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油气输送钢管的发展动 向与展

发表时间:2019-03-26 20:27

摘 要 简要介绍了油气输送管的发展历程和管线钢的技术进步;在评介管线钢的组织

分类的基础上 ,论述 了针状铁素体型管线钢的性能特点;重点评述 了螺旋缝埋弧焊管与直缝埋

弧焊管、高频 电阻焊管(ERW)与无缝钢管的比较与选择 ;论述 了高压输气钢管断裂控制的意

义、进展及存在 问题;讨论了我 国未来油气管线工程对 高性能管线钢的需求,包括高强度管线

钢、低温用管线钢、具有良好断裂控制性能的管线钢、抗 HIC管线钢、抗 CO 腐蚀管线钢、抗大

变形管线钢及钢/玻璃纤维复合管等。

关键词 油气输送 钢管 管型 针状铁素体 断裂控制

今后 l0—15年 ,全球总能源消耗将 比现在

增加 60%左右 ,其 中天然气消耗将翻一番 .2J。

天然气需求 的增长主要集 中在北美 、欧洲和经济

迅速发展的亚洲。从地域上来看 ,用户主要在工

业发达的城市地区,而油气田则大部分在极地 、冰

原、荒漠、海洋等偏远地带。因而作为石油和天然

气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具 ,

油气输送管道在近 40年得到了巨大的发展 ,这种

发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。预计

今后 10一l5年 内,我 国共需各类油气输送钢管

1000×10 t左右 (不包括城市管网) .3J。

1 油气输送钢管的历史回顾

管道输送是石油、天然气最经济、合理的运输

方式。目前,全世界石油、天然气管道的总长度已

超过 2.30×10。km,并以每年 2×10 一3×10 km

的速度增加。我国从 1958年开始建设长距离原

油输送管道 (新疆 ),1965年开始建设长距离天然

气输送管道(四川 )。

我国已建成的石油天然气输送管线所使用的

螺旋焊管 ,主要是由原 中国石油天然气总公司的

6个焊管厂生产。焊管用 的板卷,在 20世纪 50

年代到 70年代主要采用鞍钢等厂家生产的 A3、

16Mn钢;70年代后期和 80年代则采用从 日本进

口的'IS52K钢(相当于 x52钢);90年代 ,塔里木

三条油气管线 :鄯一乌输气管线 、库一鄯输油管线

和陕一京输气管线的 X52、X60、X65钢热轧板卷

主要由上海宝钢和武钢生产供应。直缝埋弧焊管

过去一直依赖国外进 口。

西气东输工程采用 X70钢级 ,跟上了国外的

发展水平。X70钢级螺旋缝焊管全面实现了国产

化 ,直缝埋弧焊管前期仍依赖进口,后期采用了河

北青县 巨龙钢管公司的 JCOE焊管 。

1.1 油气输送管的发展历程

我们 的祖先在公元前 6OO年即开始用竹简输

送天然气。后来 ,英国人用木管和铅管输送天然

气 ,其安全性极差。输送油、气的大 口径钢管,是

20世纪初首先在美 国发展起来。1926年 ,美国石

油学会发布的API5L标准只包括三个碳素钢级。

1947年发布的 API5LX增加 了 X42、X46、X52三

个钢级。1964年的 API5LS将螺旋焊管标准化。

1967—1970年期间 API5LX和 5LS增加 了 X56、

X60、X65三个 钢级 ,1973年增加 了 x70钢级。

1987年 6月 ,API5LX和 5LS合并 于第 36版

SPEC5L中。第 36版 到现 在 的第 43版 包 括

A25 A B X42 X46 X52 X56 X60 X65 X70

X80共 11个钢级。X100已开发成功 ,但 尚未列

入 API标准。目前 ,全世界油气输送管的用量中,

X65和 X70钢之和占85%以上。

油气输送管的几个里程碑 J:1806年英国伦

敦安装了第一条铅制管道 ;1843年铸铁管开始用

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焊 管 2004年 11月

于天然气管道 ;1925年美国建成第一条焊接钢管

天然气管道 ;1967年第一条高压、高钢级 (X65)

跨国天然气管道(伊朗至阿塞拜疆 )建成;1970年

在北美开始将 X70管线钢用于天然气管道;1994

年德国开始在 天然气管道上使 用 X80钢级 ;

