ERW钢管在油气储运领域的应用和探讨

1、 ERW钢管在油气储运领域的应用和探讨上海埃力生钢管有限公司 孙永喜 本文提要： 通过无缝钢管（SML）、螺旋焊管（SAW）、高频直缝焊管（ERW）这三种常用油气储运的管材进行技术和标准的对比，同时探讨ERW钢管在高温和低温状态下运行性能，提出ERW焊管是油气储运领域中的产品性能先进、质量领先、较为经济的钢管，应成为油气储运领域的首选管材，尤其是石油、石化、成品油及天然气城市管网领域中应广泛应用。 一、国内外ERW钢管的技术发展进程 高频直缝焊管（ERW）是将热轧卷板经过成型机成型后，利用高频电流的集肤效应和邻近效应，使管坯边缘加热熔化，在挤压辊的作用下进行压力焊接来实现生产的。高频电阻焊方法

2、50年代开始应用于焊管生产。近十年来，其生产技术日趋完善，产品质量不断提高。首先是ERW生产所用原料的质量有了明显的改观，钢材成份设计中的低C，低P、S，微合金化；冶炼过程中的转炉冶炼、钢包精炼、真空脱气、连铸等新技术的采用；轧制过程中控制轧制、控制冷却技术的使用使得大中口径ERW钢管用热轧钢带的外观尺寸、外观质量、理化性能大幅度提高。代表我国热轧钢带最高水平的宝山钢铁公司所生产的管线用钢已达到美国石油协会API 5L标准的要求，处于国际领先水平。其次是大中口径ERW钢管成型焊接热处理等工序生产过程中实现了计算机自动控制，高频焊接过程中热输入能量随着计算机的自动补偿系统得到了有效的控制，防止了

3、焊接热输入能量偏低造成的冷焊、虚焊和热输入能量偏高而引起的过烧。中频热处理温度的控制使得热处理过程能够按工艺要求达到最佳效果，有效的保证了焊缝和热影响区的质量。此外，检测技术的进步，实现了在线或离线全焊缝超声波或涡流探险伤，水压试验也可以在计算机的监控下，按要求进行试压和稳压。ISO9000系列标准和APIQ1规范的推广和实施，使得大中口径ERW钢管生产、检验、销售和服务处于一个全过程的质量保证之中。近年来，各国都在积极研究用ERW钢管代替无缝管和螺旋焊管，在工业发达国家，直径在610mm以下，ERW所占比例已达到70%左右。 近十年来，日本的ERW焊管发展很快。新日铁光制铁所、住成金属和歌山

4、制铁所各有一条508 mm（20in）ERW焊管生产厂；川崎知多制铁所、日本钢管京滨制铁所各有一条609. mm(24in)ERW焊管生产线。目前ERW焊管的产量已经占日本钢管总产量的7075%.而螺旋缝埋弧焊管已经较少。 韩国ERW焊管起步早,发展快,已大量取代了无缝钢管。釜山钢管公司和现代钢管公司各有9条焊管生产线，其中8条是ERW焊管生产线，只有一条螺旋埋弧焊管订货越来越少。其主要原因是，用螺旋缝埋弧焊管建设的油气长输管线逐年减少，有些国家甚至不允许将螺旋缝埋弧焊管用在重要的油气长输管线上。如美国Amoco公司规定，不允许将螺旋缝埋弧焊管用于油气长输管线。 阿根廷Siat公司有一条RBE

5、直缝埋弧焊管生产线，两条ERW直缝管和一条螺旋缝埋弧焊管生产线。据Siat公司介绍，在阿根廷，螺旋缝埋弧焊管一般只用于输水及打桩。油气长输主干线均用RBE直缝埋弧焊管，部分支线采用ERRW焊管。 俄罗斯的塞维尔斯基制管厂（Seversky Tubeworks）有6条ERW焊管生产线，第1条生产线建于1962年，最新车间建于1993年，钢管管径632mm，1076mm，2076mm，20102mm，73219mm，102220mm，可根据要求生产镀锌钢管，年总产量92万吨。 美国的GENEVA STEEL、CSI TUBULAR PRODUCTS、IPSCO TUBULARS、LONE STAR

