石油天然气输送钢管是高新技术产品及其发展方向

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：U137．1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2．1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7000多万t，据预测，2005年达到1亿t，到2020年可超过日本目前2．5亿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。2．2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2.7×106km，并以4×10^4～5×10^4km／a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Φ762～Φ1422mm，中距离管线直径为Φ406～Φ812mm，海底管线直径为Φ508～Φ762mm，输气管线管的屈服强度为420—500MPa(约相当于X60～X70，X80～X100尚处于试验阶段)，输油管线管的屈服强度为306—450MPa(约相当于X52～X65)；输气管线的工作压力为7.0～14.0MPa，输油管线的工作压力为5.0～9.0MPa.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3／4)，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。2．3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。2．4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“J－C－O－E”预焊、成型、焊接后经冷扩径等工序；HME焊管：由芯棒滚压法按“C－C－O”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。3．1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420～500MPa(约相当于X60～X70)。输气管线的工作压力一般为7.0～14.0MPa；输油管线的屈服强度为360～450MPa(约相当于X52～X65)，输油管线的工作压力一般为5～9MPa．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100MPa和0.85～0.9。3．2韧性韧性是指管材塑性变形和断裂全过程中吸收的能量。管材的韧性指标应满足下列2个条件：(1)在最低操作温度下，落锤试验(DWTr)的剪切面积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(0.1SMYS)J以上，气管道在(0.125MYS)J以上，则可控制延性失稳断裂。3．3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0.35～0.42。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cm≤0.20～0.25，一般为≤0.25；输气管线的≤0．20。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18～24m，对ERW及I_SAW来说，认为值得商榷(SSAW定尺长度酌情增长)。3．4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。3．5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／％CMnPSNb＋V＋Ti输油用钢板≤0.1≤1.5≤0.02≤0.01≤0.12输气用钢板≤0.1≤1.5≤0.015≤0.006≤0.12钢板类型CeqPcmCVN（－10℃）／JCVN（－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≥803．5．2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(50kJ／cm)，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。3．5．3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(10kJ／cm)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X42~X52钢级的带钢来说；SSAW和ERW可以通用；但对X60～XT0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。3．5．4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。3．6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1.0X104km，天然气管线约1.0X104km，成品油管线约5.0X103km，城市燃气管道总长度1.4X105km．到2010年我国长输管线的发展计划将由目前的2.0X104km增加到1.0X105km以上，2005年新建城市管线计