世界管线钢管发展动向和八个热点研究

一． 当前管道建设的发展动向

1.单管输气量不断提高

我国早期四川、西北地区的天然气管道采用X52及以下钢级、426mm以下管径的管线钢管，设计年输气量在10亿m3/a以下；陕京一线第一次采用了X60钢级、D660mm管线钢管设计年输量提高到33亿m3/a；西气东输一线采用X70钢级、D1016mm管线钢管，设计年输量提高到170亿m3/a；最近建设的西气东输二线管道，采用X80钢级、D1219 mm管线钢管，设计年输量提高到300亿m3/a。

这种单管输气量不断提高的趋势仍在持续。当前国际上新一轮巨型天然气长输管道，单管输气量将达到450亿-500亿m3/a的水平。干线一般采用X80钢级，具有输送距离长、采用更高工作压力和大管径输送的特点。一个具有代表性的项目是正在建设的俄罗斯巴甫年科沃-乌恰天然气管道。管线长度1100km，采用1420mm管径和K65（类似于X80）钢级，输送压力11.8MPa，单管设计输气量约500亿m3/a，计划于2012年第三季度进行系统调试。另一个有代表性的项目是拟在北美建设的阿拉斯加北坡天然气外输管道，管道的输送能力约465亿m3/a，管线长度2737km，采用1219mm管径和X80钢级，将阿拉斯加北坡丰富的天然气资源输送到加拿大和北美市场。

我国也已在规划研究未来多条西气东输管道（西三线~西八线）的方案。包括将单管输气量提高到400亿~500亿m3/a的多种方案都在研究之中。由于西气东输二线采用的X80钢级、管径1219mm，12 MPa工作压力的方案只能达到300亿m3/a的输气能力，要将输气能力进一步提高到400亿-500亿m3/a，只能进一步提高输送压力和管径。正在进行采用X80钢级，管径1422mm的方案论证。

2.服役条件要求更加严酷

极低的设计温度下的韧性要求，如-45℃以下的DWTT剪切面积；输送富气介质要求的高止裂韧性；输送含H2S、CO2等成分介质的抗腐蚀要求；通过地震、滑坡及不连续冻土带等恶劣地质灾害区的应变能力；深水海底管道的抗压溃能力等等。

3.对管线管的性能要求更高、更全面

管线钢管的标准和技术条件更加完善，对管线管的技术要求更全面；对钢管的力学性能要求更加苛刻；由于管道钢级和管径、壁厚的不断提高，对保证现场环缝焊接质量和进度的要求更加迫切，要求钢管具有低的碳当量和高可焊性；同时要求钢管能够适应施工时的冷弯变形。

4.要求更加可靠的质量保证

通过现代化的信息系统提高管线钢和钢管制造厂的质量保证能力，全面满足管道项目规范要求，是取得重要管道项目客户的信赖的关键条件。

5.要求良好的经济性

在满足多种严格技术要求的前提下，提高管线钢的生产效率和收得率，降低合金成本也成为在日益激烈的竞争中取胜的关键之一。
   
  

通过管线钢轧制过程的组织调控，制造出具有一定比例软硬相的双相组织管线钢，在具有高强度和高韧性的同时，又具有较低的屈强比和应变时效倾向。日本JFE钢铁公司采用HOP（在线热处理）技术开发的HIPE钢；北京科技大学尚成嘉教授领导的研究团队采用多相组织调控技术开发的第三代低合金钢。屈服强度可实现平稳控制，屈强比低于0.8，X70级均匀延伸大于10%, 同时具有优良的低温冲击韧性和DWTT性能；制管冷加工后屈服强度平均只增加20MPa，而抗拉强度增量更加明显（40MPa），有利于对钢管屈强比的控制，表现出优良的抗制管应变性能，能够解决高钢级管线钢应变时效敏感性问题。由于第三代管线钢采用了多相组织，其高均匀延伸性质将大大提高钢管抗变形性能，有望在基于应变设计的管线中得到广泛应用。第三代多相组织X100管线钢同样具有低屈强比（≤0.8），高强度和高韧性，抗应变时效性能好，均匀延伸高（≥8%）的特点，有利于提高X100管线的安全性。