6、、NEWPORT STEEL、TUBACERO INTERNATIONAL及US STEEL TUBULAR PRODUCTS均有ERW焊管生产线。1 在我国，大中口径ERW钢管出现于八十年代末九十年代初，但发展异常迅猛，产品市场覆盖率越来越大，产品已进入石油、石化、天然气、建筑、电力、矿山、煤炭、城市管网，建筑结构等工业领域。 二、ERW与SAW、SML各项性能技术指标的对比注 1、ERW与SAW的对比 （1）由于SAW焊缝长度大约是ERW焊缝长度的4-5倍，其内焊瘤无工艺能力去除，因此在输送介质时不可避免地增加了管道内壁的摩阻。而ERW焊缝长度短，内焊瘤能去除，介质在管道内流动时，管道内壁

7、产生的摩阻相对螺旋缝埋弧焊钢管来说比较小，这对减少成品油输送时产生的混油量和降低摩阻产生的温升非常有利。 （2）根据残余应力测定结果表明，ERW焊管周向成型内应力较小，对于管材是有利的。对于SAW焊管，由于其焊缝区大，焊缝内应力有拉也有压，应力状态比ERW管复杂，这与螺旋焊管的成型工艺有关。内表面为弹复拉应力，轴向应力为+450Mpa，周向应力为+344 Mpa，这种在焊缝及热影响区内壁的大范围的拉应力将对内壁缺陷的启裂和应力腐蚀产生不利的影响。 （3）由于SAW焊缝长度大约是高频直缝管焊缝长度的4-5倍，成品管焊缝处理的防腐处理比较困难；ERW钢管具有焊缝短（与螺旋缝钢管相比），钢管壁厚均匀

8、、长度稳定、几何尺寸精度高、防腐及组装焊接的质量易保证。 2、ERW与SML的对比 （1）优越的管坯质量 ERW钢管的管坯与SML钢管的管坯相比化学成份的设计更为科学合理。 ERW专用钢种具有高纯净度的特点。通过脱S，脱P，脱气，Ca处理等方法使得S、P含量可控制在0.005%以下，N含量可控制在0.008%以下，夹杂物的形态可控制为球状，且其数量大为降低。C含量控制在0.1%以下，使得焊接包括施工过程的环焊具有好的焊接性能，而强度的增加则通过加入Nb、V、Ti等微量合金元素，来阻止奥氏体晶粒的长大， 同时增加间隙强化来提高钢材的韧性与强度。而SML钢管的管坯一般为A3、20号钢、16Mh等材

9、质，材料的纯净度较差，C含量较高，一般在0.2%左右，不利于施工中的环焊对接，强度尚可，但韧性较差。 ERW钢管管坯与SML钢管管坯的另一大区别是：前者是用热轧钢带冷轧成型制造的，而后者则是园钢在热轧状态下由穿孔成型的。显然，热轧状态下形成的SML管坯的晶粒度及组织的织密程度与ERW管坯相比有较大的差距，由此可引起的性能必然也有很大的不同。 （2）几何尺寸的优势 从图一、图二可以看出：无论从资料对比，还是资料中实测数据对比，ERW钢管都比SML的尺寸精度高。这是由于无缝管是园钢在热轧机组中连续穿孔成型的，而ERW钢管则是由钢带在冷轧状态下成型的。相比之下，ERW在外观尺寸方面的控制比SML更容

10、易实施。正因为如此，ERW钢管的外观质量缺陷较少，外观质量也优于SML钢管。 此外，由于电脑飞锯的使用，ERW钢管的定尺率及定尺长度的精度较高。由于ERW钢管是用轧制精度较高的热轧钢带制造，其厚度容易控制，可按设计要求生产壁厚较薄而钢级较高的钢管。如西气东输工程用管，经过几次反复论证，现基本确定用X70钢级，壁厚在14.7mm、1016mm钢管，钢级提高，壁厚下降，相对降低工程投资，大约50亿元左右。而无缝管的壁厚往往受到穿孔技术和生产成本的限制，薄壁钢管难度很高。 （3）ERW与SML标准的比较 流体输送用一般无缝热轧钢管，标准为GB8163-87，其规格为：外径32-630mm，壁厚为2.

