石油焊管制造对钢材要求及发展趋势.doc

石油焊管制造对钢材要求及发展趋势我国石油工业近期年需油井管200万t，干线及支干线输送管线钢管160万t。石油管工况条件恶劣，油气输送管输送大量易燃易爆介质，承受几十甚至上百个大气压的内压；油管柱和套管柱通常要承受几百甚至上千个大气压的内压或外压、几百吨的拉伸载荷和井下高温及严酷的腐蚀介质作用。石油管的性能和质量对石油工业的安全和发展关系重大。我国石油工业采用的钢管中，绝大多数输送钢管是焊接钢管；油井管中焊接钢管仅占10，而世界发达国家油井管中焊管比例已达50。我国自西气东输工程开始在输气管线大量应用X70钢级焊管；2005年建设了8km的X80钢管应用段，2006年首次进行了国产X100直缝埋弧焊管研究。“十一五”期间，我国将建设西气东输二线和多条引进国外天然气的跨国输气管道，耗钢量超过1000万t。这些管道的设计年输气量将从西气东输的120亿m3/a增加到300亿m3/a，钢管外径将达到12191422mm，最大壁厚可接近40mm。建设这样巨大的国家能源命脉，对管线钢管的强度、可焊性、断裂韧性和抗腐蚀等性能和钢管质量都有极为严格的要求，对冶炼、轧制、制管和管道建设工艺技术和装备能力都是巨大的考验。这对我国钢铁工业和制管工业既是难得的机遇，又是比西气东输工程更为严峻的挑战。石油焊管制造对钢板的性能要求1强度和钢级1）高强度管线钢的发展和应用为了经济地将石油和天然气从遥远的油气田输送到使用地区，油气长输管线的工作压力不断提高。陆上天然气管线的工作压力已提高到15MPa以上，正在建设的墨西哥湾和北海海底输气管道的工作压力达到25MPa；已开工的俄罗斯东西伯利亚太平洋输油管道最高工作压力达14MPa。西气东输管道建设以来，我国天然气干线工作压力从6.4MPa提高到10MPa，“十一五”期间将要建设的西气东输二线等天然气长输干线可能采用12MPa或更高的工作压力。采用高钢级管线管建造长距离管线有着显著的经济优势。这些优势来自于管线输送效率的提高和材料成本的下降。较小直径、薄壁厚的钢管可以降低材料自身的总重量，并减少环焊材料的消耗。美国2005年建成的夏延输气管道是美国首条X80天然气管道，也是世界上最长的X80输气管线，全长612km，干线钢管外径914mm，壁厚119mm，穿越段最大壁厚为172mm。美国在夏延管道顺利建成的基础上，又计划建设更大规模的美国“西气东输”管线Rockies Express Pipeline。该管线是美国20年来修建的最大输气管线，采用X80钢级钢管，管径1067mm，全长2130km，将于2007年开始建设，第一期工程（1142km）计划于2008年建成投产，第二、三期工程将在2009年建成。X80将逐渐成为陆上天然气高压长输管线的主流钢级。更高强度的X100和X120级管线钢已开发出来，并顺利建成了一些试验段。X90X120超高强度钢级已列入API和ISO联合编制的新的管线钢标准，即将发布。世界上大多数国家均采用API5L或与其等效的管线钢级，但俄罗斯的管线钢级则有所不同，如已开工建设的俄罗斯东西伯利亚太平洋输油管道设计钢级为K60K70级。俄罗斯东西伯利亚太平洋输油管道K70钢级管线钢管的屈服强度下限大大超过了API5LX80钢级的下限，接近X90的屈服强度下限，而其抗拉强度下限也大大超过了API5LX80钢级的下限，接近X90的抗拉强度下限，可视为X90钢级在油气管线的首次大规模应用。2）钢板制管前后拉伸性能的变化屈服强度的变化。