1995年加拿大开始使用 X80钢级 ;2000年开

始开发玻璃纤维 一钢复合管用于高压天然气管

道;2002年 TCPL在加拿大建成了一条管径 1219

mm、壁 厚 14.3 mm、X100钢 级 的 1km 试 验 段 。

同 年,新 版 的 csZ245一l一20o2 中 首 次 将

Grade690(X100)列入加拿大国家标准 ;2004年

2月 .ExxonMobil石油公司采用与 日本新月铁合

作研制的 X120钢级焊管在加拿大建成一条管径

914mm、壁厚 16mm、1.6km长 的试验段 。

油气输送管道输送压力和钢级随年代的发展

变化如图 1 和图 2…所示。全球已建立的 X80

管线如表 1 所示。

1.2 管线钢的技术进步

管线钢是近30年来在低合金高强度钢基础

上发展起来的。为了全面满足油气输送管线对钢

的要求 ,在成分设计和冶炼 、加工成型工艺上采取

了许多措施 ,从而 自成体系。管线钢 已成为低合

金高强度钢和微合金钢领域最 富有活力、最具研

究成果的一个重要分支。在成分设计上 ,大体上

都是低碳(超低碳 )Mn—Nb—Ti系或 Mn—Nb—

V(Ti)系,有的还加入 Mo、Ni、Cu等元素。表 2 J

是 X80和 X100管线钢代表性的化学成分和力学

性能 。

1870 1950-1960 1970—1980 1990

年 代

图 1 输送压力随年代的发展变化

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

年 份

图 2 管线钢钢级随年代的发展变化

表 1 全球 已建立的 XS0管道项目

序号 建设年代 国家 工程名称 长度/km 钢管厂 直径/ram 壁J~/mm

1 1985 德 国 Megal Ⅱ 3.2 曼 内斯曼 1ll8 13.6

2 1986 斯洛伐克 第四输气管道 1.5 曼 内斯曼 1422 15.6

3 1990 加拿大 NovaExpressEast 26 NKK 1O67 1O.6

4 1992 RuhrGas/SehlueehIJauter ll5.5

德 国 欧洲钢管 1219 18.3/19.4

5 1993 RuhrGas/WerneW etter 144

6 1994 NovaMatzhivian 54

7 1995 EastAlbertaSystem 33

加拿大 IPSCO 1219 12.O

8 CentralAlbertaSytem 91

1997

9 EastAlbertaSystem 27

10 2001 CambridgeM.G 47.1 1219 14.3/20.6

英 国 欧洲钢管

11 2002 H.S.Wilbughby 42 1219 15.1/21.8

合 计 56O.9

M ●■I —

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—m.....M.—......挖.L—.......m.—.......8—......6—......4.—.......2.—.L 0

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第 27卷第 6期 李鹤林 :油气输送钢管的发展动向与展望

表 2 ⅪIo和 XlO0管线钢的化学成分和力学性能

夏比冲击功 D 叮T 厚度/ 化学成分/% ors/ 口b, 8, 母材 热影响区 85%)

钢 级 (C) (si) fMn) fNb) fMo) (Ti) 其它 Ceq Pcm MPa MPa % 温度/ 温度/ s: ,

vE/ vE/

℃ ℃

X8O l6.9 0.04 O.25 1.76 O.O3 0.14 O.Ol Cu、Ni O.39 O.185 594 765 78 —45 133 —45 92 —45

Xl00 l7.5 O.o6 O.25 1.8O 0.04 O.19 O.O2 Cu、Ni、V O.44 O.2O 7o6 870 8l 一2O 179 —2O l54 —25

X8O l5.O O.o6 O.25 1.6l O.O5 O.17 O.O2 Ni O.38 O.16 588 646 9l 一20 252 —20 147 —35

Xl00 19.1 O.o6 O.22 1.96 O.O5 O.1l O.Ol Cu、Ni 0.45 O.19 7lO 848 84 —2O l33 一lO l3O —l5

X8O l9.O O.o6 O.16 1.85 0.04 O.2O O.Ol Ni 0.43 O.18 584 656 89 —20 263 —2O 169 —72

Xl00 19.1 0.07 0.09 1.8l 0.04 O.20 O.Ol Cu、Ni O.5O O.2O 730 8lO 90 一lO l62 —2O

X8O 19.1 O.o5 O.1l 1.8O O.O5 O.Ol Cu、Ni、V O.39 O.18 590 701 84 —3O 3l9 —3O 249 —5O

Xl00 2O.O O.o6 O.3O 1.78 O.o6 O.37 O.O2 Ni 0.47 O.19 7l8 887 8l 一40 l86 —20 175 —3O

X8O l3.6 0.07 O.42 1.9l O.O5 O.O3 O.O2 O.4l O.19

Xl00 19.1 0.07 O.25 l,93 O.o5 O.28 O.O2 Cu、Ni 0.48 O.2l 739 792 93 —2O 235 —2O l35 一l5

历史上发生 的许多次油气输送管道恶性 事

故 ,促使人们对管道安全可靠性进行研究 ,并对管

线钢和钢管从技术上提 出了相应 的要求 ,促进了

管线钢的不断发展。表 3[为几起典型事件及改

进措施。图 3加为管线钢技术要求随时间的变

化。

表 3 管线钢发展过程中的几起典型事故及措施

时间 事 件 措 施

1943焦 碳钢韧脆转变现象的发现 船板规范 CVN15ft~lb

1954焦 认识到韧脆转变现象与管线管有关 TUV提出管线钢管 3.5kgn~cm 冲击功要求

1960年 美国发生 13km的脆性裂纹长程扩展事故 BMI提出了 Dw兀、试验要求

1968年至 发展 了几种止裂预 测模型,规定 了最小 冲击韧 性

1969焦

发现管线存在延性裂纹的长程扩展现象 值

1970焦 提出建设阿拉斯加到加拿大的天然气管线 X80管线钢管 的开发一度成为热点 ,提 出 一69℃

低温韧性要求

1972正 在阿拉伯的一条 X65管线发生 HIC失效 提 出 BP试验(NACETM—02—84)