11、5-75mm，钢号为10，20，09MnV，16M n。美国石油协会API 5L（41）标准适用于石油天然气输送用钢管，包括焊管和无缝管，其规格为外径10.32032.0mm，壁厚为1.7- 31.8mm，钢号为A25，A ，B ，X42，X46，X52，X56，X60，X65，X70，X80与之标准相类似的有ISO3183-96系列标准和97年11月发布，98年4月开始实施的GB/T9711-97系列标准。鉴于ISO、GB/T标准均源于API 5L（41）标准。因此将GB8163-87与API 5L（41）作以对比，如表1。 从表1中对比可以知道，两个标准的要求有以下特点： 1）GB8163

12、-87中规定的检验项目，API 5L（41）亦有相应要求，其指标完成能够满足这些项目的要求。GB8163-87中的10、20、09MnV和16Mn分别相当于API 5L（41）中的A、B级，X42级，X46级，X52级。 2）GB8163-87中的钢管的几何尺寸精度要求低于API 5L（41）。 3）GB8163-87和API 5L（41）对水压的要求程度有很大不同，前者明文规定可以用超声波或涡流代替水压，而后者则不然。这一点极为关键，因为水压检验是钢管极为重要的检验项目之一。并且，前者水压试验值的规定低于后者的要求，对于X42以下级别，ERW管标准水压试验值在不大于114.3mm时与GB81

13、63-87一致；大于114.3mm外径时，分别比无缝管要求高于15%和25%。 对于打压时的要苛刻，它要求水压机必须配备某种自动或连锁的强制性装置，记录保压曲线，保证稳压时间。 4）GB8163-87与API 5L（41）在无损检测方面的要求有很大的不同，前者检验项目中并没有明确规定须经无损检测，只是在水压检验项目下提到过用无损检验代替水压的说法；而后者则要求水压与无损检验项目同时进行。笔者认为，后者的规定更为科学和可靠，实践证明，无论ERW还是SML钢管，水压通过未必就说明管子没有内在的严重缺陷，而这种缺陷往往对钢管使用的寿命有很大的影响，成为客户关心的重点。另外，水压时的管端肓区也是缺陷的

14、高发地带。因此，API 5L（41）不仅同时要求水压和无损检验，而且要求在水压后对焊缝和管端肓区进行无损检测，以防止由于水压受力而引起的裂纹或缺陷扩展及管端缺陷漏检。 5）压扁试验从标准规定看，GB8163-87比API 5L（41）苛刻，而实际上ERW钢管的焊缝和母材的强韧匹配使得其在压合时往往不发生开裂，因此，ERW钢管的抗压扁性能并不比无缝管差。 （4）ERW与SML钢管实物质量对比。 经西安管材研究所和上海市技术监督局黑色金属检验站的质量检测，这里取两个规定B级2198.18和X52级323.96.4，及所收集到的国产TS/52K2196ERW管、国产20钢（相当于API B级或X42

15、级）1596、墨西哥产ST45（相当于API X52级）2196无缝管的测试数据对其化学成份、拉伸性能、压扁性能、冲击韧性、外观质量进行分类比较。 1、化学成份 类型材质、规格分析结果（0%） C Mn S i P S ERW (国产1) B 2198.180.06 0.83 0.20 0.014 0.008 (国产2)X52 323.96.40.09 1.06 0.25 0.012 0.003 (国产3)TS/52K21960.12 1.20 0.28 0.013 0.005 SML (墨)ST45 21960.19 0.78 0.28 0.011 0.017 (国产4)20 15960.2

16、1 0.56 0.15 0.026 0.034 表2 从表2中可以看出，五种钢管的成份全部满足API 5L（41）和GB8163-87之要求。ERW的成份设计是低C高Mn，而SML则是高C低Mn，显然前者的可焊性比后者更好，这对现场施工中环焊缝的焊接更为有利，同时ERW的钢质比SML有更高的纯净度。 2、机械性能 从表3可以看出： 1）拉伸性能均满足API 5L（41）和GB8163-87标准要求，且ERW和SML的抗拉伸性能相当。 2）从冲击性能可以明显发现，ERW钢管的韧性优于SML，特别是在低温条件下更甚。 3）压扁性能表明，三个ERW钢管压合时均未出现裂纹，而20钢无缝钢管出现微裂纹，

17、另一未裂，说明ERW钢管抗压扁性能较优。 3、外观尺寸工艺质量 钢管类型规 格 外径偏差（%） 壁厚偏差（%） 外观工艺质量ERW 219.16+0.41-0 +2.3-0 较好，内毛刺+0.8 2198.18+0.58-0 +0-3.6 较好，内毛刺+0.7 323.96.4+0.16-0 +1-2 好，内毛刺+0.4 SML 1596+0.13-0.60 +9.0-9.3 较差219.16+7.0-0.13 +8.7-0 较差表3 表3是对五种钢管几何尺寸和外观工艺质量的一个统计结果。可见： 1）外观尺寸和工艺质量均符合两个标准要求。 2）从产品实物测量结果看，ERW的外观几何尺寸和外表工

