國內(nèi)外石油管材發(fā)展趨勢及質(zhì)量現(xiàn)狀淺析

張 蕾，何小東，陳宏達(dá)

中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院（陜西西安710077）

國內(nèi)外石油管材發(fā)展趨勢及質(zhì)量現(xiàn)狀淺析

張 蕾，何小東，陳宏達(dá)

中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院（陜西西安710077）

簡述了油氣輸送管線鋼管及油井管的發(fā)展趨勢。以油氣輸送鋼管為例，比較了國內(nèi)外管材的質(zhì)量差距。分析表明，盡管國內(nèi)石油用鋼管生產(chǎn)廠的裝備水平及自動(dòng)化程度很高，但在企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理理念和實(shí)際控制水平方面，依然落后于發(fā)達(dá)國家。最后，進(jìn)一步分析了影響管材質(zhì)量的主要問題，并提出了加強(qiáng)失效分析、加強(qiáng)石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化工作等管材質(zhì)量改進(jìn)的建議。

石油管材；質(zhì)量；質(zhì)量控制；標(biāo)準(zhǔn)

隨著全球化經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對石油天然氣能源需求日益增加，“三超”油氣、頁巖氣、稠油和海洋油氣等非常規(guī)油氣田的開發(fā)需要具有特殊性能的高質(zhì)量管材。為了解決日趨突出的油水系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢的問題，玻璃纖維管線管、柔性復(fù)合管（高、低壓）、塑料合金防腐蝕復(fù)合管以及鋼骨架復(fù)合管等多種非金屬管道在油田相繼得到了廣泛應(yīng)用。而作為石油和天然氣的一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長距離輸送工具，油氣輸送管道近年來取得了巨大的發(fā)展[1]。到目前為止，全球油氣輸送長距離輸送管道的總長度已超過2.3×106km，且平均以每年2.5×104km的速度增加。油氣輸送管道特別是天然氣管道正在向“大口徑、高壓輸送、高鋼級管材”趨勢發(fā)展，因?yàn)楦咪摷壒懿牡拈_發(fā)和應(yīng)用可減小鋼管的壁厚和重量，減少焊接時(shí)間，降低管道成本和建設(shè)成本[2]。因此，石油管材的質(zhì)量對油氣開發(fā)和運(yùn)輸具有重要意義。

1 國內(nèi)外石油管材發(fā)展趨勢

1.1 油氣輸送管道用鋼管發(fā)展趨勢

自1996年陜京管線使用直徑Φ660mm，最高鋼級X60，最大工作壓力6.4MPa的鋼管到2008年西氣東輸二線采用直徑為Φ1 219mm，鋼級X80，輸氣壓力12MPa的鋼管，標(biāo)志著我國天然氣管道工業(yè)發(fā)展到了一個(gè)新水平。與國外裝備相比，我國油氣輸送管道用鋼管生產(chǎn)裝備和自動(dòng)化程度有了很大提高，已達(dá)到甚至超過了國外制造商的水平，其生產(chǎn)效率也有較大提高。在無損檢測技術(shù)上，對于埋弧焊管采用X射線工業(yè)電視+超聲波探傷技術(shù)；對于HFW焊管和無縫鋼管主要采用超聲波探傷或渦流探傷。

國外生產(chǎn)油氣管道用鋼管的廠商主要為歐洲鋼管公司、韓國浦項(xiàng)制鐵公司，以及日本住友金屬、日本新日鐵、日本JFE等幾大鋼鐵企業(yè)[3]。國外公司生產(chǎn)的油氣輸送鋼管產(chǎn)品主要為UOE直縫埋弧焊接鋼管、HFW鋼管，其中UOE直縫埋弧焊接鋼管最高鋼級已達(dá)到X120。國外生產(chǎn)商可以根據(jù)不同的技術(shù)條件要求，制造不同夏比沖擊吸收能量的鋼管，以滿足使用要求。一般的X70鋼級鋼管管體的平均夏比沖擊吸收能量在-20℃時(shí)可以達(dá)到220J以上，焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量在-20℃時(shí)可以達(dá)到60J以上，完全滿足油氣輸送管道用鋼管延性斷裂控制的需求。

為了滿足長距離管線輸送能力的經(jīng)濟(jì)性要求和應(yīng)對極地、海上和酸性等惡劣環(huán)境的安全性要求，目前國內(nèi)外油氣輸送鋼管的發(fā)展趨勢是開發(fā)大直徑高強(qiáng)度管線鋼管、低溫環(huán)境用高韌性管線鋼管、大位移地區(qū)用大變形管線鋼管、腐蝕環(huán)境用管線鋼管、海洋服役環(huán)境用厚壁管線鋼管。

1.2 油井管產(chǎn)品發(fā)展趨勢

近年來，我國主要油井管生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品在全面覆蓋API Spec 5DP-2009《鉆桿規(guī)范》和API Spec 5CT-2011《套管和油管規(guī)范》的基礎(chǔ)上，也開發(fā)了系列的非API鋼級和特殊螺紋接頭油井管，如150鋼級鉆桿、超級13Cr和雙相不銹鋼及耐蝕合金油套管、耐CO2腐蝕的油套管、抗H2S應(yīng)力腐蝕的油套管和高抗擠套管。國內(nèi)油井管的生產(chǎn)商在無損檢測技術(shù)上采用自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)或渦流探傷系統(tǒng)。

