石油天然气输送钢管是高新技术产品及其发展方向.doc

石油天然气输送钢管是高新技术产品及其发展方向彭在美(上海中油天宝钢管有限公司，上海 201114)摘要：原国家经贸委确定石油天然气输送钢管是国家高新技术产品。从输油气工程、板带的冶炼及轧制水平、管线管的制管技术等方面加以阐述，各个焊管企业应做出努力，不辜负高新技术产品的荣誉。关键词：石油天然气输送钢管；输送油气工程；板带材冶炼及控轧技术；制管技术；发展方向中图分类号：U1371 文献标识码：B 文章编号：1004-9614(2003)06-0011-041 引言 原国家经济贸易委员会于2000年8月31日发布第7号令，公布国家高新技术产品目录，国家重点鼓励发展的产业、产品和技术共28个领域，526种产品和技术，其中第8个领域第2和第3种产品和技术 是：原油和成品油输送管、天然气输送管。在向主管部门提出高新技术产品申请，做有关内容的报告和陈述时，可以从输油气工程的要求，焊管原料板、带材的冶炼及轧制水平和管线管制管技术等3个方面来加以说明。 2 现代输送油气工程对焊管的技术要求 21 中国石油的严峻形势与管道输送的迅速发展 从1993年成为石油净进口国以来，中国现在每年的石油进口已达7 000多万t，据预测，2005年达到1亿t，到2020年可超过日本目前25亿t的水平，成为世界第一大油品进口国。国际能源机构评估，2030年中国石油的净进口将从现在的每天200万桶(约27万t)增加到每天980万桶(约135万t)。这种严峻的形势，足以说明输送油气管道在我国经济发展战略上的重要性。 22 油气工程对输送管道的要求 管道输送是石油天然气最经济、最合理的运输方式。目前全世界石油、天然气管线的总长约2.7106km，并以41045104kma的速度增加。随着石油工业的发展，油气长输送管线趋向大口径、高压力输送和海底管道厚壁化。例如，敷设于陆地上的长输管线直径为7621 422 mm，中距离管线直径为406812mm，海底管线直径为508762mm，输气管线管的屈服强度为420500 MPa(约相当于X60X70，X80X100尚处于试验阶段)，输油管线管的屈服强度为306450MPa(约相当于X52X65)；输气管线的工作压力为7.014.0MPa，输油管线的工作压力为5.09.0MPa.油气资源已逐渐分布在环境恶劣的偏远地区，例如中国的西气多在边疆荒漠地区；例如俄罗斯的天然气在西伯利亚(相当于前苏联天然气含量的34)，石油在阿拉斯加的北坡(相当于美国全部石油储量)。这两个地区均属高寒地区，气温有时低到80，或途经冻土带。因此，高压输送或严酷的环境对管线管从油气输送管的发展趋势、管线服役条件、主要失效形式和失效原因的综合评价，提出对管线管的主要性能要求是高强度、高韧性、可焊性和耐蚀性。其中难点和重点是高韧性。23 管线管技术要求的不断提高促进了管线钢的发展管线管技术要求日益严格，尤其是对韧性要求的提高，促进了管线钢在低合金高强度钢的基础上逐步发展起来，在钢的成分设计和冶炼、连铸、轧制工艺上采取了许多措施，例如产品中氧、氢、氮和硫的杂质形态和提高纯度的控制，低硫、高锰、加入微量合金元素，利用其沉淀强化原理生产出细晶粒、高强度、高冲击值和低韧脆转变温度的管线钢，从而自成体系。管线钢已成为低合金高强度和微合金钢领域内最富有活力、研究成果最多的一个重要分支。无论从研究过程，还是从应用现状来看，管线钢是集材料加工、成分设计、微观结构、性能使用等4大要素有机结构的典范。我国管道力学教授潘家华认为：长输管道用管材是钢材技术含量最高的，在一定程度上代表了一个国家的冶金工业水平。