2.超高强度管线钢管的应用

目前列入API spec 5L的超高强度管线钢管共有X90、X100和X120 三个钢级，但目前的研究开发工作主要集中在X100上，近年来关于X120的报道迅速减少，而X100的报道急剧增加，X90在国外至今无人问津。X100的开发，始于1994年前后，壳牌公司要求主要钢管生产商提供样品管的推动。X120的开发，则是由美孚公司与钢管制造厂之间的合作研究开始的。2000年前后，钢管开发水平得到了很大的提高，在全尺寸气体爆破实验之外，开始小规模建设试验段和试运行。

世界上已建X100/X120试验段的情况

经过十多年的研究开发，国外先进钢管厂家已经掌握了X100管线钢管的制造技术，产品性能的稳定性有很大提高，能够批量稳定供应X100 UOE钢管；前期X100试验段的钢管均由日本JFE提供，后期则扩大到新日铁和欧洲钢管；新日铁公司宣称在投资完成UOE管厂制管新工艺改造后，已经具备X120以下高强度UOE管线管的稳定商业生产能力；其他几家制管企业(欧洲钢管、日本住友金属、JFE)也对他们投资改造制管工艺以实现高强度管线管商业生产的情况进行了报道。因此，有几家已经或是将要做好X100大口径(UOE)管线管商业化生产的准备。国外开发的X100螺旋焊管的厚度较小，只有12.7mm，难以适应未来大输气量管道的要求。我国超高强度管线钢的开发始于2006年，巨龙钢管与鞍钢、南钢和宝钢合作先后开发了X100和X120直缝埋弧焊管线钢管；近年来，又有多家钢厂和管厂进行了X100板材和钢管的小量试制，特别是较大壁厚的螺旋焊管少数样本的性能指标接近国外同类产品水平；研究的深度和开发的程度与国外还有很大差距。特别是对于X100钢管对天然气长输管道适用性的研究几近空白，还未达到试验段建设要求；全尺寸爆破试验还未开展。

3.开展对X90和X100止裂器的试验

X100的实际工业化应用进展缓慢，究其原因，主要是由于X80到X100跨距过大，要同时提高管线钢的强度和韧性十分困难；管道环向应力超过450MPa之后的断裂控制问题没有解决；管道的环缝焊接也存在问题。根据我国批量生产西二线X80钢管的力学性能分析，X90的强韧性匹配比较容易达到，也有可能实现依靠管体韧性自止裂；开展X90开发研究得到了中石油集团公司领导的重视和支持，在X90螺旋、直缝钢管的开发方面取得了较大进展，这是具有中国特色的超高强度管线钢管开发技术路线，有可能较快取得突破，在国际上率先实现X90级钢管的工业化应用。国外对于X100的爆破试验结果表明，要实现X100大口径天然气长输管道的自止裂十分困难，采用止裂器可能势在必行，而我们对止裂器的试验研究基本上是空白，应该抓紧进行。

4.高强度钢管断裂控制研究

鉴于现有的预测模型难以正确预测高强度管线钢管的止裂能力，世界各国对X100管线管的止裂韧性预测进行了大量的研究。这些研究中有代表性的是日本住友金属和加拿大TCPL所进行的研究工作。日本住友金属认为，试样厚度对断裂韧性的影响是造成TCM方法中断裂速率预测出现偏差的原因；DWTT冲击功比较适合作为对韧性的评定的指标，通过新开发的部分气体爆破试验得到证实。日本住友金属采用HLP方法和新开发的断裂速率曲线提出了住友模型，计划并实施了X100全尺寸断裂扩展试验。

日本住友金属的等韧性排布爆破试验

试验的所有钢管采用等韧性排布，成功地证实了两侧的延性断裂扩展均在短距离内止裂，这与传统的阶梯形韧性排布爆破试验的结果有很大差异。这表明等韧性排布更接近实际工况，其结果对于确定止裂韧性更有价值。在采用阶梯形韧性排布时，起裂管的韧性低，距起裂管较近的钢管韧性也较低，造成过高的断裂速度在爆破管中传播，而高断裂速度使钢管的延性断裂阻力降低，是造成止裂预测偏差的主要原因。根据住友模型分析了不同梯度韧性排布对止裂距离的影响。分析指出，即使是10J的韧性梯度，就会使止裂距离从13m扩大到20m，而50J的韧性梯度则将使止裂距离扩大到58m。

加拿大TCPL的DWTT能量法研究

加拿大TCPL着重研究了断裂速度对管线钢延性断裂阻力的影响。认为虽然落锤试验比夏比试验能够更好地表征延性断裂阻力这一点已成为共识，但传统的落锤试验获得的断裂速度太低(15.2 - 18.3 m/s)，而管子全尺寸爆破试验中的断裂速度达到 (91.4 至 305 m/s)，因此依靠传统的落锤试验并不能获得在实际高速断裂情况下的阻力数据。

