油气管道用钢及钢管的技术进步

第五节　油气管道用钢及钢管的技术进步

一、引言

我国现代油气管道建设起步较晚，与国外先进水平差距较大，“十五”规划5年来，特别是采用高强度、大口径管线钢、钢管高压输送的西气东输、陕京二线、冀宁联络线建设的需求和实施，标志着我国管道技术，高强度、高韧性管线钢、大口径钢管生产技术提升到了一个新的高度，在许多方面缩小了与国外先进水平的差距，有些方面达到了国际先进水平。国内石油天然气管道用钢、钢管技术发展迅速，主要体现在：

1．针状铁素体管线钢（X70、X80）生产技术接近国际先进水平。

2．高压、大口径油气输送管道用螺旋埋弧焊和直缝埋弧焊钢管制造设备和技术接近世界先进水平。

3．高压、大口径油气输送管道用弯管、管件生产设备和制造技术接近国外先进水平。

4．制订了适用性强、要求严格的符合国际通用要求的技术标准等。

目前，西气东输、陕京二线、冀宁联络线相继投入使用，运行良好。从生产到建设投产，已积累了大量的技术，是一笔极为珍贵的财富。

二、“十五”规划实施时我国管线钢、钢管的现状

我国管线钢、钢管起步较晚，1965年以前输送石油、天然气的钢管使用Q235热轧带钢（A3）制造螺旋缝钢管，1965年以后采用16Mn热轧带钢制造螺旋缝钢管，到1970年选用从日本进口的T/S52K板卷制造螺旋缝钢管，直到20世纪90年代才按APISPEC 5L标准要求采购管线钢，当时全部从国外进口。从那时开始，国内中石油与宝钢、武钢等钢铁公司合作进行管线钢国产化攻关，研究出了相当于API SPEC 5L标准中A、B、X42～X65强度等级的管线钢系列，成功的用于建设塔里木沙漠管线、陕京管线等几条重要的油、气管线上，并开始出口管线钢。从此我国管线钢开始迈进了国际市场门槛，奠定了我国管线钢生产基础。

但是，当时国内按API SPEC 5L标准规定的A、B、X42～X65强度系列要求生产的管线钢为铁素体＋珠光体管线钢，它以高纯净（S≤0．010%，N≤60ppm×（10^－6），N＋O＋P＋S≤150ppm×（10^－6））和细晶粒（10～15μ）的铁素体＋（5%～15%）珠光体为基体，综合使用低碳（C0．05%～0．10%），微量的铌、钒、钛（Nb＋V＋Ti≤0．12%）所形成的弥散的铌、钒或钛，钒的碳氮化物通过综合加热，控制轧制在均质铁素体——珠光体基体上所形成的高密度位错，通过中温时效，“沉淀硬化”得到具有高强度、高韧性和焊接性能好的（Pcm≤0．25）高强度钢。目前主要用于陆上高压输油管线和一般的输气管线，国际上通称通用型管线钢，同当代国际先进水平比较，我国在管线钢仍然还有很大差距。

在板材生产，受设备条件限制，只能生产1500mm左右宽，厚度小于16mm的板卷。X70及以上级别的管线钢尚处于研发阶段。

螺旋缝钢管是我国油气输送用管的主要管型，1958年宝鸡石油钢管厂从苏联引进螺旋埋弧焊管机组，40多年来发展很快。我国当时螺旋埋弧焊机组已有70余套，形成了东西南北的分布格局，以原石油天然气总公司所属的6个螺旋埋弧焊管厂为主体，坚持技术进步，推动了我国螺旋埋弧焊管制造的发展。由于整体水平所限，生产的螺旋缝焊管质量并不高。20世纪90年代陕京输气管线的建设，大大推动和促进了螺旋埋弧焊机组改造和工艺提高，其中包括成型器的改造、焊材、焊剂的开发研究、检测设备的完善、焊接工艺研究、采用内外多丝焊接等技术，使我国螺旋缝埋弧焊管的质量和生产水平得到提高，表3－19、表3－20为我国主要焊管厂螺旋缝埋弧焊管韧性水平与国外对比情况。

表3－19　高强度输送管的夏比冲击韧性比较

表3－20　国内主要厂家生产的油气输送钢管韧性水平抽检结果

续表

由于设备条件的限制，螺旋缝埋弧焊管不能生产大直径焊管，最大直径在φ813mm以下，壁厚在16mm以下，钢管的残余应力、圆度等均存在着一定的问题。

直缝埋弧焊管国内尚属空白，ERW管虽然小机组很多，但由于技术尚未完全过关，油气管线应用较少。

三、“十五”规划实施后管道钢、钢管的技术进步

20～21世纪之交，正是我国“十五”规划执行之机，我国将进入大规模陆续修建横贯国土的西气东输和从境外到我国东南沿海经济发达地区的高压输气管线时代。在进入WTO国际市场竞争条件下，这些高压输气管线在输送压力、输送量、管线用钢、管线安全等技术方面，必须与国际当代先进水平保持同步，从而带来了高压输气管线用钢、钢管问题。通过“十五”规划执行、通过西气东输工程的推动，使我国管线钢、钢管生产、质量大大缩小了与国际先进水平的差异，具体体现在如下几方面。