國外油井管主要的生產(chǎn)廠是日本住友金屬、日本JFE公司，歐洲的V&M和Grant公司[4]。這些公司生產(chǎn)的油井管主要品種為非API類型的無縫鋼管產(chǎn)品，其產(chǎn)品鋼級最高達(dá)到了1.14MPa（165psi），主要用于深井和超深井，或寒冷地區(qū)石油天然氣開采，在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，仍保持較高的沖擊韌性或低溫沖擊韌性。有的還要求具有抗CO2腐蝕、抗H2S腐蝕或H2S應(yīng)力腐蝕。

油井管服役條件惡劣，對鋼的質(zhì)量要求很嚴(yán)格，必須按專門標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件生產(chǎn)和檢驗(yàn)。國外大都采用美國石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)，例如鉆桿采用API Spec 5DP-2009《鉆桿規(guī)范》，套管油管采用API Spec 5CT-2011《套管和油管規(guī)范》[5]。國內(nèi)外非API油套管已經(jīng)形成深井超深井用油套管，高抗擠及超高抗擠油套管，抗H2S應(yīng)力腐蝕油套管10多個(gè)產(chǎn)品系列；近20年來，隨著我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，油井管產(chǎn)品質(zhì)量也不斷提高，一般服役條件下，國內(nèi)油井管的質(zhì)量即可保證使用要求，國產(chǎn)化自給率逐年提升，如圖1所示。天津鋼管的TP系列油套管最高年產(chǎn)量已超過40萬t，占全年油套管總產(chǎn)量的32%。寶鋼BG系列占27%。國產(chǎn)非API油井管產(chǎn)品總體上已達(dá)到或接近國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

圖1 我國油井管自給率變化趨勢

與國外產(chǎn)品尚有差距的主要是超級13Cr、雙相不銹鋼及耐蝕合金油套管，我國當(dāng)前使用的高端不銹鋼與鎳基合金油管尚需部分從國外進(jìn)口。

1.3 非金屬管材發(fā)展趨勢

石油天然氣開采業(yè)需要大量管材，由于非金屬管材優(yōu)良的耐腐蝕性和較低的水力摩阻，非金屬管材已經(jīng)成為油氣田開發(fā)中的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于油氣集輸、供水及注水等系統(tǒng)。例如優(yōu)良的耐腐蝕性能，使非金屬管材成為油田內(nèi)部集輸管網(wǎng)解決腐蝕問題的重要手段。非金屬管材的使用對減少腐蝕泄露、節(jié)省投資等發(fā)揮了重要的作用。目前，中石油各油田應(yīng)用非金屬管地面管線的長度已超過2.5×104km，約占油田內(nèi)部集輸管道的10%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中石油每年新增的非金屬管道達(dá)到5 000km。隨著非金屬管道產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，它們在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用前景越來越廣闊，預(yù)計(jì)年增長率將超過15%以上。

國內(nèi)外油氣田常用的非金屬管可以分為塑料管、增強(qiáng)熱固性塑料管（玻璃鋼管）、金屬增強(qiáng)塑料復(fù)合管、有機(jī)纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合管、非金屬內(nèi)襯復(fù)合管5種類型。其中玻璃鋼管道用量最大，占總量的61.5%，增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管占20%、鋼骨架聚乙烯復(fù)合管占10%左右。非金屬管應(yīng)用領(lǐng)域主要包括注入管道（水、醇）、集/輸油管道、集/輸氣管道和供水管道。其中注入管道應(yīng)用數(shù)量最大，約占總數(shù)的45%，集油管道約占35%，供水管道約為15%，輸油管道和集/輸氣管道用量共占5%左右。

2 國內(nèi)外石油管材質(zhì)量對比及建議

2.1 國內(nèi)外石油管材質(zhì)量對比

以油氣輸送鋼管為例，國內(nèi)油氣輸送管道用鋼管經(jīng)過多年的發(fā)展，其生產(chǎn)裝備和技術(shù)水平得到了很大程度的提高。產(chǎn)品質(zhì)量控制手段上通過不斷學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，質(zhì)量體系得到了不斷完善。產(chǎn)品質(zhì)量的無損探傷、理化性能實(shí)驗(yàn)等檢測技術(shù)方面也得到了充分應(yīng)用，促進(jìn)了中國油氣輸送管道質(zhì)量迅速提升[6]。但是，單從質(zhì)量控制水平和穩(wěn)定性方面來講，國內(nèi)油氣輸送鋼管生產(chǎn)企業(yè)與發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品質(zhì)量的控制水平還有一定差距，從圖2中國內(nèi)外X80屈服強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布即可看出。因此，國內(nèi)石油管材生產(chǎn)企業(yè)需要在產(chǎn)品質(zhì)量管理理念和實(shí)際控制水平方面進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.2 影響油氣輸送鋼管質(zhì)量的主要原因及改進(jìn)建議