TCPL和EMCC合作开发了一种背面开槽的落锤试样以获取更高的断裂速度。把落锤试样的宽度从标准的3英寸增加到5英寸，并在试样背面开槽，增加韧带长度，以获取更多的稳态数据；采用仪器化的锤头测量仪器测量动态冲击过程的负载；采用数字化的高速视频摄像技术获取动态断裂图像和荷载-位移曲线、稳态能量(或单位面积能量)。

从断裂速度在少于10米/秒到160米/秒大范围内测得的断裂韧性数据与断裂速度有非常好的相关性，试验数据支持了断裂韧性取决于断裂速度的预测。在此基础上对TCM模型的进行了改进，提出将单位断裂面积稳态断裂能作为动态断裂韧性的测量，纳入高速延性断裂的建模和预测。提高了其对X100止裂韧性预测的适用性。

研究结果也为止裂器的设计提供了具有重大指导意义。研究表明，断裂速度也影响止裂器的设计，在较高压力下的管道可以获得较高的断裂速度，因此对于同样的止裂器，如果在较低压力下能够止裂，而在较高的压力下则断裂可能通过止裂器。止裂器应能将断裂速度降低到下稳态断裂点以下的断裂速度水平以实现止裂。富气输送管道的断裂应在单个止裂器内完全停止。

5.焊管的大型化和厚壁化

当前，出现了天然气长输管道大型化的趋势，单管输气能力将提高到500亿m3/a，出现了对大口径厚壁X80钢管的需求。

如安塞乐米塔尔公司率先开发了壁厚21.6mm的X80板卷，并在土耳其的伊尔斯亚斯钢管厂(ERCIYAS)制成6 248吨外径1 422mm螺旋焊管，提供给VATTENFALL VAM 项目；俄罗斯新建的巴甫年科沃-乌恰天然气管道，采用管径1420mm的K65（类似X80）直缝埋弧焊钢管，壁厚达到23.0、27.7和33.4mm；拟建的阿拉斯加天然气管道，采用管径1219mm的X80直缝埋弧焊钢管，壁厚23.7mm、31.6 和37.9mm；希腊的柯林斯制管厂为爱尔兰天然气公司西柯利至米德尔顿管道批量生产了壁厚19.1 mm的L450MB (X65)直缝高频焊管，并且成功试制了壁厚25mm、管径609.6mm的X60钢管。

我国正在研究未来多条西气东输管道的规划，其中也包括管径1422 mm的方案，一级地区X80钢管的厚度可能达到21.4mm，三级地区X80钢管的厚度也可能超过30mm。壁厚21.6mm，管径1422mm的X80螺旋焊管、壁厚大于32mm，管径1422mm的X80直缝埋弧焊管以及壁厚25.4mm，管径660mm的高频直缝焊管是未来焊接管线管大型化的可能规格。而厚壁化对钢管的DWTT性能十分不利，解决厚壁高强度钢管的DWTT性能保障问题可能成为管道大型化和厚壁化能否实现的关键制约因素之一。

6.螺旋焊管的复兴

20世纪90年代初，由于欧洲和加拿大的一些钢管制造厂在螺旋焊管制造技术方面取得显著的进步，欧洲的一些天然气公司在一部分高压输气管道上开始采用螺旋埋弧焊管。由于新一代螺旋焊管业绩优良，且经济性好，进入21世纪以来，螺旋焊管在高压油气输送管道上的应用更是突飞猛进。许多国家纷纷在天然气长输管道上大规模应用螺旋焊管，其中最为典型的事例是美国近几年建设的两条X80级天然气长输管道、我国的西气东输和印度的东气西输管道都大量采用螺旋焊管，螺旋焊管的应用比例都超过70%。如今，螺旋焊管已得到大部分国家的油气长输管道建设业主的青睐。当前这一时期是螺旋焊管发展史上最为辉煌的时期。