钢板制管前后，由于包辛格效应和冷作硬化的综合作用，焊管管体与板材的屈服强度产生了差异。这种差异与不同钢种的组织、强度和综合变形量（管径、壁厚、扩径率）以及成型方式有关，主要的差异是由于管体试样压平包辛格效应的影响。螺旋焊管一般不采用冷扩径。由于管体矩形拉伸试样压平与成型卷曲时的变形和受力方向相反，因此，管体的屈服强度会降低，同时由于冷作硬化作用又会造成屈服强度上升，最终屈服强度的差异是这两种因素综合作用的结果，其程度与钢级、管径、厚度和组织相关。针状铁素体组织的钢板包辛格效应较小，制管后管体屈服强度可能上升，但幅度不大。由于直缝埋弧焊管采用了约1的冷扩径量，当采用UO成型时，扩径与成型压缩方向相反，管体的屈服强度略微上升；当采用JCO成型时，由于成型时钢板没有压缩而是发生了延展，扩径时再次拉伸，因此，管体的屈服强度上升较明显。应该指出，采用管体母材屈服强度差异平均值评估钢板制管前后屈服强度变化的方法是有缺欠的。更值得注意的是屈服强度低端和高端板材制管前后屈服强度的变化，而平均值可能掩盖了这种变化，应分别统计屈服强度近低端和近高端板材制管时的变化值，留出适当余地，以保证钢管最终屈服强度既不低于下限，又不超过上限。为了准确测定钢管的屈服强度，应尽量减少试样压平的误差。一些制管厂和研究机构还采用环胀装置测定真实的管体屈服强度，或与静水压爆破试验的管体测试屈服强度相比较，以修正和补偿屈服强度测试造成的误差。抗拉强度、屈强比和伸长率的变化。制管后管体板材抗拉强度也会发生类似变化，但相对屈服强度要小。螺旋焊管制管后一般屈强比下降，而直缝埋弧焊管屈强比上升。由于加工硬化，制管后钢管的延伸率都出现了不同程度的下降。下降程度与加工硬化程度有关，其因素有制管工艺（如预弯、成型和机械扩径等）、厚度、直径和钢级等。抗大变形钢管与应变时效。近年来，高钢级管线基于应变的设计是一个热点。为了克服地震活动区和冻土地带等条件对管线造成的大位移变形，保证管线的安全，要求钢管有较大的抗大变形能力，日本JFE公司采用钢板在线热处理工艺开发了抗大变形钢管。据称此类钢管具有圆屋顶状的拉伸应力应变曲线、高均匀延伸率和低屈强比，可在较大的应变条件下安全工作。许多管厂对钢管经过外防腐加热所产生的力学性能变化进行了研究，发现了钢管防腐处理时经过短时中频加热（温度为230左右），其管体的拉伸曲线的形状发生变化，屈服强度和屈强比有比较显著的上升，这对基于应变的管线设计结果有很大影响，可能导致环焊的强度匹配从过匹配转为欠匹配。据JFE公司的报导，抗大变形钢管的应变时效较小。2钢板与焊管的断裂韧性1）夏比冲击韧性由于加工硬化，制管后钢管的夏比冲击韧性与板材相比都出现了不同程度的下降。下降程度与加工硬化的程度有关，如机械扩径等制管工艺、厚度、直径和钢级等。钢板的夏比冲击性能应留有适当的余地，以保证管体在管线最低工作温度下的断裂韧性。2）DWTT性能板材制管后，落锤撕裂（DWTT）试验性能会发生比较显著的变化。由于加工硬化，管体的DWTT剪切面积都出现了不同程度的下降。下降程度与加工硬化的程度有关，如机械扩径等制管工艺、厚度、直径和钢级等。为此钢板和钢管采用不同的试验温度以保证管体DWTT性能。我国管线标准一般取钢板试验温度比管体试验温度低10。在陕京二线厚规格（175mm）螺旋焊管的试制时，出现了卷板15DWTT试验剪切面积合格，而管体5DWTT试验剪切面积不合格的问题。表明变形量增加后，加工硬化程度加大，韧性损失增加。如果要保证卷板和钢管的DWTT剪切面积要求相同，则试验温差要相应增加，如卷板厚度为175mm或钢板的厚度为254mm时，钢管与钢板试验温度差值宜为15。