19 实物爆破试验发现已有模型不能准确预测止裂性能 开发止裂环 ,修正止裂预测模型,改进高强度管线 74 焦

(富气 、断口分离 、高应力水平及模型本身的缺陷) 钢 的轧制工艺

1978正 在澳大利亚及加拿大的管线上发现应力腐蚀开裂 冶金质量提高,改进外防腐

年 代 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

X65

强度 (API钢级) I X70

I X80

t/D(%) 3% 』 5% l 7%

— — 一 ~ 120JCharpy 厂 —

低温韧性

L _2o℃ 跎 J 一

34J l 。J— — r] ℃ _46℃ BD耵T

0.45%lQ:丛

l0.40%

碳当量 L 垃 ] 0.38%

1———0.—3—5%] 0.32%

l HIC test in BP S0lution

腐蚀控制 l HIC test inNACESoluti0n

f Fu11ring test

l EFE doe l6

图 3 管线钢技术要求随年代的变化

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焊 管 2004年 11月

现代冶金技术可以使钢有很高 的纯净度 、均

匀性和超细化 的晶粒。高纯净钢冶炼技术包括铁

水处理脱硫 、脱磷 、转炉冶炼降碳、脱磷 ,炉外精炼

(如 RH和 KIP等)脱气脱硫等。高均匀性的连铸

技术包括连铸过程的电磁搅拌 、连铸板坯轻压下

技术等 ;此外 ,控制轧制、强制加速冷却使钢获得

优 良的显微组织和超细晶粒。钢的各种强化手段

中,晶粒细化是唯一能够既提高强度又提高韧性

的强化手段 。控轧控冷 (TMCP)可以使微合金化

管道钢的铁素体晶粒细化到 5 ,而对 TMCP工

艺进行改进 ,实施形变诱导铁素体相变(DIFT),

可以进一步使铁素体晶粒细化到 1~2 。

受埋弧焊接热量输入的影响 ,埋弧焊管热影

响区的韧性较低。降低钢中硅、钒含量可以减少

热影响区 M—A相 ,从而提高其韧性 。对于高强

度管线钢 ,降低 碳含量也是 有效 的。管线 钢经

TiO处理(或称 TiO钢),弥散分布的 TiO质点可

2 管线钢 的组织与性能

以更有效地改善焊接热影响区韧性。在此基础上

开发的含镁 TiO钢 ,其细化热影响区晶粒的效果

尤为显著。

在 1995年微合金化国际会议上,T.Tanka提

出了全 TMCP(TOTALTMCP)的概念。其 要点

为:①纯净钢冶炼 ;②夹杂物形态控制 ;③HAZ显

微组织控制;④降低板坯中心偏析;⑤板坯加热温

度控制 ;⑥控制轧制 ;⑦织构控制 ;⑧加速冷却 。

近年来 ,JFE钢铁公司研究开发了超级 TMCP

工艺,其实质为传统的 TMCP+在线热处理 ,如图

4所示。在 线热 处 理 (回火 )可 以使 纳米 级 的

(Nb、V、Ti)C沉 淀析出。与传统 TMCP相 比,新

工艺生产的同钢级管线钢板材化学成分总量显著

降低,即 Ceq和 Pcm降低 ,对改善焊接性能是有

利的,也降低 了 HIC敏感性。另外 ,不 同厚度 的

板材可以采用相同的化学成分 。

时 间

图4 超级 TMCP工艺示意 图

2.1 管线钢的组织类型_3川

目前 ,商用管线钢按组织状态分类 ,主要有铁

素体 +珠光体(包括少珠光体 )型和贝氏体(含针

状铁素体 )型 两类。Xl00和 X120管线钢 的组

织,各厂商的差别较大,一般为超低碳贝氏体 +马

氏体型,新 日铁提供的 ExxonMobilX120钢级试

验段的 UOE焊管则为下贝氏体组织 。

铁素体 一珠光体钢的基本成分是 C—Mn系,

这是 2O世纪 6O年代以前管道钢的基本组织形

态 ,一般采用热轧和正火处理。当要求较高强度

时 ,加入微量 Nb、V。

C—Mn系铁素体 +珠光体钢的抗拉强度、屈

服强度、冷脆转化温度与成分 和组 织的关系如

下 ㈦ :

UST=295+27.5(% Mn)+82.6(%Si)+

3.9(%珠光体)+7.8d-1/2 N/mm ;

YS=104+32.6(%Mn)+84(%Si)+

7.8d-1/2 N/mm :

ITT=63+44(%Si)+2.2(%珠光体)+

258(%AI)一11.6d-1/2 ℃ 。

由上式可见 ,珠光体可以提高抗拉强度 ,但对

屈服强度没有贡献 ;珠光体对 C—Mn钢的韧性有

损害 ,10% 的珠 光 体 可 以提 高韧 脆 转 变 温 度

22%。为了提高韧性必须降低 C含量,即降低珠

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第 27卷第 6期 李鹤林 :油气输送钢管的发展动 向与展望