24 制管技术的不断提高与3个主要管型的发展油气输送钢管是板(带)经过深加工(压力加工、焊接、热处理、机加工、表面处理、无损检测等)而形成的较特殊的冶金产品，实质上应该属于机械产品的范畴。为了适应服役条件，钢管除化学成分、冶金质量、力学性能、残余应力、可焊性等有严格的要求外，对成品的几何形状和尺寸例如外径、内径、壁厚、圆度、直度等结构完整性都有严格的要求。按输送钢管按制管工艺不同可分为无缝钢管(S)(用于长输油气管的数量很少)；焊管有直缝高频焊管(ERW)、直缝埋弧焊管(LSAW)、螺旋埋弧焊管(SSAW)。(1)按焊接方式不同，直缝高频焊管分为感应焊和接触焊2种管型；带钢经过预弯、连续成型、焊接、热处理、定径后精成型等工序。(2)按成型方式不同，直缝埋弧焊管可分为UOE焊管：单张钢板在边缘预弯后，经U成型、O成型、内焊、外焊、机械冷扩径等工序；JCOE焊管：即按“JCOE”预焊、成型、焊接后经冷扩径等工序；HME焊管：由芯棒滚压法按“CCO”接等工序。(3)螺旋埋弧焊管带钢卷管时其前进方向与成型管中心有成型角(可调整)边成型边焊接，其焊缝成螺旋线。此工艺改进后将原料改为钢板，使成型与焊接分开，经预焊和精焊，焊后冷扩径。其焊接质量接近UOE管(目前国内尚无此工艺，是改进的方向)。由于其自身特点，以上各种管型适用于条件不同的油气长输管线工程，或同时用于某个工程的不同条件的地段(螺旋焊管限用于1类地区)。3 管线钢和管线管的发展水平管材是钢管质量的基础。管线钢作为一个系列，质量上均高于同钢级其他用途钢材的要求。管线钢主要要求具有足够的强度、韧性、良好的焊接性能和抗腐蚀的能力；并且有良好的表面质量、板型、尺寸公差等。管线钢的发展引领了低碳微合金高强钢的发展。31 强度强度主要是指钢管产品的“公称最低屈服强度(SMYS)”。如前所述，输气管线的屈服强度为420500 MPa(约相当于X60X70)。输气管线的工作压力一般为7.014.0 MPa；输油管线的屈服强度为360450 MPa(约相当于X52X65)，输油管线的工作压力一般为59 MPa除此而外，对屈服强度与抗拉强度的差值和比值也提出了要求，一般是分别规定为85时，管线一般不会发生脆性失稳扩张；(2)夏(CHARPY)V型缺口冲击试验。在最低操作温度下，油管道的夏比冲击功在(0.1 SMYS)J以上，气管道在(0.125MYS)J以上，则可控制延性失稳断裂。33 可焊性可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，施焊或优质焊缝的难易程度。钢材的可焊性一般用2种判别指标：一是影响可焊性的许多化学元素，以碳为主要影响，因而折合成碳当量(Ceq)来判别可焊性的优劣，一般碳当量为0.350.42。X60以上的钢材也可以用冷裂纹敏感系数户cm来判别，输油管线的户cm0.200.25，一般为0.25；输气管线的020。二是热影响区的硬度，它是衡量可焊性的另一指标。碳当量越高，冷却速度越快，则热影响区的硬度越高，从800到300的冷却速度影响热影响区的显微组织；冷却速度加大会使热影响区的硬度增加，组织变脆；从300到100的冷却速度影响焊接金属中氢的扩散，会降低热影响区的韧性和增加对裂纹的敏感性。一般焊缝与热影响区金属的宏观硬度不得超过HRC22或HV248。在确定ERW空冷段长度时，有的设计部门没有考虑上述冷却速度的控制，这是不适当的。由于空冷段长度占据了车间长度的一部分空间，当车间长度布局紧张时，有的设计者总想压缩空冷段的长度，这是不可取的。影响车间长度布局的主要因素是最大定尺长度，所以这一个基本参数要慎重研究，调查市场，妥善权衡，合理确定。有的文献推荐最大定尺长度1824 m，对ERW及I_SAW来说，认为值得商榷(SSAW定尺长度酌情增长)。