（一）技术标准

制定严格、适用的技术标准是获得适用而可靠的产品的前提。管线钢和钢管技术标准必须综合考虑管道的实际情况、高压输送工艺的要求、管道施工工艺的要求、冶炼和轧钢的工艺性、制管的工艺性、检测技术的可行性、国际先进标准的水平、国外同类管道的经验以及经济性要求等。

西气东输工程建设的需要，在中国石油天然气总公司的组织和领导下，由中国石油天然气管道局负责编制了管线钢、钢管技术标准。

西气东输工程的管线钢和钢管的技术标准是在API SPEC 5L的基础上，参照多家国外同类管道的标准，综合考虑以上因素，集国内多位专家的智慧反复修订而成。实践证明，西气东输工程的管线钢和钢管的技术标准是先进的、适用的和可行的，为我国管线钢的发展，为我国高压输气用钢管制造和设备改造指明了方向，在保证产品质量上发挥了巨大的作用。

（二）X70、X80钢级的开发与应用

国外在20世纪70年代就开始开发X70钢级，到90年代，X70钢已成为大流量输气管道的首选钢级。因为大流量输气管道要求采用高输送压力、采用高钢级管线钢，以便大大减少管道建设投资和运行费用。西气东输工程是国内首次将X70管线钢用于高压大直径输气管道，继而在陕京二线、冀宁联络线上使用X70管线钢和钢管。我国钢铁工业的技术进步，缩小了我国输气管道用钢与国际上的差距，在短短的5年内，我国钢铁企业提供了壁厚14．6mm、17．5mm的X70管线钢热轧卷板将近100×10⁴t和少量X70、X80钢宽厚板。

国外早期的X70级管线钢，其组织为少量珠光体加铁素体。90年代初，国外一些先进钢铁企业已转而生产针状铁素体型X70钢。

西气东输工程选用的是针状铁素体型管线钢，这种钢从合金设计，冶炼工艺，热轧工艺到管材显微组织都与铁素体—珠光体管线钢不同。生产的要求是进一步提高纯净度（C≤0．05%，S≤0．005%，P≤0．010%，N≤30ppm（×10^－6）），P＋S＋O＋N≤100ppm（×10^－6）），使用钙处理硫化物，在连续铸锭过程中采用电磁搅拌和软压缩措施，在钢的基体中加入微量钼（0．2%～0．4%）以促使针状铁素体的形成，并用适量铜、镍、铬强化基体，在高温动态再结晶临界温度Tr上下温度区间进行控制轧制，通过在线强制加速冷却，进一步细化晶粒度（平均3～8μm），使其铁素体基体的均匀化程度提高，位错密度增加。这种钢具有比铁素体—珠光体型管线钢有更好的焊接性能，抗天然气中硫化氢腐蚀和氢诱发裂纹性能，抗大气腐蚀性能，有相当高的冲击韧性，是现代化高压输气管线专用管线钢种。加拿大—美国芝加哥Alliance输气管线、北海油田CATS水下输气管线、连接我国南海鹦哥海气田—深圳的水下输气管线、川北垫江—长寿的输气管线等所使用的都是针状铁素体型管线钢。

西气东输工程要求采用针状铁素体型X70管线钢，促使我国钢铁企业加快技术进步的步伐，起到了技术导向的作用。目前，我国钢铁企业已能大批量生产针状铁素体型X70钢热轧卷板。通过针状铁素体型X70管线钢的研制、生产以及在西气东输工程的成功应用，目前我国上海宝山钢铁股份有限公司、武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司等其他公司掌握了针状铁素体型高强度、高韧性管线钢的成分设计、生产工艺控制和质量控制等关键技术。近年来，这些钢铁公司又进行了更高强度等级的X80管线钢的开发，开发出了针状铁素体、少量等轴铁素体和一些M/A组元组织的具有高强度，同时还具有高的低温冲击韧性及优良的抗动态撕裂能力的X80钢级热轧板卷和钢板，在管线钢热轧板卷的开发与应用方面进入了国际先进行列。

（三）大口径螺旋缝埋弧焊管的制造与质量取得重大进步

1．大口径螺旋缝埋弧焊管机组重大突破。西气东输、陕京二线、冀宁联络线等这些高压（10MPa）、大口径（φ1016mm）管线一、二类地区决定都采用X70（X80）针状铁素体钢制造的螺旋缝埋弧焊钢管，这一决定不仅是中国在高压输气管道用钢管选型方面的重大突破，而且还为中国螺旋缝埋弧焊钢管的制造厂提供了机遇和挑战。以中国石油天然气总公司所属的4家制管厂为核心，开发研制了能生产φ1422×17．5mm的螺旋缝埋弧焊钢管机组近10套，为西气东输、陕京二线、冀宁联络线共生产了近百万吨φ1016×14．6mm、φ1016×17．5mmX70针状铁素体钢螺旋缝埋弧焊钢管和小量φ1016×15．3mmX80针状铁素体钢螺旋缝埋弧焊钢管，5年来，在高钢级、大口径螺旋缝埋弧焊钢管的制造能力上取得了重大突破。

