國(guó)內(nèi)外高鋼級(jí)管線鋼的發(fā)展及應(yīng)用

張 斌，錢成文，王玉梅，張玉志

（中國(guó)石油管道研究中心，河北廊坊 065000）

國(guó)內(nèi)外高鋼級(jí)管線鋼的發(fā)展及應(yīng)用

張 斌，錢成文，王玉梅，張玉志

（中國(guó)石油管道研究中心，河北廊坊 065000）

長(zhǎng)輸油氣管道正在向大口徑、高壓力的方向發(fā)展，為滿足這一要求，高鋼級(jí)管線鋼的應(yīng)用逐漸成為油氣管道建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。目前陸上天然氣管道已經(jīng)發(fā)展到X80鋼級(jí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)更高鋼級(jí)X100、X120的研究也取得了新的進(jìn)展。本文系統(tǒng)整理并介紹了國(guó)內(nèi)外X80、X100、X120等三種高鋼級(jí)管線鋼的開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了它們的發(fā)展方向。

X80管線鋼；X100管線鋼；研究；應(yīng)用

0 引言

在過去的幾十年里，長(zhǎng)輸油氣管道發(fā)展迅猛，輸送壓力不斷提高，從上世紀(jì)60年代的6.3 MPa上升到了目前的15～20 MPa。同時(shí)，長(zhǎng)輸油氣管道通常位于環(huán)境比較惡劣的地區(qū)，為保證管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)管線鋼的性能提出了更高的要求。通過高鋼級(jí)管材的開發(fā)和應(yīng)用，可減小鋼管的壁厚，減輕鋼管的自重，縮短焊接時(shí)間，并降低管道建設(shè)成本。有關(guān)文獻(xiàn)介紹，采用X80管線鋼會(huì)比X65管線鋼節(jié)省7%的建設(shè)費(fèi)用。因而高鋼級(jí)管線鋼的應(yīng)用逐漸成為油氣管道特別是天然氣管道建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。

目前，在長(zhǎng)輸油氣管道中正式應(yīng)用的最高鋼級(jí)是X80管線鋼，X100、X120管線鋼也已經(jīng)開發(fā)出來，并且國(guó)外已建成部分試驗(yàn)段。國(guó)內(nèi)高鋼級(jí)管線鋼研究起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速，隨著西氣東輸二線工程的開展，我國(guó)成為擁有X80鋼管道里程最長(zhǎng)的國(guó)家，高鋼級(jí)管線鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)步入國(guó)際先進(jìn)行列。

1 高鋼級(jí)管線鋼成分及性能

國(guó)內(nèi)外高鋼級(jí)管線鋼成分均為超低碳微合金化。通過降低C的含量，改善鋼的低溫韌性、斷裂抗力、延展性及成型性；增加Mn的含量，以彌補(bǔ)管線鋼因降低C含量而損失的屈服強(qiáng)度；同時(shí)控制V、Nb、Ti等微合金化元素的含量，使管線鋼獲得最佳的韌性和焊接性。國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的X80、X100及X120管線鋼化學(xué)成分指標(biāo)要求見表1。

由于工藝技術(shù)的差別，各廠商生產(chǎn)的高鋼級(jí)管線鋼的組織形態(tài)存在一定的差異。但一般說來，X80管線鋼為鐵素體和貝氏體雙相組織，X100管線鋼一般為貝氏體組織，X120管線鋼為超低碳貝氏體和馬氏體。對(duì)于X80、X100管線鋼的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與API標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定差別不大；對(duì)于X120管線鋼，API SPE 5L-2007“Specification for Line Pipe”將 X120納入其中，而 GB/T 21237-2007《石油天然氣輸送管用寬厚鋼板》并未提及。三種高鋼級(jí)管線鋼性能指標(biāo)見表2。

表1 高鋼級(jí)管線鋼的化學(xué)成分指標(biāo)[3-4]

表2 高鋼級(jí)管線鋼的性能指標(biāo)[4-5]

2 高鋼級(jí)管線鋼的研究開發(fā)

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

2.1.1 X80管線鋼

國(guó)外X80管線鋼的研究開發(fā)工作始于上世紀(jì)80年代，1985年德國(guó)的Mannesmann（后并入歐洲鋼管公司）成功研制了X80管線鋼，同年X80鋼級(jí)被列入了API標(biāo)準(zhǔn)中。從90年代開始，X80管線鋼得到了批量化使用，日本、加拿大、歐洲的生產(chǎn)廠家均有批量供貨記錄。目前國(guó)外主要生產(chǎn)廠家情況見表3，德國(guó)、日本、加拿大等國(guó)X80管線鋼研究開發(fā)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟。