18、艺质量大大优于SML钢管。 三、ERW与SML钢管在价格上的比较 由于生产工艺先进和生产效率较高，ERW钢管生产成本要比无缝钢管低得多。在一般情况下ERW钢管每吨价格要比相同材质的无缝管低600-800元左右。以普钢ERW钢管为例，如Q235A、B或SS400，12”，323.98，每吨含税价在3500-3600元左右；又如管线钢系列，X42，12”，323.98，每吨含税价在4000-4100元左右，都比同类SML钢管价格上低得多。 四、ERW钢管适应温度范围问题的讨论 ERW直缝高频焊管按API-5L标准或按GB/T 9711.1-1997标准，这些标准没有特别说明ERW焊管适应温度范围，

19、兹讨论如下： 1、关于ERW焊管适应高温区范围：国外在高温高压下也用有缝管。有缝管与无缝管都是金属制品，如日本标准ISO只认定标准，不分有缝与无缝。 温度对金属变形的影响：在高温下，金属抵抗塑性变形的能力，一般都比低温时小，因此，温度愈高，金属的强度和硬度愈低，塑性和韧性愈高。 从金相学来看，金属热加工还是冷加工的温度界限，是以再结晶温度来区分的。凡是高于再结晶温度进行的压力加工叫热加工，低于再结晶温度进行的压力加工叫冷加工。钢铁要在600-700时加工，才算热加工，400时加工，还是冷加工。 温度对金属强度的影响： 国内有的文献指出：“400以下管材的许用应力值是以材料屈服极限、比例极限为基

20、础。长时间处于400以上高温时（如：35kg/cm2蒸汽）的管道，由于产生蠕变现象显著，许用应力是以蠕变强度为基础。各种规范的许用应力值都是以此为基础制定的。”2 从金属热处理一般知识可知： 当温度为200时，碳钢的屈服限非但没有降低，相反略有增加，所以，碳钢本体在250以下高温工作时，可以不必考虑温度对静强度的影响。 温度对于疲劳强度的影响碳钢在350400的高温度下，疲劳强度非但没有降低，反而上升。 从以上分析说明，国外高温高压条件下仍用有缝管是有科学依据的。国家有关标准的规定： 中华人民共和国国家标准GB1501998钢制压力容器4.2.3条“关于碳素钢镇静钢板的适用范围规定” 如下：

21、Q235A钢板：容器设计压力P1.0Mpa，钢板使用温度为0350，用于壳体时，钢板厚度不大于16mm。 中华人民共和国电力行业标准DL/T 50541996火力发电厂汽水管道设计技术规定常用国产钢材及其推荐使用温度见表4： 常用国产钢材及其推荐使用温度 钢类钢号推荐使用温度（）允许上限温度（）备注碳素结构钢Q235A.F Q235B.F 0200 250 GB700 Q235A Q235B Q235C 0300 350 GB700 Q235D -20300 350 GB700 优质碳素结构钢10 -20425 430 GB3087 20 -20425 430 GB3087 20G -2043

22、0 450 GB5310 普通低合金钢16Mng -40400 400 Gb713 合金钢15CrMo 510 550 Gb5310 12Cr1MoV 540555 570 GB5310 12Cr2MoWVTiB 540555 600 GB5310 12Cr3MoVSiTiB 540555 600 GB5310 表4 20G钢管，若要求使用寿命不超过20年，使用温度可提高至450，但使用期间应加强金属监督。 关于管线钢材料的ERW钢管可以参考有关合金钢管的温度范围。 2、关于ERW焊管适应低温范围： 从各国ERW管的生产情况来看，除具有生产率高、成本低、尺寸精度高之外，其焊缝的抗拉强度、延伸率

23、、断面收缩率、弯曲试验、常温冲击韧性值等均能满足有关规范的要求。但也有不少厂家生产的ERW钢管的焊缝低温韧性较差，从而限制了在低温状态下使用。 我国曾对由国外引进某厂材质为X46的355.6 ERW钢管进行了测试，其焊缝低温韧性如表5： 国外某厂X46 ERW钢管的FATT值规格x部位FATT/SA 50% SA 80% 355.6 焊缝母材-95 -20 -80 -3 表5 因此，参考表5，一般ERW焊管似可适应低温范围-10。3 解决ERW钢管焊缝低温韧性偏低的途径： 日本NKK制管厂生产X65级钢管焊缝FATT值，SA=50%时，FATT达-65；SA=80%时，FATT达-45。可以满

