國內(nèi)海洋油氣輸送管線用鋼生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉 義 張宗強(qiáng) 牟仁清 劉 虎

(1.工程兵學(xué)院，江蘇 徐州 221000； 2.71762部隊，河南 沁陽 454550)

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國內(nèi)海洋油氣輸送管線用鋼生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉 義1張宗強(qiáng)1牟仁清2劉 虎1

(1.工程兵學(xué)院，江蘇 徐州 221000； 2.71762部隊，河南 沁陽 454550)

根據(jù)國內(nèi)海洋水下管線用鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，論述了管線鋼種類、規(guī)格的分類方法及國內(nèi)主要管線鋼生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力，并結(jié)合近年長輸管線鋪設(shè)工程，對長輸管線鋼材應(yīng)用等級現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了我國海洋水下油氣輸送管線的發(fā)展需求。

管線鋼，管線運(yùn)輸，應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)展需求

0 引言

管線運(yùn)輸是長距離輸送石油、天然氣最經(jīng)濟(jì)合理的方式，隨著世界能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，各國對油氣資源的需求量逐年增大，同時也促進(jìn)了管線鋼生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展。在石油工業(yè)蓬勃發(fā)展的過程中，管線鋼的使用等級也在不斷提升[1,2]。過去幾十年里，隨著內(nèi)陸油氣田勘探開采工作不斷深入，國內(nèi)石油行業(yè)已難以依靠陸地油田來緩解國家發(fā)展所面臨的能源壓力[3]。國家開始將注意力轉(zhuǎn)移到豐富的海洋油氣儲備資源上，加快開發(fā)研制具有良好韌性、疲勞性、抗斷裂性和耐腐蝕性的管線鋼材，對應(yīng)對海洋復(fù)雜的外部環(huán)境具有十分重要的意義。另一方面，各種高新技術(shù)的引入使得冶金行業(yè)飛速發(fā)展，冶金技術(shù)較以往有了巨大的飛躍，這也為研制開發(fā)出高性能管線用鋼提供了有力支持。

國內(nèi)于1985年在埕北油田鋪設(shè)了第一條海底油氣輸送管道，之后為提高海洋水下長距離油氣輸送管道的安全性和使用壽命，寶鋼、鞍鋼、武鋼等多個鋼材生產(chǎn)廠家開展了管線鋼的研制工作[4-6]。通過對國外經(jīng)驗的總結(jié)和大量的試驗研究，國內(nèi)已有多家管線鋼生產(chǎn)企業(yè)掌握了高強(qiáng)度高韌性管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)，擁有了部分的X系列管線鋼生產(chǎn)線，具備了獨(dú)立生產(chǎn)高質(zhì)量管線鋼的能力，國內(nèi)管線鋼生產(chǎn)等級已提升到X120級，部分產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了國際一流水平。目前，國內(nèi)自主生產(chǎn)的高強(qiáng)度管線鋼已大量應(yīng)用于長輸管道的鋪設(shè)工程，西氣東輸一線工程部分區(qū)段中使用的X70級管線鋼和西氣東輸二線工程中大量使用的X80級管線鋼均由國內(nèi)鋼材企業(yè)自主生產(chǎn)提供，海洋長輸管線的管線鋼使用等級也提高到了X70級，改變了我國高等級、高鋼級油氣輸送管線用鋼長期依賴進(jìn)口的被動局面。

1 管線鋼種類及規(guī)格

管線鋼的發(fā)展與鋼材顯微組織的演變有密切的關(guān)系。根據(jù)顯微組織的不同，管線鋼可以分為鐵素體—珠光體管線鋼、針狀鐵素體管線鋼[7]、貝氏體—馬氏體管線鋼和回火索氏體管線鋼四類。目前，現(xiàn)代油氣輸送管線主要是鐵素體—珠光體管線鋼、針狀鐵素體管線鋼、貝氏體—馬氏體管線鋼，而回火索氏體管線鋼難進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，在使用上很受限制，但俄羅斯等國在海洋管線鋪設(shè)中仍有使用。