表3 全球主要X80鋼及鋼管生產(chǎn)廠家[6]

經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前國(guó)外在X80管線鋼的冶煉與軋制、鋼管制造、焊接工藝、管道防腐、管道設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在工業(yè)應(yīng)用方面已不存在技術(shù)問題。如今X80管線鋼已得到廣泛應(yīng)用，加拿大Trans Canada等管道公司將X80管線鋼作為新建大型天然氣管道的首選鋼級(jí)。

2.1.2 X100管線鋼

有關(guān)X100管線鋼的最早研究報(bào)告發(fā)表于1988年，但當(dāng)時(shí)并沒有實(shí)際的應(yīng)用需求，直到90年代中期鋼管公司對(duì)X100管線鋼的研發(fā)工作才開展起來。1994年歐洲鋼管公司開始研究開發(fā)X100管線鋼。90年代末期，英國(guó)Advantica公司、殼牌、BP阿莫科和英國(guó)天然氣公司曾對(duì)X100級(jí)管線鋼進(jìn)行歷時(shí)五年之久的聯(lián)合研制，研究重點(diǎn)是希望在管線鋼的抗裂特性和有效止裂上取得突破。

進(jìn)入21世紀(jì)，對(duì)高性能X100管線鋼的研究依然活躍。截至2002年，歐洲鋼管公司已采用TMCP（熱機(jī)械控制）工藝生產(chǎn)出數(shù)百噸X100管線鋼[7]，并進(jìn)行了數(shù)次全尺寸爆破試驗(yàn)。新日鐵成功地開發(fā)了具有劃時(shí)代意義的熱影響區(qū)細(xì)晶粒超高強(qiáng)韌技術(shù) （HTUFF），生產(chǎn)了具有高HAZ韌性型和高均勻延伸率型的X100鋼管。2006年，日本住友金屬公司投資100億日元，在鹿島廠建立X100及以上級(jí)別超高強(qiáng)度管線鋼的生產(chǎn)體系，預(yù)計(jì)投產(chǎn)后年生產(chǎn)能力可達(dá)50萬t。

經(jīng)過多年發(fā)展，X100管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)也逐步完善起來。2002年，新版CSZ 245-1-2002首次將X100鋼級(jí)列入了加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。之后，X100鋼級(jí)被列入了ISO 3183草案中，并由ISO和API聯(lián)合工作組完成了標(biāo)準(zhǔn)的修訂。2007年，X100鋼級(jí)正式被列入API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)中。

2.1.3 X120管線鋼

1993年，?？松梨诠鹃_始研究X120管線鋼，在1996年分別與日本新日鐵和住友金屬簽訂了X120管線鋼研究合作協(xié)議，開展了X120管線鋼鋼板開發(fā)、X120管線鋼焊接工藝多方面的研究[8]。2000年，?？松梨诶眯氯砧F生產(chǎn)的X120鋼管進(jìn)行了全尺寸爆破試驗(yàn)。2006年，新日鐵投資40億日元，在君津廠建立X100和X120級(jí)超高強(qiáng)度管線鋼鋼管的生產(chǎn)體系，并于2008年3月實(shí)現(xiàn)了X120級(jí)UOE鋼管的商業(yè)化生產(chǎn)。

目前國(guó)外掌握X120管線鋼生產(chǎn)技術(shù)的僅有日本新日鐵、住友金屬和韓國(guó)的浦項(xiàng)制鐵等少數(shù)幾家，且生產(chǎn)X120鋼級(jí)鋼管均采用了UOE成型工藝。X120管線鋼相關(guān)技術(shù)尚需進(jìn)一步完善，如X120管線鋼的止裂性能、焊縫強(qiáng)度匹配性問題等還需要深入的研究。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