光体含量。c含量的降低也提高了焊接性 。这是

少珠光体钢产生的背景。

少珠光 体管线 钢 的典 型化学 成分为 Mn—

Nb、Mn—V、Mn—Nb—V等,代表性钢级为 60年

代末的 X56、X60和 X65钢。在工艺上突破 了热

轧 一正火工艺 ,进入微合金化钢控轧工艺的生产

阶段 ,综合运用了晶粒细化 、固溶强化、沉淀强化

等手段 。近年来 ,X65、X70钢少珠光体钢除成分

设计进一步优化外 ,普遍采用了 TMCP工艺。

为进一步提高管线钢的强韧性 ,1985年以后

研究开发了针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢,也

有人称为第二代管线钢。

所谓针状铁素体管线 钢,并不是必须 100%

的针状铁素体 ,而是针状铁素体 、粒状贝氏体和少

量块状铁素体的混合组织 ,对于这种类型管线钢

的组织 目前 尚无统一 的术语。鉴于针状铁素体

(又称板条贝氏体铁素体 )和粒状 贝氏体都属于

贝氏体范畴,因此 ,也有人把针状铁素体钢称为贝

氏体钢。图 5是 X80管线钢板条贝 氏体铁素体

TEM形貌。

图 5 XS0管线钢铁素体板条 TEM 形貌

G.Krauss和 Thompson等人提出 了对铁素体

形态的分类,他们发现低碳微合金钢 中的铁素体

形态有五类 :①等轴多边形铁素体 PF,具有等

轴形貌,晶内位错密度低,无亚结构 ;②魏氏组织

铁素体 wF,含碳量较低时,这类铁素体 出现的几

率较小 ;③ 块状铁 素体 MF或 准多边形 铁素体

QF,它是通过块状转变 (Massivetranformation)形

成 ,因此 ,晶粒边界极不规则 ,内部位错密度较高 ,

晶内有亚结构 ;④粒状贝氏体 GBF/GF,其特征为

等轴或条状铁素体基体上分布有等轴状 M/A小

岛;⑤针状铁素体 AF,又称为板条贝氏体铁素体 ,

在组织中成簇出现 ,构成板条束 ,每个板条束由若

干个平行板条组成 ,板条间为小角度晶界,板条束

问为大角度晶界 ,铁素体基体上有很高的位错密

度。

上述 5种铁素体的形成温度顺序 降低 ,实际

材料中各类组织的相对量随冷却速度而改变。试

验材料 CCT曲线见图 6。由图 6可见 ,在较慢的

冷却速度下得到等轴多边形铁素体 PF,随着冷却

速度的加快 ,PF逐渐被 MF、GF及 AF所取代 ,材

料的硬度值随之提高。

p

1 10 10 10 1

由850℃起 的冷却时阃/s

图 6 试验材料 CCT曲线

近年来 ,一些钢铁公司在开发高钢级针状铁

素体管线钢时,都从成分设计、冶炼、轧制和冷却

等方面采取综合措施,以期获得较多的 AF组织。

超低碳 贝氏体钢一般采用 Mn—Nb—Mo—B—Ti

系,控轧控冷。

2.2 针状铁素体型管道钢的性能特点 .1l_

(1)优 良的强韧性

针状铁素体钢通过微合金化和控轧控冷,综

合利用钢的固溶强化、晶粒细化 、微合金化元素的

析出,强化与亚结构的强化效应 ,可使钢的屈服强

度达 700—800MPa,一10℃时的 CVN达400J以

上。针状铁素体管线钢具有优良的强韧特性的原

因之一,是由于针状铁素体形成过程 中的过饱和

固溶和细小亚结构。控制针状铁素体强韧性 的

“有效晶粒”是针状铁素体板条束。针状铁素体

对强韧性的贡献还归结于它的多位相析出形态和

细小的有效晶粒尺寸。

(2)较 高 的形 变 强化 能力 和小 的包 申格

(Bauschinger)效应

形变强化决定于材料的应力 一应变曲线。是

否存在屈服平台和屈服伸长的程度对管线钢的形

变强化有重要影响。针状铁素体钢与铁素体 +珠

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焊 管 2004年 11月

光体钢相比,具有明显不同的应力 一应变特征 ,见

图7。由于针状铁 素体管线钢具有连续屈 服行

为 ,因而有较高的形变强化能力 ,从而可补偿和抵

消因包 申格效应所引起的强度损失。针状铁素体

管线钢的强度不会因制管时受拉 、压反复应变而

降低 (见图 8),针状铁素体管线钢具有这种优 良

特性的原因,被归结于针状铁素体 中的亚结构。

由于针状铁素体 中存在高密度的可移动位错而易

于实现多滑移,因而针状铁素体具有连续的屈服

行为和较高的形变强化能力。

650

∞ 600

550

嚣500

450

400

[

—r —r一 应变 一

(a)铁素体 一珠光体钢

(3)良好的焊接性和耐腐蚀性能

与铁素体 一珠光体钢相 比,针状铁素体钢 由

于采用控轧后的加速冷却工艺,在强度相同的情

况下可采用较低的碳含量和碳当量 ,冷裂纹敏感

系数低 ,焊接性能好。同时,由于加速冷却工艺的

采用及低碳 、超低碳的成分设计 ,可消除钢中的带

状珠光体 ,减小偏析 ,改善钢的各向异性和抗 HIC

性能。根据上述性能特点 ,西气东输工程采用 了

X70钢级针状铁素体型管线钢。

口印

/_// // 一

图 7 不 同组织状态钢的应力 一应变曲线

图 8 铁素体 一珠光体与针状铁素体管线钢经过螺

旋焊管制管过程后屈服强度变化的比较

3 油气输送钢管的管型选择

3.1 油气输送钢管的主要类型

APISPEC5L规定油气输送管按生产工艺不

同分为无缝钢管、电阻焊钢管、埋 弧焊钢 管等 8

种。但主要使用的有无缝钢管 (Seamless)、直缝

高频电阻焊管 (简写 为 ERW )、直缝埋 弧焊管

(b)针状铁素体钢

(简 写 为 LSAW)、螺 旋 缝 埋 弧 焊 管 (简 写 为

SSAW)等 4种。其 中 LSAW 按成型方式 的不 同

分为 UOE、JCOE、RBE、CFE、PFE等 10余种。

UOE制管工艺是 1951年 由美 国国家钢铁公

司(u.S.Stee1)首先使用 的。1968~1976年得到

较大发展。现代 UOE机组 “O”型压力机的能力

达到 5X10 ~6X10 t,可生产外径 1420mm、壁

厚达 40mm的钢管。这种工艺投资高、产量大 ,

适合单一规格大批量生产 ,在小批量 、多规格的场

合灵活性较差。为此,1976年以后发展了许 多不

采用 UO成型的直缝埋弧焊管制造工艺。近年来

比较注 目的是德 国开发的 PFP成型法,又称“渐

进式 JCO成型技术”。这种工艺 比较灵活,能够

兼顾大批量与小批量、大管径与小管径 ,适合 中等

规模企业。巨龙钢管公司采用这种工艺为西气东

输工程提供了 14.5X10 t直缝埋弧焊管。实践

证明,UOE和 JCOE焊管的质量和安全 可靠性是

等同的。

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第 27卷第 6期 李鹤林 :油气输送钢管的发展动向与展望