20世紀(jì)60年代以前開發(fā)的管線鋼都為鐵素體—珠光體管線鋼，當(dāng)時生產(chǎn)的X52級以及低于此強(qiáng)度的管線鋼均屬于這一類管線鋼。此類管線鋼的生產(chǎn)工藝通常是熱軋、正火熱處理，且通過提高碳含量和加入微量鈮、釩元素的方法增加強(qiáng)度。鐵素體—珠光體管線鋼的生產(chǎn)成本在管線鋼中是最低的，相對的，這種管線鋼也存在著一定的弊端。管線鋼中的珠光體含量是決定鋼材強(qiáng)度的主要因素。提高鋼材中珠光體的含量，就必然要提高鋼材中的碳含量，影響到管線鋼的焊接性能。在這種弊端的影響下，單純依靠增加珠光體的含量來提高管線鋼強(qiáng)度的手段并不可取，少珠光體管線鋼逐漸成為管線鋼研究的一個主要方向。

典型的少珠光體管線鋼合金體系包括錳—鈮、錳—釩、錳—鈮—釩等。其碳含量小于0.1%，鈮、釩、鈦的總含量為0.1%左右。20世紀(jì)60年代末生產(chǎn)的X56，X60，X65管線鋼均為少珠光體管線鋼。此類管線鋼在生產(chǎn)工藝上有所突破，正式進(jìn)入了微合金化鋼控制軋制的生產(chǎn)時代。70年代后，管線鋼大規(guī)模使用此類生產(chǎn)工藝。此類生產(chǎn)工藝可生產(chǎn)出細(xì)晶粒鋼，使鋼的屈服強(qiáng)度每增加15 MPa的同時韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降10 ℃，使少珠光體鋼同時具有較好的強(qiáng)度和韌性。利用這種生產(chǎn)工藝可以生產(chǎn)出具有較高強(qiáng)韌性水平的X70級管線鋼。

20世紀(jì)60年代末，為了進(jìn)一步提高管線鋼的強(qiáng)韌性，研究人員開始研究針狀鐵素體管線鋼，并于20世紀(jì)70年代初投入工業(yè)生產(chǎn)。在錳—鈮系基礎(chǔ)上發(fā)展起來了低碳錳—鉬—鈮系微合金管線鋼。通過加入鉬，有效地降低了相變溫度，從而抑制了塊狀鐵素體的形成，促進(jìn)針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變。針狀鐵素體同時具有高強(qiáng)度和良好的韌性，其內(nèi)部的島狀組織或碳化物彌散細(xì)小，有效抑制了裂紋的擴(kuò)展。通過碳—錳—鉬—鈮的成分設(shè)計出的X70級管線鋼能夠比少珠光體X70級鋼具有更高的強(qiáng)度和更好的韌性。通過針狀鐵素體設(shè)計出的管線鋼最高等級可達(dá)到X80級。

隨著油氣輸送管道向著高壓、大流量趨勢的發(fā)展和低建設(shè)成本的追求，針狀鐵素體管線鋼逐漸不能滿足工程的要求。這時，X100和X120等超高強(qiáng)度管線鋼應(yīng)運(yùn)而生。X100與X80針狀鐵素體管線鋼在組織形態(tài)上十分相似，但X120鋼卻完全不同。X120鋼顯微組織為下貝氏體—板條馬氏體。由于下貝氏體和馬氏體板條內(nèi)均有高密度的位錯，因此X120管線鋼具有較高的強(qiáng)韌性。從長遠(yuǎn)的發(fā)展看，管線鋼將必須具有更高的強(qiáng)韌性。可以采用淬火加回火的熱處理工藝，通過形成回火索氏體組織來彌補(bǔ)控軋、控冷技術(shù)的不足，從而達(dá)到更高強(qiáng)韌性的要求。