2.2.1 X80管線鋼

雖然國(guó)內(nèi)X80管線鋼研究起步較晚，但由于西氣東輸一線、二線等重大工程的推動(dòng)，X80鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展十分迅速。寶鋼、武鋼、鞍鋼等國(guó)內(nèi)大型鋼企已相繼成功開發(fā)了X80級(jí)熱軋板卷和寬厚鋼板，并具備了批量生產(chǎn)能力。寶雞、華油、巨龍等鋼管公司也已成功開發(fā)了X80級(jí)螺旋縫埋弧焊管和直縫埋弧焊管。國(guó)產(chǎn)X80管線鋼在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)手段、試驗(yàn)方法上都實(shí)現(xiàn)了重大突破，質(zhì)量達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，西氣東輸二線用鋼基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

2.2.2 X100管線鋼

2006年7月鞍鋼成功研制開發(fā)了X100管線鋼寬厚板，成為國(guó)內(nèi)首家掌握X100級(jí)管線鋼生產(chǎn)技術(shù)的鋼鐵企業(yè)。2007年8月武鋼成功開發(fā)了X100板卷。另外，寶鋼、本鋼、濟(jì)鋼等也已成功研制了X100管線鋼。

2007年華油鋼管廠成功研制出X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管，直徑813 mm、壁厚12.5 mm，其質(zhì)量達(dá)到國(guó)際同類鋼管實(shí)物水平。巨龍鋼管公司采用JCOE工藝，成功制造了直徑813mm、壁厚15mm的直縫埋弧焊鋼管。2010年寶雞鋼管公司成功研制了X100螺旋埋弧焊管，管徑1219mm、壁厚15.3mm。

2.2.3 X120管線鋼

寶鋼于2005年啟動(dòng)了X120管線鋼的前期研發(fā)，2006年l0月寶鋼在新投產(chǎn)的5 000 mm寬厚板軋機(jī)上成功試制出超高強(qiáng)度X120管線鋼寬厚板，成為國(guó)內(nèi)第一家、全球第四家具備X120管線鋼試生產(chǎn)能力的企業(yè)。2008年3月太鋼在2 250 mm熱連軋生產(chǎn)線上成功軋制了X120板卷，成為全球首家實(shí)現(xiàn)X120管線鋼卷板試生產(chǎn)的企業(yè)。巨龍鋼管有限公司采用寶鋼研制的X120鋼級(jí)管線鋼鋼板成功研制出直徑914 mm、壁厚16 mm直縫埋弧焊鋼管，鋼管成型采用JCOE工藝。管體和焊縫的強(qiáng)度、沖擊韌性和硬度等力學(xué)性能均較為理想，達(dá)到了國(guó)外同類鋼管實(shí)物水平。

3 高鋼級(jí)管線鋼應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 X80管線鋼應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外近20多年的使用經(jīng)驗(yàn)證明，X80鋼級(jí)應(yīng)用于高壓輸氣管道已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，其主要用戶有加拿大的TransCanada、德國(guó)的Ruhrgas、英國(guó)的Transco、中國(guó)的中石油等。至今具有代表性的X80管線鋼輸氣管道有德國(guó)Schluechtern-Werne管道、美國(guó)Cheyenne Plains管道和中國(guó)西氣東輸二線管道等工程。

（1）德國(guó)Schluechtern-Werne管道。管道全長(zhǎng)259 km，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，管徑1 219 mm，壁厚18.3 mm和19.4 mm，全部采用X80直縫埋弧焊管。這條管道的意義在于它是全世界第一條成功應(yīng)用X80管線鋼的大型高壓輸氣管道，展示了X80管線鋼在高壓、大流量輸氣管道上應(yīng)用的廣闊前景，有很強(qiáng)的示范作用。

（2）美國(guó)Cheyenne Plains輸氣管道。從俄亥俄州首府夏延市 （Cheyenne）到堪薩斯州的格林斯堡 （Greensburg），全長(zhǎng)611.55 km，最高運(yùn)行壓力為11.1 MPa，日輸氣量0.48億m3，總投資4.25億美元，所用鋼管為加拿大IPSCO公司生產(chǎn)的螺旋管和美國(guó)NAPA公司生產(chǎn)的UOE直縫管。這是美國(guó)建設(shè)的第一條X80鋼級(jí)長(zhǎng)距離輸氣管道，也是第一次大規(guī)模應(yīng)用HTP軋制工藝生產(chǎn)的管線鋼管道[9]。

