我国管材及制管工业的发展趋势

我国管材及制管工业的发展趋势我国管材及制管工业正处于快速发展的大好时期，是朝阳工业。在当前的大好形势下，我们必须以市场为导向，既看到近期的需求，更要看到远期，避免盲目性，把资金、技术力量用在刀刃上，决不能一哄而上。我国的管道工业在近十年必定处于快速发展的时期，这是由以下三个因素决定的：1、我国国民经济将会继续保持快速发展的势头，这是国内、外绝大多数经济专家所预测的；2、在经济快速发展的进程中，就像所有的发达国家一样，我国必定会经历一场能源结构的变，即以煤为主逐步转向以石油、天然气为主，而后者均是由管道运输的；3、成品油运输方式的转变。我国早期成品油几乎全部用火车运输，除军用的格拉管线外，成品油管线几乎为零。从安全考虑及经济效益的趋动，相信未来十年管道输送将全部代替火车运送成品油。经济发达国家在七十年代已逐步取消火车运送成品油，在这些国家的油管道中，就长度而言，成品油管道远远超过原油管道。在管道的建设投资中，钢管大致可占到30-40％左右，由此看出在管材和制管行业的投资有可能获得较高的效益。但由另一方面看，由于人们愈来愈深的对HSE的关切，所以对管材和制管的质量要求愈来愈高，亦即对管道用钢管的可靠性要求越来越高。再者由于在一定范围的提高输送压力可节省投资、降低运输费用，所以输送压力，尤其对输气管线有逐渐提高的趋势，从而对管材的强度、冲击韧性等一系列指标的要求有所提高。此外由于油气田逐渐向高寒地区、海上以及高含硫等资源进展，这些也给管道钢管及管材提出了更高要求。由此看出，管材和制管行业机遇与挑战并存。我国冶金及制管业为我国管道工业的发展已做出了很大的贡献，但要充分满足未来的要求还需付出更大的努力，本文仅就此做进一步阐述。在我国未来管道工业的发展中，预计天然气管道所用的钢管重量约占油、气管道总钢管用量的70％以上，故在以下的论述中重点偏重在输气管线上。一、关于钢级管道介质的输送压力有逐渐增高的趋势，在输气管线上尤为明显。这是因为在一定范围内提高输送压力会增加经济效益，以输气管线为例，在输量不变的条件下，随着输送压力的提高气体的密度增加而流速减小，从而使摩阻下降。在一条输气管线的站间距内由进站到出战压力逐渐下降，而流速逐渐增加，随之摩阻也逐渐增加，故离进站口3／4长度消耗生出站压差△p的一半，而后1／4长度消耗另一半。输气管线与输油管线最大的差别是由进站到出站流速是逐渐增加的，这是介质的可压缩性造成的。而油基本上是不可压缩的，虽然输送压力沿管程逐步下降，但流速是不变的，摩阻也是前后相同的。由此看出对于输气管线压力的提高可使摩阻下降，而输送能耗下降。还应指出，输气管线的能耗远比输油为大，仅以西气东输管线为例，该管线输送压力p：10MPa，输量为120亿m3／年，管线长度为4000KM，粗略按经验估计能耗大致为12亿m3／年，而输量的。1/10作为沿途的能源消耗掉了。由于对降低能耗的关切，输送压力有逐步增加的趋势。早期我国四川省的天然气管线输送压力为2.5MPa，以后增加到4MPa，陕京线提升为6MPa，西气东输增至10MPa，国外经济发达国家近十气输气管线多选取12MPa。在输气管线上压比亦有逐渐下降的趋势。所谓压比指进站压力与出站压力之比，压比减少意味着全线均在较高的压力下运行，这样也可使能耗减小。早期压力多为1.6，后来降至1.4，近年国外有些输气管线取压比为1.25。当然，压比减小，压缩机站数要增加，从而投资会增加。对于管径、压力、压比均需进行优化计算和比选。当输量确定，通过优化确定管径、压力、压比以后，如选取较高压力而钢材强度等级太低，则会造成壁厚过大，这给制管、现场焊接以及运输等诸多环节带来困难，甚至难以实现。生产的需求促进了钢材等级的提高。API于1926年发布APl5L标准，最初只包括A25、A、B三种钢级，最小屈服值分别为172、207、251MPa。API于1947年发布APl5LX标准，该标准中增加了X42，X46，X52三种钢级，其最小屈服值分别为289、317、358MPa。