3.2 螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管的比较与

选择

由于无缝钢管和 ERW 钢管尺寸的限制 ,主

干线 (一般管径较 大 )主要采用 LSAW 焊管 (以

UOE为主)和 SSAW 焊管。而对于 LSAW 焊管和

SSAW 焊管的选用 ,国外一直有截然不同的意见。

美国、日本总体上是否定 SSAW 焊管的,认为

主干线不宜使用 SSAW 焊管。美 国本土近 20年

建造的油气输送 主干线 ,几乎 100%为 UOE。俄

罗斯总体上是肯定 SSAW 焊管 的。德 国、意大利

有两派不 同的意见。在加 拿 大,SSAW 焊管 与

LSAW 焊管完全处于 同等位置,但主干线实 际使

用量中,SSAW焊管占70%左右。

我们经过系统调查和分析认为,SSAW 焊管

和 LSAW 焊管都采用双面埋弧焊,焊接接头质量

应该可以达到同样水平。SSAW 焊管和 LSAW 焊

管的主要区别是焊缝 的长度 和走 向:SSAW 焊管

的焊缝较 LSAW 焊管长 ,焊缝缺陷 的几率较高 ,

这是 SSAW 焊管 的劣势;SSAW 焊管焊缝 与管道

主应力方向有一定角度,使焊缝缺陷当量长度缩

短(对单个 缺陷而言,危 险性减小 ),这是 SSAW

焊管 的优势;上述劣势与优势大体上可 以抵 消。

SSAW 焊管的焊缝走 向及母材的特殊方 向性 ,对

止裂是有利 的 。

1998年 ,石油管材研究所和石油规划设计总

院共同对国产 SSAW 焊管和进 口 UOE焊管进行

了系统的对 比试验 ,结论是 :①国产 SSAW 焊管母

材、焊缝、热影响区的强度 、韧性 (包括低温韧性 、

FA1Tr、DWTI")和疲劳性能(包括 or一、da/dN、AKlh

和 N,)达到了进 口 UOE焊管水平 ;② 国产 SSAW

焊管的残余拉应力总体上比进口 UOE焊管高 ,表

面质量与尺寸精度较 UOE焊管差;③经过严格质

量控制的国产 SSAW 焊管可以用于油气输送主干

线。建议一、二类地区采用 SSAW 焊管,三、四类

地区采用 LSAW 焊管;④ 国产 SSAW 焊管若能采

用预精焊及机械扩径工艺,其质量水平和安全可

靠性可以全面达到进 口 UOE焊管水平。

2000年以来 ,为了迎战西气东输工程 ,宝鸡 、

青县等 6个石油钢管厂对各 自的 SSAW 焊管生产

线进行 了大规模技术改造 ,包括创立 了低残余应

力成型法 ,研制成功 了螺旋焊管管端扩径装置。

新生产线生产的螺旋埋弧焊管的残余应力状况优

于经过机械扩径的 UOE焊管,可在螺旋焊管内表

面形成有利的残余压应力;经管端扩径的螺旋焊

管管端尺寸精度(外径公差 、园度等)与进 口 UOE

焊管相当。经对西气东输工程使用 的 160×10 t

焊管质量检验数据统计分析,管体和焊缝 、热影响

区的力学性能指标(包括低温韧性 ),国产螺旋焊

管与进 口UOE焊管处于同一水平 ,而全尺寸水压

爆破试验的爆破应力 ,国产螺旋焊管略优于进口

UOE焊管。这说明 ,国产螺旋焊管的安全可靠性

不亚于进 口UOE焊管。

就世界范围来讲,由于过去大多数螺旋焊管

厂的生产技术 比较落后 ,影响了螺旋焊管的声誉。

从 20世纪 90年代以来 ,部分螺旋焊管厂不断改

进制管技术 ,产 品质量有了很大提高。欧洲一些

油气公司开始改变高压油气输送管道以往只使用

UOE直缝埋弧焊管的做法 ,有选择地将一些技术

先进、质量信誉好 的厂家生产 的螺旋焊管用于高

压油气输送管道。德国、法国、芬兰 、西班牙和土

耳其等国家相继 出现了能够生产高质量螺旋埋弧

焊管的公司 ,并已向一些重要的高压油气输送管

线提供大量的螺旋埋弧焊管。这些管线中,包括

著名的土耳其 “蓝流”(BLUESTREAM)管线 ,钢

级 X65;苏丹 的穆格莱德管线 和富拉 管线 ,钢级

X65。加拿大始终坚持螺旋埋弧焊管用于高压油

气输送。加拿大境 内的油气输送管线 ,70%的钢

管是螺旋埋弧焊管,其中包括全长 3000km的联

盟(ALLIANCE)管线 (X70钢级 )和 TransCanada

管道公司总长超过 400km的几条 X80钢级高压

输气管线。比利时等国还将螺旋埋弧焊管用于制

造感应加热弯管。近期,美国一些油气公 司的观

念也有改变。美国正采用螺旋埋弧焊管建设一条

608km长的高压输气管线 ,钢级 X80,管径 36in,

壁厚 11.79~16.94am。

3.3 高频电阻焊管(ERW)与无缝钢管的比较

截面较小的输送管道(如支线和城市管网用

管),国外一般首选 ERW 焊管。

近年来 ,超纯净钢 的出现和控轧控冷工艺的

完善为 ERW 焊管的发展提供 了原材料方面更大

的支持 ,加上整体热处理、热张力减径等原用于无

缝管轧制的技术引用于 ERW 焊管生产 ,其产 品

向高等级、多元化方向发展 ,其性能已等同或超过

无缝管 ,而价格 比无缝钢管便宜。

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· 8· 焊 管 2004年 11月

ERW 焊管尺寸精度高,并且在强度与无缝钢

管相同时,塑性 、韧性更优 良。

4 油气输送钢管的断裂控制

4.1 油气输送钢管断裂控制的意义

20世纪 60年代 以前 ,由于当时冶金水平 的

局限,管材韧性较低 ,韧脆转化温度较高 ,经常发

生管道脆性断裂事故。70年代 以后 ,随着冶金技

术的进步和输送压力的提高,脆性断裂事故基本

消除,经常发生的是延性断裂事故 。

对于输送液体的管道,如原油和成品油管道 ,

可根据“不启裂准则”确定夏 比冲击值。而输气

管道 ,对于母材应以”止裂”准则确定所需的夏比