（3）中國(guó)西氣東輸二線管道。西氣東輸二線管道引進(jìn)中亞地區(qū)的天然氣，西起新疆霍爾果斯口岸，南至廣州，東達(dá)上海，管道干線長(zhǎng)4 843 km，直徑1 219 mm，壁厚18.4 mm及以上，西段設(shè)計(jì)壓力12 MPa，管道年輸氣量將達(dá)到300億m3[10]。西氣東輸二線管道是我國(guó)首次大規(guī)模采用X80建設(shè)的長(zhǎng)距離輸氣管道，其長(zhǎng)度超過了國(guó)外所有X80管道的總長(zhǎng)，標(biāo)志著我國(guó)高鋼級(jí)管線鋼技術(shù)已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

目前，全球已建X80管線鋼管道統(tǒng)計(jì)概況如 表4[3，9-13]所示。

3.2 X100/X120管線鋼應(yīng)用現(xiàn)狀

在X100管線鋼應(yīng)用方面，國(guó)外已有多條試驗(yàn)段建成。2001年英國(guó)BP公司與日本鋼鐵公司和德國(guó)的歐洲鋼管進(jìn)行合作，在美國(guó)阿拉斯加氣田開發(fā)中使用X100管線鋼。加拿大Trans Canada公司是X100管線鋼應(yīng)用的積極推動(dòng)者，該公司已建設(shè)了多條X100管線鋼試驗(yàn)段，見表5。

表4 國(guó)內(nèi)外X80級(jí)管道項(xiàng)目

表5 X100級(jí)管道試驗(yàn)段[14-15]

2004年?？松梨诠九cTrans Canada公司合作，在加拿大-30℃凍土地帶建成了世界第一條長(zhǎng)1.6 km的X120級(jí)輸氣管道試驗(yàn)段[16]，這也是目前全球唯一一條X120級(jí)管道。在該管道的施工過程中，研究人員重點(diǎn)關(guān)注了X120鋼管的氫致斷裂，并對(duì)焊接預(yù)熱和焊接過程的溫度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

目前國(guó)內(nèi)尚未建成X100/X120管線鋼試驗(yàn)段，但據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，尚處于設(shè)計(jì)階段的西氣東輸三線主干線擬建設(shè)X100/X120級(jí)管線鋼的試驗(yàn)段[17]，如能實(shí)現(xiàn)，必將大大推動(dòng)國(guó)內(nèi)高鋼級(jí)管線鋼的發(fā)展。

4 結(jié)束語

國(guó)外高鋼級(jí)管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用已有20余年的歷史，在X80管線鋼的冶煉與軋制、鋼管制造等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟；X100管線鋼的開發(fā)生產(chǎn)也已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并建成了多條試驗(yàn)段工程；X120管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)僅掌握在少數(shù)幾個(gè)鋼鐵企業(yè)，相關(guān)技術(shù)尚需完善。

國(guó)內(nèi)對(duì)高鋼級(jí)管線鋼的研究起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速，隨著西氣東輸二線等重大工程的開展，我國(guó)已躍居X80鋼管道總長(zhǎng)度第一位，生產(chǎn)與應(yīng)用均達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。X100與X120管線鋼國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商也已開發(fā)出來，性能已達(dá)到國(guó)外實(shí)物產(chǎn)品同等水平，但尚未進(jìn)行試驗(yàn)段建設(shè)，同時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步完善。

對(duì)于X80管線鋼，相關(guān)技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，勢(shì)必會(huì)成為今后大口徑、高壓力油氣管道，尤其是天然氣管道用鋼的趨勢(shì)。對(duì)于X100、X120鋼級(jí)的工程應(yīng)用，需在提高X100/X120管線鋼止裂韌性、改善焊縫強(qiáng)度與母材強(qiáng)度匹配性等方面進(jìn)行更為深入的研究。

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Development and Application of High-grade Pipeline Steel at Home and Abroad

ZHANG Bin（PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang 065000,China）,QIAN Cheng-wen,WANG Yu-mei,et al.

Development trend of long distance oil and gas pipelines is toward large-diameter and highpress.To meet these requirements,the application of high-grade pipeline steel becomes the development tendency of oil and gas pipeline construction gradually.Currently,the steel grade of onshore natural gas pipeline has been developed up to X80.And the research of X100 and X120 pipeline steels has made new progress.This paper introduces the development,production and application status of X80,X100 and X120 pipeline steels and views their development prospects.

X80 pipeline steel;X100 pipeline steel;research;application

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.001

張 斌 （1982-），男，山東聊城人，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事油氣管道科技信息與規(guī)劃研究工作。

2011-03-30；

2011-04-26