2．螺旋缝埋弧焊钢管制造技术重大进步。20世纪七八十年代螺旋焊管工艺落后、设备陈旧、产品质量差。早期螺旋焊管的主要缺点是：几何形状精度差、残余应力大、工艺缺陷较多，国内外均是如此，因此国外一些石油公司的企业规范中禁止在油气输送管道上使用螺旋焊管也主要是在这一时期。90年代以来，国内螺旋焊管的制造技术已取得了巨大的进步。“十五”规划5年来，我国螺旋焊管制造技术取得了重大突破。

（1）几何形状精度提高。改善成型前带钢的板边准备，用铣边工艺代替剪边工艺，并铣出焊接坡口，采用板边预弯工艺，以改善成型效果。

采用新型强力成型器，使成型稳定，大大提高了成型精度，且成型器刚度大。

研制出新型管端扩径机，大大提高管端的尺寸精度。可使管端直径公差减少到1mm以内，圆度也有明显改善，同时钢管两端直径差也大大减小，我国大口径螺旋焊管的管端尺寸精度的控制已达到国际先进水平。

研制出管端焊缝砂带打磨机，可以准确地将管端150mm范围内的内外焊缝余高打磨到0～0．5mm之内，且与相邻管体表面相对光滑过渡，打磨质量稳定，不伤及母材，同时还极大地降低工人劳动强度和工序成本。

（2）结构应力控制。改进了成型器的结构、三辊弯板结构的辊型、辊距和布置方式、外控辊的结构，发展了低结构应力成型法，可以实现稳定的负弹复成型，大大降低了管体的结构应力，且大部分切口为负方向弹性恢复，标志着在高强度螺旋焊管成型技术中取得了重要进展。

（3）焊接工艺的进步。改善板边焊前准备，采用铣边工艺使板边平直并开出坡口。

内外焊接均采用多丝焊，改善焊缝组织，减小热影响区。

通过优选焊材、焊剂、焊速、焊接电流、电压以及焊丝的间距、倾角等工艺参数。

提高超声波探伤的灵敏度和可靠性，严格控制焊后、水压后和管端的焊缝质量。

（四）直缝埋弧焊钢管制造与技术条件填补了国内空白

“十五”期间，中国石油天然气总公司为满足国内油气管线建设，尤其是西气东输、陕京二线、冀宁联络线建设对高钢级、大口径用直缝埋弧焊管的需求，中石油华北石油钢管公司（巨龙钢管公司）建设了JCOE直缝埋弧焊钢管生产线，并为上述三条输气管线生产了X70、X80φ1016mm直缝埋弧焊钢管30余万吨，该生产线建成不仅填补了我国高钢级、大口径直缝埋弧焊钢管的空白，也平抑了国外进口钢管的价格，继此之后，沙市钢管厂、万机钢管公司等相继也建设了8条JCOE生产线，到目前国内已具有生产直缝高钢级、大口径埋弧焊50万吨/年的能力。

我国新建JCOE直缝埋弧焊管生产线特点是：

1．设备先进。采用了全板超声波探伤设备、浮动式高精度铣边机、强力压力机式预弯、20轴数控成型机、大功率连续预焊机、四丝自动跟踪内外焊机、钢管全长机械扩径机、水柱耦合式超声波探伤设备以及质量管理信息系统。

2．技术先进。成型过程采用了折弯数字控制和液压伺服控制、横梁同步测量和控制、下梁动态补偿、进给机构步进控制等先进的控制技术。

大壁厚焊接采用高速气体保护焊技术进行连续预焊，用四丝串列埋弧焊技术进行内、外精焊。

扩径和水压试验后和焊缝检验采用了国际上先进的水柱耦合式超声波检验技术，保证了最终焊缝检验的可靠性。

（五）高钢级大口径感应加热弯管和管件制造取得重大进展

加热弯管和管件是管道建设的重要组成部分，需用量大，质量要求高，生产工艺、技术要求严格。中国石油天然气管道局机械厂等9家生产企业研究制造了大型弯管机、热处理炉，完善了生产线。5年来，成功地为西气东输、陕京二线、冀宁联络线等重大管线生产了高钢级、大口径5000多件弯管、管件，不仅填补了我国生产高钢级大口径弯管、管件的空白，生产能力已经跃居世界第一位。

四、结论

1．油气高压、大口径管道输送要求采用高强度、高韧性管线钢和钢管，通过近5年的技术开发，X70、X80针状铁素体管线钢生产技术有了很大进步，可以批量生产板卷和钢板，并在多条国内重大管线上应用。

2．5年来，制管设备的建设、制管技术的进步使我国高钢级、大口径螺旋埋弧焊和直缝埋弧焊钢管的生产已具备每年100×10⁴t的生产能力，产品质量已接近国外同类产品的先进水平。

3．热煨弯管和管件生产设备、技术已有重大突破，生产能力居世界第一位。

4．随着高钢级、大口径管线钢、钢管、管件要求的不断提高，新的问题会不断出现，技术难题依然存在，须不断完善和提高。