冲击值,而对于焊缝可以按“不启裂准则”来确定

所需 CVN。延性断裂 的长程扩展和止裂是输气

钢管最突出的问题 ,一直是研究的热点¨ 。

对输气管道 ,由于气体减压速度( )较低,不

易止裂。而输气管道的失效往往导致灾难性后

果。裂纹扩展越长 ,后果越严重。迄今 ,全世界最

长的输气管裂纹长度为 13km,损失最严重 的是

1989年前苏联乌拉尔山发生 的一次输气管爆裂

事故 ,造成 1024人伤亡。美 国 1993年、1994年

在华盛顿和新泽西洲发生 的两起输气管爆裂事

故 ,损失也很严重 。

止裂的速度判据为 :当管道开裂速度 ≥

时不能止裂,而当 < 时可 以止裂。天然气 的

为 380—440m/s,而钢管脆性断裂速度为 450

— 900m/s。因此 ,输气管的脆性断裂不能止裂。

延性断裂裂纹扩展速度在 90—360m/s之 间,在

条件符合时,就可发生延性断裂的长程失稳扩展 ,

当然也同时存在止裂的可能性。

4.2 高压输气管道止裂控制现状及存在问题

近 30年 来 ,Battelle、EPRG、AISI、BGC、CSM/

halsider、Mannesmann等通过大量的科研工作 ,分

别提出了输气钢管延性断裂止裂与 CVN的关 系,

如表 4所示 。从表 4公式看出,延性止裂所需的

最低 CVN值与环向应力 钢管直径 D、壁厚 t

有关 ,但在影响程度上差别较大。ISO3183—3对

钢管防止裂纹长程扩展 的 CVN是根据 EPRG的

表达式得 出的。

表 4 止裂韧性预测公式

Battelle C =2.38×10 or(Rh)

AISI C =2.38×10一 1 Do

BritishGas c…=(2-os 圳 )

Italslder/CSM c… s2 胁 . s -o.627 .8 一s

Mannesmann C“ =20exp(2.87×10一 h1 D。凹h。· )

KawasakiSteel C =80(2.62×10~orhR+2.86×10一R 9.9×10一R一4.42×10一orh+2.29)

USSR C mi=(107.28+19.86P+0.16D— k)/0.325h

上述延性断裂止裂与 CVN的关 系式大都是

70—80年代提出的。近 20年来,管道运行压力

和管线钢的强韧性都有很大的变化 ,采用这些表

达式 已难以保障安全。预测公式计算结果与试验

值之间的对比如表 5所示。

4.3 高压输气钢管止裂控制的进展

针对已有止裂经验公式预测高压天然气管道

止裂韧性值的不安全性 ,Wilkowski、Leis、Kannin—

ell等人进行了有价值的工作 。

Wilkowski提出基 于已有公式 ,根据C 、标

表 5 止裂所需 CVN在爆破试验与计算值之 间的差异

CvN/ CVN/J

(在 10m (在 20m

内止裂 ) 内止裂 )

BMI:CVN=0.0108or~(R 0.33 l19

AISI:CVN-0.0315or~no 87

BGC:CVN =0.0315o,hR 一。 68

实物爆破试验 180 130

注 :爆破试验管为 UOE管,管径 1219.2rain,壁厚 18.3

rain,材质 X70钢,压力 12MPa。

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第 27卷第 6期 李鹤林 :油气输送钢管的发展动向与展望

准缺 口D 和预裂纹 DWTT能量的关系找出有

效 CVN的方法¨ ;Leis提出了在原有公式基础

上进行修正的方法¨ 。

截至 目前 ,在工 程实 际 中,比较普遍 采用

Leis的方法。Leis经过研究发现,止裂韧性 的预

测值超过 94J时,用 BMI公式预测的结果偏于危

险。他提出了如下修正公式:

CVN =CVNBMl+0.002C 一21.18

属下列情况之一时 ,应对 Leis修正公式预测

值进行全尺寸实物爆破试验验证 :①管道的设计

参数超过了国际上已经过的全尺寸止裂爆破试验

的数据范围;②钢管材料断 口分离和上平 台现象

比较严重(CVP/C 啪 >1.25),如图 9和图 10所

示 ;③输送介质为富气(c:~c 含量高)。

+甘

试验 温 度 /℃

图 9 控轧钢的上升平台行为

图 10 DWTT断口上的分离

钢管材料 断 口分离 比较严重 (CVP/C 啪≥

1.25),而又 因故不能进行全尺寸实物爆破试 验

时,可采用比较保守 的处理办法 ,将 Battelle半经

验公式预测的 CVN乘 以 CVP/C 。0o。

CVN =CVNBMl×CVP/Cvl0o (CVNBMl<94J时)

CVN =(CVNBMI+0.002C 一21.18)×

CVP/Cvl0o (CVNBMl>94J时)

式中 CVN 一止裂所需 CVN的下限值。

在确定西气东输钢管 CVN下限值时 ,由于时

间的限制 ,无法进行实物爆破试验 ,采用上述方法

计算并圆整后确定钢管母材 CVN>~190J。

为了从根本上解决止裂韧性预测的准确性 ,

美国天然气协会(AGA)委托美国西南研究院和

意大利 CSM进行更深层次的研究。Kanninen等

人考虑了裂纹扩展过程中气体逸出与管壁扩张之

间的相互作用 ,提出输气管道纵 向裂纹扩展问题

的计算模型 ,进而将三维流体动力学有限差分算

法同壳体有限元算法组合起来 ,发展了模拟该 问

题 的计 算 程序 PFRAC,并 用裂 纹 尖 端张 开角

CTOA(CrackTipOpeningAngle)作为对管道动态

延性裂纹扩展 和止裂 的定量评价指标。其判据

为:CTOA~ <CTOAc。

CTOA~.=C( H/E) ( H/tr0)(D/t)

