开发、焊接工艺优化等进行全过程研究。经过14轮次的焊材开发、80轮次的焊接及热处理工艺优化和2次小批量试制,最终设计出低温(零下45摄氏度) X80壁厚三通母材化学成分,开发出了低温焊材及配套焊接工艺。这也是国内首次开发出站场低温环境(零下45摄氏度)用管件产品。

  瞄准关键

  弯管研发成功实现工程应用

  三通管件研发成功,接下来要解决的是弯管产品研发问题。热煨弯管受中频感应加热工艺的影响壁厚方向温度成梯度变化,低温韧性对温度极其敏感。研发过程中课题组发现弯管壁厚方向低温韧性波动较大,而这是传统低钢级弯管不存在的问题。课题组在国际上首次提出在技术条件中增加弯管焊缝内、外表面的检测要求。为保证性能稳定,经过多轮试制和优化,课题组将弯管传统的多丝单道焊工艺调整为单丝多道焊工艺。针对新工艺,他们多次优化焊材成分,调整焊接及热处理工艺,最终解决了X80弯管低温韧性不稳定的问题,完成了中俄东线现场低温环境(零下45摄氏度)用X80弯管的研发,并实现了首次工程应用。

  低温大口径、高钢级管件的国产化,为中俄东线工程建设的顺利开展提供了技术支撑和物资保障。同时,高寒地区地上管件非保温使用条件下的应用问题终于得到了解决。这项技术未来也将在中俄东线(长岭—永清)、西四线等国家能源动脉上推广使用。

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  为我国高寒地区管道建设打下坚实基础

  中俄东线天然气管道工程(黑河—长岭)途经我国东北高寒冻土地区,这就要求地上钢管、弯管的最低耐寒设计金属温度要达到零下45摄氏度。

  此前,国内钢管、弯管产品以及管道现场焊接技术还不能覆盖到零下45摄氏度,无法满足中俄东线的建设需求。因此,有必要开发出满足中俄东线设计条件的低温钢管、弯管产品和管道现场焊接工艺。2016年1月,集团公司组织相关单位启动课题研究,通过3年的努力,形成了站场用低温钢管、感应加热弯管及三通管件相关技术条件,开发出站场低温环境用D1422 X80钢管、感应加热弯管新产品及管道现场焊接工艺。三通母材成分设计、焊接及热加工工艺,为我国今后高寒地区管道建设打下了坚实基础。

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