1966年开始，先后发布了X56、X60、X65、X70四种钢级，其最小屈服值分别为386、413、448、482MPa。1972年API发布U80、U100标准，其最小屈服值分别为551、691Mpa，以后API又将U80、U100改为X80、X100。粗略统计，全世界2000年以前X70用量在40％左右，X65、X60均在30％左右徘徊，小口径成品油管线也有相当数量选用X52钢级，且多为ERW钢管。关于X80钢级，国内、外议论很多，国际上曾对X80研制已耗巨额投资的钢铁巨头更是积极宣传X80，甚至X100，但时至今日X80只处于试验段阶段，总长仅400KM左右。目前正在建设中的管线尚无采用X80钢级的，计划中或正在准备中兴建的管线尚无下定决心采用X80者，对此笔者曾与国外多家管道工程公司(负责管道设计)的技术人员交换过意见，大家看法基本相同，大致可归纳如下：1、X80钢级随着操作压力的提高及准备工作的完善将来必定会得到发展；２、当前大石油业主不愿意首先选用X80大致出于以下原因：(1)某一种新钢级(包括炼钢、轧制、制管)由开始生产至熟练的生产要有一个不合格率由高至低的过程，用同样的检验手段其出厂的不合格率也会有一个由低至高的过程，首先采用者要承担此风险；(2)在现场焊接过程中，包括预热温度、层间温度、热入量等对新钢级要有一个探索过程，在此期间不合格率也有一个由高至低的过程，首先采用者更多地承担此风险；(3)采用X80后，现场使用的冷弯机、焊丝、环缝自动焊机、热弯头工艺等可能需要改变，重新购置或研制，从而增加了工程费用；(4)采用X80后，同样直径，当操作压力不够高的情况下，钢材强度等级的提高意味着厚度的减薄，亦即厚度直径比(t／D)的减小，这也就意味着管线刚性的降低。从事故分析及风险分析看，管线的第三方破坏通常占破坏原因的40％以上，而管线抵抗第三方破坏能力仅与t／D比有关而与强度等级无关。从我国国情看，我国虽然经济近十多年迅速发展，但仍属发展中国家，笔者建议在采用X80问题上我们不做第一个吃螃蟹的人，采取韬光养晦的策略，这对业主单位有利对我国冶金行业也有利。我国冶金行业在近十余年来为发展管道钢付出了极大的辛劳，取得可喜的业绩，目前正在全力攻关X70宽板(做直缝埋弧焊焊管用)并积极为能稳定X70热轧卷板的质量做努力，如当前决定大量采用X80钢级，因我国冶金业对此既无经验又无业绩而难与国外冶金行业竞争，笔者对我国冶金业不仅有深厚的感情，也深信我国冶金业的能力，但不宜操之过急，当然目前抽出少量的力量对X80进行探索还是必要的，但必须抓住主要矛盾。二、关于金相组织随着钢材等级的提高，冲击韧性的增加以及其它一些指标如FATT的降低等炼钢工艺及轧制工艺也相应的有所变化，最终金相组织形态也跟着变化，这是很自然的。然而作为业主单位(买方)有无必要在定货技术条款上对金相组织提出确定的要求，诸多管道专家有不同的看法。管线钢按金相组织形态分类至今大致有以下四种：1、铁素体一珠光体钢：简称为FP(Ferrite-Pearlite)，基本成份为C、Mn，有时加少量Nb、V，一般C成份为0.10-0.25％，Mn成份为1.30-1.70％，轧制工艺采用热轧及正火。X52及以下各钢级均采用此种工艺，我国早期所建的管线，如四川的管线，东八三所建的管线均属此种钢，当时一部分国内生产，东八三所用的管道钢基本上是国外进口的。当采用更高钢级时，为提高强度需增C，但C增加使可焊性下降、FATT上升，故必须另找出路。2、少珠光体钢，这种钢通常将珠光体控制在15％以下，从化学成份上分有以下三种：(1)Mn-Nb钢(2)Mn-V钢(3)Mn-V-Nb钢C成份一般控制在0．1％以下，轧制工艺采用控轧，以上又称为微合金控轧钢，钢级中X56、X60、X65、X70钢可采用这种钢。