根據(jù)指定和適用范圍方面的不同，管線鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可分為國際標(biāo)準(zhǔn)、國家(地區(qū))標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，目前在我國使用的油氣輸送管線用鋼主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有API SPEC 5L(管線鋼規(guī)范)，GB/T 9711，DNV-OS-F101(海底管線系統(tǒng))等[8]。其中，API SPEC 5L可認(rèn)為是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 9711是國家標(biāo)準(zhǔn)，DNV-OS-F101是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。API SPEC 5L是美國石油學(xué)會制定的針對鋼管產(chǎn)品的規(guī)范。盡管API SPEC 5L具有較為合理的技術(shù)要求，兼顧了管線鋼的技術(shù)要求與制造廠的實際生產(chǎn)可能性，但對管線鋼與制管技術(shù)發(fā)展的技術(shù)要求比較松，因此，目前此標(biāo)準(zhǔn)很少單獨(dú)適用于管線項目對鋼管的要求。DNV-OS-F101是專門針對海底管線的規(guī)范。它由挪威船級社制定，涉及了管線設(shè)計、材料、制造、安裝、檢測、運(yùn)行、維護(hù)等各方面的內(nèi)容。GB/T 9711則是中國標(biāo)準(zhǔn)化委員會管材專標(biāo)委根據(jù)國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的石油工業(yè)用輸送鋼管交火技術(shù)條件。通過將寶鋼、武鋼等企業(yè)生產(chǎn)出的管線鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能與API SPEC 5L[9]和DNV-OS-F101[10](GB/T 9711[11]中對管線鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求與API SPEC 5L中基本一致，在此不再列出)中的要求進(jìn)行對比可以看出，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)出的管線鋼產(chǎn)品已經(jīng)能夠達(dá)到國際要求，具備了滿足國內(nèi)油氣輸送管道鋪設(shè)項目管線用鋼的能力。另一方面，國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)開始了適用于不同環(huán)境管線用鋼(如海底管線用鋼)的研究工作，并取得了一定的成果，大大提高了國內(nèi)油氣輸送管道的安全性和使用壽命，增強(qiáng)了國內(nèi)管線鋼生產(chǎn)企業(yè)的國際競爭力。

2 國內(nèi)企業(yè)管線鋼生產(chǎn)能力現(xiàn)狀

早期使用的管線鋼主要是C，Mn，Si型的普通碳素鋼。在此類鋼材的研究過程中重點是其力學(xué)性能，沒有嚴(yán)格規(guī)定它們的化學(xué)成分。隨著油氣輸送管道輸送壓力和管徑的增大，普通碳素鋼開始難以滿足管線設(shè)計的需要，研究人員逐漸將視線轉(zhuǎn)向微合金鋼。美國石油組織于20世紀(jì)60年代末期在API SPEC 5LX和API SPEC 5LS標(biāo)準(zhǔn)中提出了X系列微合金控軋鋼，這一系列鋼型在化學(xué)成分上有了新的突破，降低了鋼材中碳元素的含量并加入了Nb，V，Ti等合金元素，使管線鋼整體性能有了質(zhì)的飛躍。

我國管線鋼的研究和應(yīng)用起步較晚，過去通常采用Q235和16Mn鋼鋪設(shè)油氣輸送管道。1995年我國自主生產(chǎn)的8萬多噸X52級管線鋼成功用于塔里木沙漠石油、天然氣輸送管線工程，X系列管線鋼正式應(yīng)用于我國長輸管線建設(shè)。之后在能源需求的刺激下，我國的石油天然氣管線建設(shè)快速發(fā)展，對高強(qiáng)韌性管線鋼的研制也有了突破性進(jìn)展。20世紀(jì)80年代，我國根據(jù)國際通用API標(biāo)準(zhǔn)研制了X60級，X65級管線鋼，并在長輸管線的鋪設(shè)中同進(jìn)口鋼管一起得到了成功運(yùn)用。90年代初期，寶鋼、武鋼等鋼材生產(chǎn)廠家陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)了X70級管線鋼，并成功應(yīng)用于澀寧蘭管道工程和西氣東輸一線工程部分區(qū)段。2005年中國首條X80級鋼管道在冀寧線上建成，所用X80級管線鋼的生產(chǎn)和制管工作均由國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)自主承擔(dān)。目前，寶鋼、武鋼、衡鋼已相繼開發(fā)出了X100，X120等高等級管線鋼，這將為我國長輸管線建設(shè)的自主、高速發(fā)展提供根本保障。

近年來，國內(nèi)石油與冶金行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，相繼成功研發(fā)了符合國際質(zhì)量技術(shù)要求的X70，X80熱軋板卷、寬厚鋼板、螺旋縫埋弧焊管和直縫埋弧焊管等，我國X70，X80管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)水平已經(jīng)趨向成熟。我國具備生產(chǎn)高強(qiáng)度高等級管線鋼能力的企業(yè)逐漸增多，擺脫了最初僅有寶鋼、武鋼可以生產(chǎn)高等級管線鋼的緊張局面。目前，除了寶鋼、武鋼以外，鞍鋼、馬鋼、舞鋼、衡鋼、天鋼、南鋼、太鋼等多家鋼材生產(chǎn)廠家已經(jīng)具備生產(chǎn)X70及以上級別管線鋼材，國內(nèi)企業(yè)管線鋼生產(chǎn)等級如表1所示。