34 抗腐蚀性高压输送天然气管线的腐蚀破坏主要有4种形式：应力腐蚀破坏(SCC)、硫化氢腐蚀、硫化物应力开裂(SSC)及氢致开裂(HIC)。为防止SCC，规定管线钢的硬度为HRC22或HV248；同时限制S的含量小于0.002，P的含量小于0.02，一般C的含量不大于0.1，Mn的含量不大于1.50，从而提高钢的纯净度，提高成分和组织的均匀性。在降低S含量的同时进行Ca处理，通过微合金化与控轧、控冷使晶粒细化，限制带状组织等。至于抗HIC，采取的措施与抗SCC有类似之处。35值得注意的几个方面3.5.1 输油管与输气管的板带技术性能的不同之处(1)合金钢系统上的不同高压输送管线中选用埋弧焊管型时，其板材分为钛系统、铌钒系统和超低碳针状铁素体3种系统，前2种就是传统的控轧珠光体和铁素体管线钢，用于输油钢管；后一种是控轧超低碳针状铁素体钢，主要用于低温和含有腐蚀性介质的输气管线。用于这种输气管线的钢材有3个主要特点：(1)低碳，通过热轧强制冷却到低温得到致密的针状铁素体；(2)含铜，以降低钢的HIC敏感性；(3)低硫，这是用钙处理的结果。具备这3个特点足以对抗H2S的腐蚀，而输油管线是不考虑抗H2S腐蚀的，因此，即使同一钢级的输油与输气钢材也应有所不同。(2)具体指标对比，如表1所示。表1 输油用钢板和输气用钢板指标对比钢板类型 元素含量C Mn P S NbVTi输油用钢板 0.1 1.5 0.02 0.01 0.12 输气用钢板 0.1 1.5 0.0150.0060.12 钢板类型 Ceq Pcm CVN（10）J CVN（20）J 平均值 单值 平均值 单值 输油用钢板 0.45 0.25 70 50输气用钢板 0.35 0.20 90 80352 直缝埋弧焊用钢与高频直缝焊用钢的不同之处国内外高压输油气管线管领域可用2种直缝焊管，即直缝埋弧焊管(LSAW)和直缝高频焊管(ERW)，前者用钢板(steelplate)制造，后者用热带(steelcoil)制造，这2种钢有所不同。埋弧焊的焊接功率较高(50kJcm)，而高频焊的焊接功率则低很多。由于钢板与钢带生产工艺不同，LSAW与ERW焊接工艺也不同，故所用的管线钢不应相同。353 螺旋埋弧焊(SSAW)与高频直缝焊(ERW)所用带钢有所区别。螺旋埋弧焊(SSAW)与高频直缝焊(ERW)在焊接工艺上有所不同，前者(SSAW)是一种中等热功率输入(10kJcm)的埋弧焊接方式，后者(ERW)热输入功率较少，焊后又做高频正火工艺，因此同是带钢，但钢种应有所区别。日本认为：对X42X52钢级的带钢来说；SSAW和ERW可以通用；但对X60XT0强度级管来说，SSAW与ERW则需要分别有专用带钢标准，应专门制定ERW专用管线钢标准；而且，日本认为SSAW所用带钢在输油与输气方面标准也不相同。354 因地制宜选择输气管线用钢，不可“功能过剩”从总体上来说，对输气管线应有较严格的技术条件，但具体工程要具体分析。在确保工艺与管道安全运行的前提下，提出对钢管质量恰如其分的技术要求，绝不是指标越高越先进、越好，要考虑性价比。输气管道是一个包括钢管本体、对接环形焊缝(口)以及弯道、弯头等管体组成的管系整体，单一提高管子本身的韧性要求，达不到“等强度匹配”原则，使管子本身“功能过剩”，也失去了技术上、经济上的意义。从更广泛的角度来看，还有一个涂敷防腐层(内外防腐)功能的匹配问题。四川气田抗S管选用1245级钢级(相当于B级)按20号钢配置其化学成分，实践证明抗SCC效果非常好。四川石油管理局西南油气田分公司在运用国际标准中创造性地结合四川气田的实际，作了一些化学成分上的调整，即大体上在国际标准的框架内，但又不拘泥于有关对应的规定值，(引自金裕方关于天然气输送钢管选用条件的几个问题)这值得钢管界同仁引起重视。