通過對202起油氣輸送用鋼管質(zhì)量問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出了產(chǎn)品制造過程中存在的質(zhì)量問題。從圖3可以看出，油氣輸送鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量不合格原因主要是成品的外觀質(zhì)量、理化性能、原材料質(zhì)量和焊接質(zhì)量（包括補(bǔ)焊）所致，這些質(zhì)量問題尤為突出，占所有問題的70%以上。

圖2 國內(nèi)外X80直縫埋弧焊管屈服強(qiáng)度分布比較

圖3 國內(nèi)油氣輸送鋼管質(zhì)量問題分布統(tǒng)計(jì)

油氣井用油管、套管的失效分析也表明，引起油管失效主要原因如下：①材料的成分和工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致理化性能不合格；②標(biāo)準(zhǔn)未及時(shí)更新和加工的不穩(wěn)定引起的幾何尺寸不合格；③未搞清材料、鍍層及螺紋參數(shù)等各因素之間的關(guān)系，難以解決粘扣問題；④設(shè)計(jì)上的缺陷是導(dǎo)致高鋼級、大壁厚的套管密封不合格的主要原因。

其中理化性能引起的失效比例最高，粘扣、密封和腐蝕性能次之。

非金屬管材在油氣田使用過程中，也還存在許多質(zhì)量問題，并因此引發(fā)了許多失效事故。在一定程度上影響了非金屬管材在石油行業(yè)的推廣和應(yīng)用。通過大量的分析，非金屬壓力管道在油氣田發(fā)生失效事故的原因主要有3個(gè)方面：①結(jié)構(gòu)和選材設(shè)計(jì)不當(dāng)；②生產(chǎn)工藝水平參差不齊；③檢測標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)條件不完備。

因此，對于油氣輸送鋼管和油井管產(chǎn)品，雖然國內(nèi)企業(yè)的裝備已與國外先進(jìn)水平相當(dāng)，但是在提供產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性方面還有很大的提升空間。管材制造企業(yè)和鋼板/板卷的生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)著力加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制能力，尤其是員工素質(zhì)和能力的提升以及質(zhì)量意識(shí)的加強(qiáng)。在行業(yè)管理上，建議在這幾個(gè)方面著力開展工作：①加強(qiáng)失效分析；②加強(qiáng)石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化工作；③加強(qiáng)制造許可的實(shí)施力度，完善準(zhǔn)入檢驗(yàn)制度；④要進(jìn)一步加大抽檢范圍、抽檢比例和抽檢量，做到種類、廠家全覆蓋，對于非API標(biāo)準(zhǔn)套管，抽檢比例要高于API標(biāo)準(zhǔn)的套管；⑤優(yōu)化油井管供貨分配方案。

3 結(jié)語

我國石油工業(yè)用管材生產(chǎn)裝備水平及自動(dòng)化程度已接近或超過國外的水平，國產(chǎn)化自給率已高達(dá)98%，但在產(chǎn)品的總體實(shí)物質(zhì)量穩(wěn)定性方面還有較大的提升空間，制造企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理和提高產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。

[1]馮耀榮.當(dāng)前國際油氣管道工業(yè)的發(fā)展動(dòng)向[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001,20(7)：1-4.

[2]黃開文.國外高鋼級管線鋼的研究與使用情況[J].焊管, 2003,26(3):1-10.

[3]霍春勇,馬秋榮,馮耀榮,等.高壓天然氣管線與高鋼級管線鋼[G]//中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所.石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集.北京:石油工業(yè)出版社,2001:53-66.

[4]李鶴林,馮耀榮,霍春勇,等.低碳超低碳微合金化管線鋼的顯微組織[G]//中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所.石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集.北京:石油工業(yè)出版社,2001: 77-95.

[5]吉玲康,馮耀榮,李鶴林.螺旋縫埋弧焊管與直縫埋弧焊管的對比評價(jià)[G]//中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所.石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集.北京:石油工業(yè)出版社, 2001:107-127.

[6]馮耀榮,霍春勇,李鶴林.天然氣輸送管線鋼管性能要求與質(zhì)量控制及管材選用探討[G]//中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所.石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集.北京:石油工業(yè)出版社，2001:38-52.

The development trend of the steel pipe used for oil and gas transmission and oil wells are introduced briefly.Taking the oil and gas transmission pipe as an example,the quality gap between domestic and foreign materials is analyzed.The analysis shows that,al?though the equipment quality and automation level of domestic oil steel pipe production plants is very high,their product quality manage?ment concept and actual control level still lag behind the developed countries.Finally,the main factors affecting the quality of the pipe are analyzed,and the suggestions on the quality improvement of the special pipe such as strengthening the failure analysis and the stan?dardization of the pipe are put forward.

petroleum tubular goods;quality;quality control;standard

賈強(qiáng)

2016-03-08

張蕾（1982-），女，工程師，主要從事質(zhì)量體系管理，石油管材質(zhì)量監(jiān)督、制造許可評審等工作。