表1 國內(nèi)企業(yè)管線鋼生產(chǎn)等級

3 國內(nèi)長輸油氣管線管線鋼應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，我國石油天然氣管道工程發(fā)展迅速，使得管線鋼行業(yè)快速發(fā)展。我國管線鋼研究從20世紀(jì)80年代末90年代初開始，在國內(nèi)企業(yè)20多年的不懈努力下已經(jīng)擺脫了國內(nèi)長輸管線鋪設(shè)項目所用高等級管線鋼不得不依靠進(jìn)口的窘境，在中外合資項目中也逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，具備了一定的國際競爭能力。

目前國內(nèi)陸上油氣輸送管道應(yīng)用的管線用鋼最高等級為X80級(冀寧線、西氣東輸二線等)，海底用油氣輸送管線用鋼最高等級為X70級(渤海灣NP1-29井組海底管道鋪設(shè)項目等)。雖然與部分發(fā)達(dá)國家的管線鋼發(fā)展程度相比仍存在一定差距，但相比于我國發(fā)展之初的X52級已有了質(zhì)的飛躍。2000年以來，我國已鋪設(shè)多條X65，X70，X80油氣輸送管道線路，部分工程項目如表2所示。

表2 國內(nèi)部分X系列管線鋼應(yīng)用項目

長輸油氣管道通常位于環(huán)境比較惡劣的地區(qū)，尤其當(dāng)管道服役于復(fù)雜的深海水下環(huán)境時，難以定期對管道進(jìn)行檢查維護(hù)，這使得提高管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變得尤為重要。通過對高等級管線鋼的開發(fā)和應(yīng)用，可以有效減小管道壁厚，減輕管道自重，這在縮短了管道鋪設(shè)時間的同時有效降低了管道的鋪設(shè)費(fèi)用。采用X80級管線鋼會比采用X65級管線鋼節(jié)省7%的建設(shè)費(fèi)用，采用X100級管線鋼替代X80級管線鋼同樣會得出類似的結(jié)論[12,13]。因此，不論從管道安全性、使用壽命還是經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，在長輸管線項目中更多的將高等級管線鋼投入應(yīng)用將成為未來管道行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。從表2中可以看出，國內(nèi)海洋長輸管線用鋼從X65級提升到X70級共經(jīng)歷四年時間，因此有理由相信在不遠(yuǎn)的將來我國自主生產(chǎn)的X80級管線鋼也將在海洋長輸管線工程中得到成功應(yīng)用。

4 結(jié)語

我國海洋長輸管線鋪設(shè)項目應(yīng)用的最高等級管線鋼已達(dá)到了X70級。但是就我國海洋水下油氣輸送管線的發(fā)展需求來看，對管線鋼的韌性、疲勞性、抗斷裂性和耐腐蝕性的要求必然越來越高，根據(jù)國內(nèi)海洋管線工程用鋼的更替速度來看，在未來幾年內(nèi)我國自主生產(chǎn)的X80級管線鋼將在海洋長輸管線工程中得到應(yīng)用。

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[9] 美國石油協(xié)會.API SPEC 5L，美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)—管道及相關(guān)設(shè)施焊接標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10] 挪威船級社.DNV-OS-F101，海底管線系統(tǒng)[S].

[11] GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

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Production and application status of domestic marine oil and gas pipeline steel

Liu Yi1Zhang Zongqiang1Mou Renqing2Liu Hu1

(1.EngineerAcademyofPeople’sLiberationArmy,Xuzhou221000,China; 2.71762Troops,Qinyang454550,China)

According to the production and application status of domestic marine pipeline steel,the classification method of pipeline steel types and specifications and the production capacity of the major domestic pipeline steel producers were discussed in detail.The development needs of the domestic marine oil and gas pipeline were put forward by the analysis of long pipeline steel application level status combined with long distance pipeline engineering in recent years.

pipeline steel,pipeline transportation,application status,development needs

1009-6825(2016)29-0252-03

2016-08-02

劉 義(1989- )，男，助教； 張宗強(qiáng)(1972- )，男，副教授； 牟仁清(1970- )，男，工程師； 劉 虎(1985- )，男，助教

U173.91

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