國內(nèi)外高等級(jí)管線鋼管研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

蔡 亮 王風(fēng)雷 左松奇 孫大為

（1. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；2. 中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；3. 國家管網(wǎng)集團(tuán)山東天然氣管道有限公司，山東 濟(jì)南 250000；4. 中國人民解放軍32723部隊(duì)，河北 承德 067400）

0 引言

隨著極地、高寒和非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)，惡劣環(huán)境條件給新建管道建設(shè)提出更高要求。大口徑、高壓力、高鋼級(jí)成為長輸管道發(fā)展方向[1]。2007年第44版美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》新增X90/X100/X120超高強(qiáng)度鋼管。與國際先進(jìn)水平相比，我國高等級(jí)管線鋼管在制造質(zhì)量和性能穩(wěn)定性存在差距，高等級(jí)鋼管可焊接性和止裂韌性是需解決的瓶頸問題?？偨Y(jié)國內(nèi)外X80管線鋼管關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實(shí)踐。闡述X90/X100/X120超高強(qiáng)度鋼管研究進(jìn)展。針對(duì)進(jìn)一步提升高等級(jí)管線鋼管材性能，提出了合理化建議。

1 國內(nèi)外X80管線鋼管工程應(yīng)用現(xiàn)狀

X 8 0鋼管在世界上獲得廣泛應(yīng)用。加拿大TransCanada管道是X80管線鋼管的典型案例，并將X80作為新建輸氣管道的首選鋼級(jí)。2004年美國Cheyenne Plains管道首次采用X80螺旋埋弧焊鋼管，管徑914mm、壁厚11.74/16.94mm、長度608km。俄羅斯巴甫年科沃-烏恰管道鋼級(jí)K65（相當(dāng)于X80），采用并行敷設(shè)，管徑1420mm、設(shè)計(jì)壓力11.8MPa、長度1106km、壁厚23.0mm/27.7mm/33.4mm。國外已建成X80管線鋼管的長輸管道約8000km。

我國建成X80管線鋼管長輸管道17000km，包括西氣東輸二線2012年、西氣東輸三線2014年、中亞C線2014年、陜京四線2017年、中緬輸氣管道2014年和中俄東線2019年。

（1）西氣東輸二線。西氣東輸二線設(shè)計(jì)壓力12MPa，形成多項(xiàng)X80管線鋼管工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)：在國際上首次開展X80螺旋埋弧焊管全尺寸爆破試驗(yàn)；制定了西氣東輸二線管材、管件和彎管標(biāo)準(zhǔn)（螺旋埋弧焊鋼管壁厚18.4mm、直縫埋弧焊鋼管壁厚26.4mm，彎管壁厚32mm）；采用直縫埋弧焊管基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法，促進(jìn)大應(yīng)變鋼管在地震高發(fā)區(qū)的應(yīng)用；

（2）中俄東線。中俄東線是我國輸氣量最大的管道工程，設(shè)計(jì)輸量380×108m3、設(shè)計(jì)壓力12MPa、管徑1422mm，黑河-長嶺段737km在高寒凍土區(qū)敷設(shè)，冬季最低溫度-48℃。中石油開展第三代管線鋼管應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，在國際上首次開展鋼級(jí)X80、管徑1422mm、設(shè)計(jì)壓力12MPa的天然氣管道全尺寸爆破試驗(yàn)，形成鋼級(jí)X80管道斷裂控制技術(shù)；制定鋼級(jí)X80、管徑1422mm管材及管件標(biāo)準(zhǔn)（螺旋埋弧焊管壁厚21.4mm、直縫埋弧焊管壁厚25.7/30.8mm）；制定鋼級(jí)X80、管徑1422mm管道焊接技術(shù)規(guī)范；研發(fā)鋼級(jí)X80、管徑1422mm管道施工的配套對(duì)口器、坡口機(jī)、內(nèi)/外焊機(jī)、機(jī)械化補(bǔ)口機(jī)等，實(shí)現(xiàn)大口徑高壓輸氣管道自動(dòng)化焊接。