3、针状铁素体钢(AccicularFerrite)这种钢主要化学成份为C、Mn、Nb、Mo，采用控轧工艺，这种钢相对于前者包辛格效应小且减少偏析，多用于X65、X70钢级，根据报导国外有少量X80钢试制时也采用这种钢，其缺点为由于加Mo而Mo。的价格较贵，故成本偏高。4、超低炭贝氏体钢(U1traLowCarbonBainite)这种钢主要化学成分为Mn、Nb、Mo、B、Ti，采用控轧、控冷工艺，通常C含量小于0.03％，这是最新一代产品，其特点为不仅强度高且冲击韧性高、可焊性好、FATT值低，从发展看将来X70以及以后可能会较多采用的X80均会应用这种钢。由以上论述看出，对于X70，少珠光体钢、针状铁素体钢、超低炭贝氏体钢均可采用。笔者意见对于某一种钢级而言，只要能满足业主单位所提出的管材的机械物理性能即可，不必限制冶金单位必须采用何种工艺。各冶金厂条件差别很大，各自有其特点和优势，条条大路通罗马，对X70限制必须采用针状铁素体似无必要。笔者与许多国外管道设计专家交换意见，大家看法是一致的。三、关于管型目前在油气管道上常用的管型有螺旋埋弧焊管(SSAW)、直缝埋弧焊管(LSAW)、电阻焊管(ERW)，当直径较小时(如直径为152mm或更小)则选用无缝钢管。我国早期由前苏联引进螺旋埋弧焊管技术，随着管道工业发展，在六十年末至七十年代我国的螺旋管厂迅速发展，至今大型螺旋钢管厂有五、六家，加上中小型及民营螺旋管厂总计有数十家。我国原油管线几乎全部采用螺旋钢管，气管线，如西气东输管线，一类地区选用螺旋钢管。国外经济发达国家由七十年代末、八十年代初开始，用直缝埋弧焊管逐渐取代螺旋钢管，至今绝大多数八十年代到目前新投产的气管线几乎均采用直缝埋弧焊管。螺旋钢管具有产生缺陷的概率高、内应力大、尺寸精度差等缺点，这是其被淘汰的主要原因[1]。螺旋焊管面临着两种命运，一为淘汰，二为改造。据了解，欧洲及加拿大有着螺旋钢管厂改造非常成功的范例，主要方法有卷板两侧(约50mm宽度范围内)进行超声波探伤、同时两侧用铣边机加工出坡口，压边以及预精焊分开等等。我国管道专家黄志潜等曾多次就螺旋管改造问题赴国外考察，并做出详尽、精辟的论述，建议国内各螺旋管厂参照进行改造[2]。上个世纪(2000年以前)我国所建的长输管道绝大多数采用螺旋焊管，在笔者任中国石油天然气管道局总工程师的十五年间曾处理过大量的事故，其中相当大的部分为螺旋焊缝开裂。前苏联曾大量采用螺旋埋弧焊管，据有关方面材料，前苏联管道事故率远高于欧美，且钢管缺陷造成事故的比例也远远高于欧美，苏联解体前数年曾由日本大量进口直缝埋弧焊管并建成若干直缝埋弧焊管工厂，但由资料上看有些是双焊缝的[3][4]。2002年笔者及一些国内专家与俄国gasprom专家闲谈时，他们意见，如现有的螺旋管质量不提高，输气管线应采用直缝埋弧焊管。笔者建议，我们应采取两条腿走路的方针，一是积极改造现有螺旋管厂，笔者相信，现有螺旋管经认真改造后，不仅原油管线可大量采用，输气管线部分地区也可采用，这仍是大有前途的；二是大力发展我国直缝埋弧焊管制管业，采取UOE或JCOE均可。ERW钢管具有内外表面光洁、尺寸精度好、价格相对较低的优点，目前在国内、外已广泛采用。早期国产ERW钢管曾先后出现过两次较大事故，均因热处理偏离焊缝造成的，但这种事故是可以完全避免的。今后成品油管线相信会大量采用ERW钢管[5]。四、关于钢管的韧性指标[6][7][8]钢管的韧性指标是与钢管的强度的指标一样，都是最重要的机械物理性能指标，韧性指标一般从三个方面提出要求。1、FATT指标FATT是FractureAppearanceTransitionTemperature的简称，通常译为韧脆转变温度。FATT可分为三种：一种以DWTT试验为依据，用其剪切面积(ShearArea)为80％或85％所对应温度为转变温度，这种方法应用的最多，且剪切面积多取80％，另一种以夏比试验为依据，第三种以爆破试验为依据。提出FATT要求是保证管线不发生脆性断裂，通常取FATT值为设计的管线可能产生的最低温度再减10℃。世界管道史上最早也是最严重的