36 中国在管线管的科研开发和生产应用领域达到国际先进水平从20世纪70年代开始，我国陆续建设长距离和中长距离输送原油、天然气和成品油管线，至今有高压输送原油管线1.0X104 km，天然气管线约1.0X104 km，成品油管线约5.0X103 km，城市燃气管道总长度1.4X105 km到2010年我国长输管线的发展计划将由目前的2.0X104 km增加到1.0X105 km以上，2005年新建城市管线计划将达到1.4X105 km左右。至于管线用板卷，从20世纪50年代到70年代，主要采取鞍钢等厂家生产的A3、16Mn，到20世纪70年代以后和80年代，则采用日本TS52K(X52)；到20世纪90年代管线钢国产化开始起步，上海宝钢、武钢等开始生产X52-X65级管线管板卷，但UOE钢管仍从日、美进口。直到21世纪初“西气东输”工程启动，宝钢、武钢、鞍钢、攀钢等企业成批量生产出XTO级热轧板卷，舞钢生产出X70级宽厚钢板。我国2003年计划开发X80级管线钢。管线钢及管线管国产化水平正在接近或达到国际先进水平。1999年，广州番禺珠江钢管有限公司在国内率先引进HME大口径直缝埋弧焊管生产线；2000年，第一家引进美国UOE生产线投产成功，并于2002年在海南岛沿海管线国际招标与日、德外商竞争中中标；为北京国家大剧院建筑试制耐火耐候用UOE钢管(508mm)并生产成功。“西气东输工程”X70级用管182万t，约100万t为螺旋管，从热带到制管全部国产化；82万tLSAW管中13为国产JCOE钢管，舞阳钢铁公司近期提供XTO级宽厚板达到2万t以上。华北巨龙钢管公司为“西气东输212程生产JCOE钢管达10万t，达到了国际先进水平；华油钢管、辽阳钢管、宝鸡钢管等石油系统焊管厂为“西气东输”工程生产了数十万t螺线管，使国产SSAW管提升到一个新水平。当然，还要看到与其他技术先进的国家在管线管生产上的差距，主要有2点：(1)“西气东输”工程中82万tLSAW管有23从国外引进UOE管。这有2个方面的原因，一是XT0级管线板的品种质量尚待进一步开发，二是JCOE制管方式与UOE制管方式相比，仍有差距。因此，宝钢新建5m宽厚板轧机及引进UOE高水平制管生产线很有必要。(2)国内大多数管线用管的直径多在300600 mm之间，国外在这个领域用ERW直缝焊管较多，国内ERW610机组的建设虽在起步阶段，但已有几家同时在上。ERW管为油气输送管线3大主力管型之一，即UOE、ERW及SSAW 3种钢管。世界UOE机组的大部分是于20世纪8090年代建成投产的，而ERW机组是近10年来迅速发展起来的。日本比欧洲发展更迅猛。新日铁光制铁所、住友金属和歌山制铁所各有一条中508 ERW生产线，川崎知多制铁所、日本钢管京滨制铁所各有一条巾620 ERW焊管生产线。日本ERW焊管的产量已占日本钢管总产量的7075，而螺旋焊管已经很少(主要用于低压输送及钢管桩)。日本ERWd)610机组技术水平略高于欧美，尤其在无损检测方面，例如用“板探”代替“管探”，可以确保板带边部无分层缺陷，在线焊缝(包括热影响区)无损检测等技术也较完备，这是确保ERW管质量的重要因素。因此，日本非常推崇ERW管线管。据介绍，ERW钢管已成功地用于极地管线、海底管线和含酸介质管线。而国内在这方面还刚刚起步。国内有观点认为ERW钢管的焊缝处易出现灰斑(GREYSPOTORGREYFLAT)和沟状腐蚀(GROOVE CORROSION)等缺陷的问题，因而对ERW钢管的质量提出质疑。其实这2种缺陷的产生和防止办法均与钢的化学成分有关。防止灰斑产生的重要措施之一是控制Mn和Si含量比为45，并采用S含量小于0.003的纯净钢。控制沟状腐蚀的重要条件