式中 C,m,n,q是与气体性质有关的常数 ; 为

环向应力 ; 为材料流变应力 ;D为钢管直径;t

为壁厚 ;E为材料弹性模量。CTOA 可 由不同韧

带尺寸的 Dwrr试样的冲击能量间接测得。

该方法有望解决 富气输送时 的断裂控制 问

题,但实际使用还需进一步做许多试验研究工作。

5 油气管道对高性能钢管的需求

当前油气管道业 面临的挑 战是 ,在高寒 、深

海、沙漠、地震和地质灾害等恶劣环境下建设长距

离、高压、大流量输气管道。因此 ,急需开发高性

能油气输送管。

5.1 高强度(X80及以上)管线钢及钢管

油气输送管道 (特别是天然气管道)总的发

展趋势是持续提高钢管的强度水平,以期最大限

度降低管道建设 成本和输送 成本 。X80钢是 日

本、欧洲、北美批量生产并正式投入使用的管线钢

的最高纲级 。Xl00和 X120管线钢也正相继研制

成功 ,正在进行工业性试验。

世界著名的大石油公司积极开展 X80及 X80

以上钢级管线钢的开发和应用研究:ExxonMobil

公司 1996年分别与新 日铁和住友金属签订 了共

同开发 X120管线 钢的协议 ,2001年已经全面完

成 ,2004年 2月在加拿大修建 了长 1.6km的试

验段。BP公司 5年前与几家钢铁和制管企业合

作 ,开发了 X100钢级 UOE焊管 ,为了考核其止裂

能力 ,进行 了多 次 全 尺 寸爆 破 试 验。意大 利

SNAM公司用 Europipe公司生产 的 X80、X100与

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· 10· 焊 管 2004年 11月

X70钢进行对 比试验,认为 X80钢 的现场焊接可

以采用与 X70钢相近的工艺;而 X100钢则有所

不同,但只要采取适 当措施也可获满意结果。挪

威 STATOIL公司对新 日铁 、住友金属 、NKK、川崎

制铁和 Europipe五家公 司提供 X80钢级 的钢管

进行了用于海底管道 的可行性研究 ,重点研究 了

可焊性 、焊材匹配 、焊接接头韧性与适应变形的能

力 ,获满意结果。加拿大 TransCanada管道公司

1994~1995年开始将 X80钢级用于其管网,建成

了一条长 30km的试验管线;迄今其管网中已有

近 400km的 X80钢级管线。X80钢管已成功地

用于 Alberta省北部永久冻土地区。2002年,又

在加拿大 Salatoga建成 了一条管径 1219mm、壁

厚 14.3mm的 X100钢级试验段。为检验止裂性

能 ,用 36in(914.4mm)管径的 X100级钢管进行

两次全尺寸爆破试验 ,试验结果与预测相符。

我国西气东输工程采用 X70钢级及 10MPa

的工作压力 ,跟上 了国外的发展水平 。当前应积

极组织 X80钢级管线钢的研究,并着手更高钢级

的前期研究 ,做好技术储备 ,迎接国际上新一轮管

线钢的升级 。

5.2 低温状态高强度管线钢及钢管

埋地油气输送管道的最低运行温度一般为

0~C,但对于裸露管道(站场及悬跨管段等),钢管

的服役温度应按当地的最低温度考虑 ,才能确保

管道安全运行。在这种情况下 ,管线钢 的韧脆转

变温度应低于当地 的极限低温 ,并在该温度下有

足够的韧性。这对高强度管线钢是相当困难的。

5.3 具有合适断裂控制性能的高强度管线钢和

钢管

由于气体减压波速度( )较低 ,而钢管开裂

速度(裂纹扩展速率 )往往较高,致使 ≥ ,裂

纹长程扩展 ,造成灾难性后果。提高钢管的韧性 ,

可以降低裂纹扩展速率 ,使 < 而止裂。如果

输送 的天然气是含有 c ~c 烃类的富气,需要钢

管有更高的止裂韧性值。因为天然气 中 c ~c

含量越高,即热值越高 ,其减压波速度越低。

X80钢级 自 1978年问世 已过 了 24年 ,迄今

尚未大规模用于输气管道,主要原因之一是断裂

控制等问题没有解决。输气钢管延性断裂的止裂

与 CVN关系,主要采用 Battelle等机构的半经验

公式进行计算 ,并通过实物爆破试验修正。X70

以下钢级 已积累了大量数据,其预测的准确性也

得到公认。而 X80钢级的爆破试验数据太少,预

测的可 靠性 受 到质 疑。EPRG 曾对 外径 48in

(1220mm)、壁厚 17mm的 X80钢输送管进行 了

全尺寸的天然气介质爆破试验 ,出乎预料的是一

根冲击功高达 221J的钢管发生了裂纹扩展 ,而

用 Battelle公式预测的止裂韧性为 125J。

当前急需解决高强度管线钢高压输气 (特别

是富气输送时)的止裂韧性 预测可靠性 问题 ,并

在此基础上开发具有合适断裂控制性能的高强度

管线钢 。而钢的强度与韧性互为相长的关系以及

高压输送对管线钢止裂韧性较高的要求 ,对钢铁

材料高性能化和现代冶金技术提出强烈的挑战。

5.4 抗 HIC管线钢及钢管

SSCC和 HIC是含 Hs天然气输送管道主要

失效模式。国外抗 SSCC和 HIC管线钢 已自成体

系。SSCC和 HIC的产生及严重程度决定于输送

气体介质中的 H:s分压。当 P 。>300Pa时必须

对管材提出抗 SSCC和抗 HIC的要求。随着输气

压力的提高,要满足 P ~<300Pa则须将 Hs的

含量降得非常低 ,例如 :Po=10MPa时 ,需将 Hs

降至 0.003%以下。因此抗 HIC钢的需求量是相

当大的,例如欧洲钢管公司的抗 HIC油气输送管

销售量已占30%以上。

国外批量供应的抗 HIC管线钢主要是 X65

钢级。抗 HIC的 X70级钢管已研制成功,并在墨

西哥一条管线上使用。我国抗 SSCC和抗 HIC管

线钢的研发刚起步 ,需加紧研制工作 。

提高管材抗 HIC能力的措施是:①提高钢 的

纯净度 。采用精料及高效铁水预处理 (三脱 )及

复合炉外精炼。②提高成分和组织的均匀性 。在

降低硫含量的同时 ,进行钙处理 ;钢水和连铸过程

的电磁搅拌 ;连铸过程缓 慢压缩 (轻压下);多阶

段控制轧制及加速冷却工艺 ;限制带状组织等。

③晶粒细化 。主要在微合金化和控轧工艺上下功

夫。④尽量降低碳含量(一般 (C)≤0.06%),

控制 Mn含量 ,加 cu元素。

5.5 抗 CO 腐蚀管线钢和钢管

油 田腐蚀 中,CO 腐蚀与防护 的研究 尚不够

成熟 ,而 CO 腐蚀的后果相当严重。用于从油气

井到处 理厂 间 的内部集输 管道 (未 经脱 水、脱

Hs、脱 CO )以及脱 CO 不理想的输气管线,CO

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第 27卷第 6期 李鹤林 :油气输送钢管的发展动 向与展望