24、足输送丙烯（-48）及丙烷（-42）的要求。 优选母材FATT值：它们的做法是：对用于生产ERW钢管的原料，进行特殊脱S及Ca处理精练，从而得到纯净的具有低温韧性良好的材质。 表6列出NKK的X42、X52、X60、X70四种材质ERW钢管母材的FATT值，表中数据系用2/3尺寸夏氏冲击试验求得，取样方向为横向。 为取得优良的ERW钢管焊缝低温韧性，NKK选取的母材FATT值材质FATT/SA 50% SA 80% X42 -96 -60 X52 -95 -75 X60 -112 -95 X70 -128 -115 表6 由表6可以看出，母材的FATT值很低，虽然ERW管的焊缝超前于母材进入脆

25、性区，但因母材的FATT值很低，故焊缝的FATT值虽比母材的高，但仍能满足设计要求。当然这一切取决于用户或设计的要求，如最低设计温度较高，则焊缝的FATT值可与之相对应，从而对母材不必有过低的FATT值要求。 降低母材FATT值的措施如前所述，系采取特殊的脱S处理和Ca处理。从NKK的ERW管试样分析看，其S含量仅为0.001%，API 5L要求不大于0.050%，比规范要求低50倍；其P含量为0.005%，API 5L要求为不大于0.040%，比规范低8倍，但加入Nb等元素，Ca处理后，Ca含量为0.003%0.0032%。 优化电阻焊工艺： 热输入量、焊接速度、焊缝开口角等各因素均与焊缝处

26、的低温韧性有关，在这方面曾有人做过大量有益的工作。焊口两侧焊接面在成型过程中，相互靠近的速度应与由于金属融化而使焊口两个侧面分开的速度相近，如前者速度大则会出现冷焊，如后者速度大则会有较多异物侵入而造成FATT值上升，有文献推荐焊缝开口角以56为佳，焊接速度以20m/min为好，具体情况应具体分析，相信经过多次试验后可找出最佳焊接工艺，从而提高焊缝的低温韧性。 改善退（正）火处理工艺： 除退（正）火工艺外，热处理位置应与焊缝对中。如前所述，我们由国外某厂引进的几种规格的ERW钢管中，金相分析发现，某些试样有焊后热处理偏离焊缝熔合区的现象，这一现象肯定会对焊缝韧性有一定影响。有些试样偏离量达5m

27、m左右。 五、油气储运工程应推广使用ERW钢管 石化企业中油品储运系统的生产操作条件与生产装置相比，相对“温和”得多。其工作压力一般在2.5Mpa以下，个别情况可达4.0 Mpa；工作温度一般在100OC以下，最高不超过180 OC，只有在用1.0 Mpa蒸汽吹扫时，温度最高可达250 OC左右。各种油品一般无腐蚀或只有轻微腐蚀。油品储运生产操作如油品装卸、调和、输转等一般均为间断腐蚀。油品储运生产操作如油品装卸、调和、输转等一般均为间断操作，只有少数给生产装置供原料的机泵为连续操作。 石化企业油品储运系统的管材选用目前均按照行业标准石油化工企业管道设计器材选取用通则（SH3059-94）。该

28、规范中对电阻焊碳钢直缝钢管（ERW钢管）的选用规定：经冷扩扩胀率不超过1.5%外径的产品，宜用于设计温度不超过200 OC的管道，未经冷扩的钢管可用于设计温度不超过425 OC的管道。由此可以看出，在油品储运系统中可选用ERW钢管。但在实际设计工作中，各设计单位都有更具体的管材选用规定和一些习惯的做法。 由于历史条件的限制，在七八十年代国内尚无ERW钢管，只有能用于低压流体（如水、压缩空气等）的高频电焊钢管，即按国标低压流体输送用镀锌焊接钢管（GB3091）和低压流体输送用焊接钢管（GB3092）生产的焊接钢管。还有按行业标准承压流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管（SY5036）和承压流体输送用螺旋缝高频焊管（SY5038）生产的螺旋焊缝钢管。这种钢管一般只能用在设计压力不超过1.0Mpa的无毒介质管道。因此一般在油品储运系统设计中，不管实际生产操作条件如何，只能选用无缝钢管。长期以来各单位的具体管材选用规定中，均规定在一般情况下选用无缝钢管，只有在DN350时，可选用螺旋缝埋弧焊钢管（其主要原因是大口径无缝钢管当时需进口，价格昂贵）。有时为了与生