7.预精焊工艺的推广应用

近年来，对高质量螺旋焊管的需求推动了预精焊机组建设的飞速发展。某些国际石油公司在制管工厂预审时只审核预精焊机组，对一步法机组不屑一顾，这表明是否采用两步法对重大管线投标的影响已经显现。由于螺旋焊管企业实力的增长，许多焊管企业有能力建设预精焊机组。十年前，全世界螺旋焊管预精焊机组不过4、5条，而今全世界螺旋焊管预精焊机组已超过20条，其中印度新建的预精焊机组已超过10条，土耳其1条，中国４条，美国新建的4条制管机组均为预精焊机组。我国螺旋焊管不仅为我国管道建设提供了保证，而且大量出口。低应力成型和残余应力控制、管端扩径和无损检测等技术、高韧性焊丝焊剂的应用，使我国螺旋焊管的质量大大提高，西气东输二线西段一次试压成功，在世界上产生了很大的影响。我国螺旋焊管主要采用一步法生产，预精焊技术的普及率与印度有较大差距。我国油气输送用螺旋焊管产能已达400万吨，今后应注重预精焊技术的推广应用，注重预精焊改造而不是新建机组。

8..焊管机组的数字化和信息化

新一轮油气管道建设要求高可靠性的高质量焊管。仅仅靠手工递送传票的方式已经不适应新的管道建设对焊管质量管理的要求。特别是大口径海底管道不仅要求具有极高的质量保证，而且要求很高的钢管的几何尺寸精度，如管体和管端的圆度要求优于0.5%。依靠手工卷尺测量的方法已经不能保证。在数字和信息技术高低发达的21世纪，信息化的浪潮席卷全球。为焊管机组实现高度信息化提供了雄厚的技术基础。为了应对管道建设对钢管日益提高的质量保证要求，20世纪末欧洲焊管企业率先进行了焊管企业信息化改造，以不断改善过程控制，提高产品质量。

现代焊管企业在机组单机自动化、信息化的基础上向全线数字自动化、网络化、智能化发展。先进焊管企业不仅实现了焊管机械设备的数字自动控制，而且焊接和热处理电源和无损检测装置也实现了全数字化控制。数字化和信息技术不仅用于先进制管设备的运行控制，而且用于成型、焊接过程的有限元分析，不仅可实时监控焊管质量，而且具备了数据分析和处理能力，通过内部控制和预警提高质量保证能力和持续改进。现代焊管企业质量管理和控制的核心是生产控制和信息系统，具有代表性的是欧洲钢管公司的PRODIS系统。它与工艺和质量参数自动检测系统相连接，对从材料到成品钢管的生产全过程和各中间阶段实行不间断的监控，为钢管生产提供持续的质量保证，并记录所有的质量数据和客户的要求。

在焊接过程通过多通道记录仪对焊接参数实行不间断的监控，当发现焊接参数（如电弧电压、电流）发生异常时，对管长特定位置上电压和电流突变（表明熔池中可能存在缺陷）进行标识，同时对下道检验工序X射线检查站自动发出异常预警信息，给出管号和缺陷部位信息，使X射线检查站能够准确定位探伤（对内焊缝的超声波探伤进行补充检验），同时提前通知焊工主动进行检查，这样，不仅及时消除了该缺陷，而且在进行下一根钢管的焊接之前就能进行必要的检查和调整，防止类似事件再次发生。

欧洲钢管公司采用激光实时检测和监控，通过严格的过程控制，实施严格的直线度和椭圆度的内控标准，实现北溪管道严格的管径和壁厚尺寸公差和等级要求，达到了管端椭圆度不超过5.0mm的要求。这对尺寸精度严格要求的海底管道是十分必要的。如果没有实时测量和监控和严格的过程控制，达到如此精确的尺寸控制是难以想象的。我国只有宝钢等少数企业实现了高度的焊管质量信息化控制，多数企业还停留在手工记录和传递的阶段，与国际先进水平差距巨大。如欧洲先进的螺旋焊管预精焊机组，实现了钢管自动传送、自动起停弧和焊接，自动记录焊接参数和信息，三套精焊机组只有两人值守，而我们一套机组就需要3人以上操作，而且需要频繁调节，甚至直缝埋弧焊管机组也达不到欧洲预精焊螺旋焊管机组的水平，需要急起直追。

三．结 语

当前管线钢管正向高强度、大直径和厚壁发展；钢管的几何尺寸精度和性能要求越来越高，对焊管机组的信息化和自动化提出了更高的要求；超高强度管线钢管的开发应用对断裂控制提出了新的要求；螺旋焊管的大量应用对预精焊技术推广应用的要求更加迫切。在向焊管强国挺进的过程中，我们应加强对上述热点的研究，通过对国外先进技术的消化吸收和再创新，使我国管线钢管技术向世界先进水平迈进