腐蚀 问题应 引起足够 的重视。在 P >0.021

MPa的前提下 ,根据 Pco.、PH’s、C1一含量 的不 同,

可分别选用 Crl3马氏体不锈钢、Cr22双相不锈

钢、Cr25超级双相不锈钢、含 W(Ni)>35% 的高

cr—Ni不锈钢 ,直至 Ni基合金。与普通管线钢

材料相比,不锈钢材料的价格较为昂贵,为降低成

本,尽量采用上述不锈钢衬里的复合钢管。

我国含 CO 气 田很多,但抗 CO 腐蚀的管线

钢的研究开发 比较薄弱。应注意抗 CO 腐蚀管

线钢的正确选择和合理使用 ,并注意研究价格较

低的经济型抗 CO 腐蚀管线管。

5.6 抗大变形管线钢和钢管

通过地震多发区和地质灾害区的油气输送管

线 ,要求钢管有抗大变形的能力。国外 已研制成

功了具有抗大变形能力的管线钢。

抗大 变形 管线 钢 有较 高 的形 变 强化 指数

(n)、较大的均匀塑性变形延伸率( )、较低的屈

强比( /o")、无屈服平台。我国属多地震国家 ,

地质灾害(如滑坡、泥石流等)也较严重,很需要

开发这类管线钢。

5.7 钢/玻璃纤维复合管

随着管道输送压力的不断提高 ,对管线钢止

裂韧性的要求越来越高,已超越现代冶金技术 的

极限。为了解决这一问题 ,国外 已研究开发了复

合材料增强管 (CRLP),即钢/玻璃纤维 复合管。

它既利用了钢的强度,又发挥了玻璃纤维在止裂

方面的优势。钢/玻璃纤维复合管可降低管道工

程的材料成本 、安装费用及焊接成本等 ,还可取代

传统的涂层 ,目前国内这一方面的研究尚属空白。

进行该产品研究开发,可在保证管道安全可靠性

的同时,提高管道工程的经济性 。

参考文献

李鹤林.天然气输 送钢管研究 与应用 中的几个热点

问题.中国机械工程 ,2001,12(13):349~352

黄开文.国外高钢级 管线钢 的研究 与使用情 况.焊

管,2003,26(3):1一l0

李鹤林 ,冯耀荣.关于西气东输管线 和钢管 的若干问

题 ,石油专用管 ,2002,10(1):1~9

Mohipo urM.High pressurepipelines.trendsforthenew

millennium.2000 International Pipeline ConferencePro￾ceedings,Cal ry。Canada。Otc.2000

ChaudhatiV.Germangaspipelinefirsttousenew gener—

ationlinepipe.Oil& Gas J.Jan.1995

6 JanzenT S. ealliance pipeline—adesign shift inlong

distan ce gas transmission.Proceeding of International

PipelineConference,ASME,Calgery,Canada,1998

7 Gray JM.Recentdevelopments in plate and linepipe

stee1.MicroalloyingIntemational Inc.1999

8 EndoS.Productsandtechnologyofsteelpipe s& tubes

correspo ndingto therequirementofmarket.171stand

172stNishiyamaMemotial Seminar.ISIJ,Tokyo,1995

9 PicketingFB.High—strength.1ow—alloysteel——adecade

ofprocess.ProceedingsofMicroalloying75 ASM

10 ChinoH,TamehiroH.Proc .ofpipelinetechnology Con—

. ParkA,K.UIU,Antwerpen,1990.41

l1 高 惠临.管线钢——组织 、性 能、焊 接行为.西安 :陕

西科学技术 出版社 ,1995

12 PicketingFB. espectrum ofmicroalloyedhishstrength

low alloystee1.ProceedingsofMicroalloying.ASM ,1983

13 KraussG,ThompsonSW .Ferritemi crostructureincon—

tinued cooled low.and.uhralow—carbin stee1.ISIJ.Inter￾national,1995。35(8):937~945

14 VogtG H.Toughnessrequirementsare studiedforlarge

diametergaopipeline.OGJ,1984

15 KochF 0.Fracturetestsshow importanceofnew welded

high—pressurepipelinespecsforsafety.OGJ,1986

16 MaxeyW A.Fractureinpipelinemain influenceingfac—

tors.Proc eedingofIntemational Se minar on Fractureof

gasPipelines,MOSCOW,Mar.1984

17 PistoneV.Toughnessnecessarytopreventductilefrac—

ture propagation.EPRG an niversary meeting,Brussels,

NOV.1997

18 W ilkowskiG M ,MihellJN.Ductilefracturearrestmeth—

od ology forcurrentand futuregradesoflinepipe stee1.

37 AnnualConferenceofMetallurgists,Calgery,Cana—

da,1998

19 LdsBN.Relationshipbetweenapparent(tota1)Charpy

Vee—norch toughnessand the corespondingdynamic

crack—propagation resistance. International Pipeline

Co .ASME.Calgery,Canada,1998

作者 李鹤林,男,1937年 出生,1961年毕业

于西安交通大学,中国工程 院院士。长期从事石

油用钢及石油管工程科技工作 。曾任 中国石油天

然气集团公 司管材研究所所长,现为该所高级顾

问、中油集团咨询 中心专家,兼任 中国材料研 究学

会常务理事、中国机械 工程学会失效分析分会理

事长、陕西省材料研究学会理事长、西安交通大学

材料科学与工程 学院名誉 院长等职。23项成果

获国家及部省以上科技进步奖;出版专著 5本 ,在

国内外发表论文 160余篇。联 系地址 :陕西省西

安市电子二路 32号 中国石油天然气集团公司

管材研 究所 邮编 :710065

(收稿 日期 :2004—06—03)

(修改稿收稿 日期 :2004—09—30)

编辑 郑一维

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