2 X80管線鋼管關(guān)鍵技術(shù)

從2000年開始我國X80管線鋼管研發(fā)取得積極進(jìn)展，取得X80管線鋼管在組織分析評(píng)定、強(qiáng)度試驗(yàn)方法、屈強(qiáng)比控制、斷裂與變形控制等關(guān)鍵技術(shù)成果，X80管線鋼管工程應(yīng)用處于國際先進(jìn)水平。我國X80管線鋼管生產(chǎn)采用TMCP技術(shù)，控制軋制溫度、軋制后冷卻速度、冷卻初始溫度和終止溫度，調(diào)整管材奧氏體組織形態(tài)、分布和相變過程，保證管材力學(xué)性能。根據(jù)國內(nèi)外全尺寸輸氣管道爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、Battelle雙曲線模型，提出了中俄東線X80管線鋼管止裂韌性指標(biāo)，提出基于管道能量釋放率及流變應(yīng)力修正的止裂預(yù)測(cè)模型TGRC-1和基于落錘撕裂能量的止裂預(yù)測(cè)模型TGRC-2。研究了提高強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)管道安全性及失效風(fēng)險(xiǎn)的影響。確定了0.8設(shè)計(jì)系數(shù)條件下管材關(guān)鍵指標(biāo)及質(zhì)量控制要求，制定了西氣東輸三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)下X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)規(guī)格書。

3 超高強(qiáng)度鋼管研究進(jìn)展

采用高強(qiáng)鋼可以減少管道壁厚，顯著降低管道建設(shè)投資成本。新日本制鐵公司NSC、日本JFE鋼鐵株式會(huì)社和歐洲鋼管公司Europipe已研發(fā)X100、X120鋼管，如表1所示。表1給出了典型高強(qiáng)度鋼管力學(xué)性能參數(shù)。

表1 典型高強(qiáng)度鋼管力學(xué)性能

（1）歐洲鋼管公司Europipe。Europipe通過控制碳當(dāng)量、碳含量及冷卻速率、終冷溫度，形成X100管線鋼管成分設(shè)計(jì)。Europipe采用UOE成型、直縫埋弧焊的工藝流制造大口徑管線鋼管，擁有60000t的O成型，以及11000t預(yù)彎機(jī)，可對(duì)壁厚50mm鋼板進(jìn)行彎邊；

（2）新日本制鐵公司NSC。NSC核心技術(shù)是熱影響區(qū)（HAZ）細(xì)晶粒超高強(qiáng)韌技術(shù)，X100管線鋼管具備高HAZ韌性和高均勻延伸率。X120管線鋼管采用低碳-高錳-鉬-鈮-鈦-硼的成分設(shè)計(jì)，細(xì)晶貝氏體為主的組織結(jié)構(gòu)，具有良好低溫韌性和可焊性；

（3）日本JFE鋼鐵株式會(huì)社。JFE在高等級(jí)管線鋼管進(jìn)展有以下方面：

a）采用低碳當(dāng)量、熱軋、急冷控制和電焊鋼管工藝，實(shí)現(xiàn)良好低溫韌性X80管線鋼管生產(chǎn)；

b）采用加速冷卻和在線熱處理的制造工藝，研發(fā)耐應(yīng)變時(shí)效硬化的X100大變形管線鋼管；

c）采用控軋、快速冷卻以及冷卻后立即在線熱處理的工藝技術(shù)，研發(fā)鐵素體-貝氏體雙相組織的X120超高強(qiáng)度管線鋼管；

（4）國內(nèi)鋼管企業(yè)。2010年華油、寶雞鋼管公司已研制X100直縫埋弧焊管和螺旋埋弧焊管，巨龍鋼管公司采用寶鋼研制的X120鋼板研制出管徑914mm、壁厚16mm直縫埋弧焊管。從2012年中石油組織X90鋼管試制試驗(yàn)。我國X90/X100/X120超高強(qiáng)度鋼管的技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平仍存在差距，例如屈服強(qiáng)度、低溫韌性等。

國外還沒有X90管線鋼管工程應(yīng)用，歐洲鋼管公司進(jìn)行2次X90全尺寸爆破試驗(yàn)。2014年中石油進(jìn)行X90直縫埋弧焊管的全尺寸爆破試驗(yàn)。X100管線鋼管處于驗(yàn)證階段，2001年英國BP公司、新日本制鐵公司NSC和歐洲鋼管公司在美國阿拉斯加氣田管道中采用X100管線鋼管。2006年加拿大TranCanada公司使用日本JFE公司X100管線鋼管建成3條管道試驗(yàn)段。X120管線鋼管研究進(jìn)展緩慢，僅2004年埃克森美孚公司與加拿大TranCanada公司在加拿大-30℃凍土區(qū)建成世界上唯一的X120管線鋼管輸氣管道試驗(yàn)段。

表2 大應(yīng)變鋼管力學(xué)性能

4 低溫環(huán)境用鋼管

我國在高寒凍土區(qū)建設(shè)投產(chǎn)中俄原油管道和中俄東線天然氣管道，管道低溫脆斷問題引起關(guān)注，并研發(fā)低溫環(huán)境用高強(qiáng)度鋼管。針對(duì)低溫環(huán)境鋼管的斷裂韌性指標(biāo)，存在較大爭(zhēng)議，GB/T 9711-2017《管線輸送系統(tǒng)用鋼管》（采標(biāo)ISO 3183和API Spec 5L）規(guī)定夏比V型缺口CVN沖擊試驗(yàn)溫度為0℃，或如果協(xié)議可采用較低溫度。俄羅斯OJSC公司技術(shù)規(guī)程STT-08.00-60.30.00-KNT-013-1-05規(guī)定操作壓力為14MPa的X70和X80鋼管CVN試驗(yàn)條件為-40℃，焊縫和熱影響區(qū)CVN試驗(yàn)溫度為管道正常運(yùn)行溫度，但不高于-10℃。美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8-2017《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》規(guī)定管道運(yùn)行環(huán)境溫度低于-45℃，DWTT和CVN試驗(yàn)溫度為管道服役預(yù)期最低溫度。應(yīng)研究管道DWTT和CVN試驗(yàn)溫度選定依據(jù)。

5 大應(yīng)變鋼管

我國西氣東輸二線、三線管道沿線有22條活動(dòng)斷層，其中峰值加速度0.3g的強(qiáng)震區(qū)地段約96km。地震多發(fā)區(qū)管道設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行應(yīng)變控制，管道極限屈曲應(yīng)變應(yīng)大于地震或地質(zhì)災(zāi)害預(yù)期造成的管道最大應(yīng)變。大應(yīng)變鋼管具有較低屈強(qiáng)比、高韌性的特點(diǎn)，我國中緬油氣管道采用了國產(chǎn)X70大應(yīng)變鋼管。大應(yīng)變鋼管制造工藝采用雙相鋼方法，代表性的大應(yīng)變鋼管是日本JFE鋼鐵株式會(huì)社和新日本制鐵株式會(huì)社的 TOUGH-ACE。歐洲鋼管公司Europipe研發(fā)了 X100大應(yīng)變鋼管，應(yīng)用于North Central Corridor管道。

6 結(jié)語

隨著極地、高寒區(qū)管道建設(shè)，管道運(yùn)行環(huán)境條件更為苛刻。我國高性能鋼管在制造質(zhì)量方面，與國際先進(jìn)水平存在差距。為提高管道輸送效率、降低投資成本，應(yīng)加強(qiáng)高性能油氣輸送鋼管研究及應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)解決的問題是極低溫度下管道止裂韌性，通過地震/地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)管道應(yīng)變能力，高強(qiáng)度管線鋼管可焊接性等，建立X90管線鋼管應(yīng)用配套技術(shù)體系。