厚规格高强度钢板DWTT试验还常常出现逆向异常断口，造成试验无效。为此制定了逆向异常断口的评价方法，基本解决了这一问题。3钢板与焊管的硬度由于加工硬化，制管后管体出现了不同程度的硬度上升。硬度上升的程度与加工硬化的程度有关，如：机械扩径等制管工艺，同时硬度上升还与钢板厚度、直径和钢级等因素有关。焊缝和热影响区的硬度与焊管工艺（焊材及参数等）和钢板的化学成分有关。一般焊接接头硬度最大值和平均值比钢板升高。为保证钢管最高硬度不超过标准要求，板材硬度应比钢管允许最高硬度低2030HV10。4组织和化学成分1）组织西气东输工程之前，我国油气管线最高钢级为X60，采用铁素体少珠光体组织，自西气东输工程以来，针状铁素体组织在我国X70X80高钢级管线获得了广泛的应用。墨西哥湾的卡特莱尔海底管线（X70）和美国夏延输气管线（X80）采用超低碳高铌、以铬代钼和高温轧制的工艺（HTP），同样获得了高性能的针状铁素体管线钢，成为新一代高性能低成本管线钢的范例。为了保证钢管的抗酸性腐蚀性能，应控制硫含量低于0002，采用钙处理改善硫化物的形态，减少C和Mn偏析，控制钢管的硬度，要求HRC22，或HV260280。由于HTP钢的C和Mn含量很低，减少了偏析的危险和带状组织的形成，对抗腐蚀十分有利。2）化学成分即使钢级相同，也应考虑不同管型的制管工艺对板材的性能的不同要求。管线钢的化学成分既要适应焊管制造中的自动焊和补焊工艺对焊接性能的要求，还要兼顾管道施工环缝对接焊的要求。螺旋埋弧焊管。螺旋焊管的壁厚介于ERW焊管和直缝埋弧焊管之间，采用单丝或双丝埋弧焊接方式，少数特厚规格也采用内焊3丝，外焊双丝的焊接工艺，线能量较低。要求卷板具有适当低的碳当量，适度减少C、S、P、N、H、O等有害元素，适当添加Mn、Si、Ti、Ni等有利于提高焊接性的元素。天然气输送用SSAW管化学成分的某些标准值和管厂期望值除了与钢级有关外，化学成分还与板厚和输送介质有关，原油和成品油相对天然气可以放松一些。直缝埋弧焊管。直缝埋弧焊管的壁厚一般较大，采用4丝双面埋弧焊接。因为要进行机械扩径，使得管体和焊缝的韧性下降，管体的强度升高。因此更加要求钢板的碳当量尽可能低，C、S、P、N、H、O等有害元素尽可能少，适当添加Mn、Si、Ti、Ni等有利于提高焊接性的元素。ERW管。ERW管与埋弧焊管的焊接方式有显著的不同，采用的是无填充金属的压力焊接方式，焊缝中没有填充其他成分，靠高频电流的集肤效应和临近效应，使板边瞬间加热到焊接温度，由挤压辊挤压形成锻造组织的焊缝。高质量的钢管要求采用焊缝在线或离线热处理，使焊区组织细化，优质ERW焊管的焊缝可以达到与母材相同的韧性水平，这是埋弧焊接工艺无法达到的。但是，由于焊接是在高速下瞬间完成，保证焊接质量的难度大大高于埋弧焊接方式。ERW焊管最危险的缺陷是由于冷焊和回流夹杂形成的灰斑缺陷。为了减少焊缝灰斑，保证焊缝的冲击韧性，对母材的硫含量要求特别高，最好S0005，同时控制Si035，MnSi5。为满足ERW油井套管的螺纹加工要求，要适度增加C。5制管用钢板的几何尺寸要求1）螺旋焊管螺旋焊管一般采用热轧板卷为原料。按API5L要求，板宽范围应是管径的083倍。为了获得良好的成型和焊接质量，板宽最好选择在1324倍管径。实际板宽要兼顾焊管的生产效率、质量以及钢厂和制管厂设备能力。卷板切边要去除34倍板厚的板边，主要是获得精确的板宽、减少月形弯和去除影响焊管质量的板边夹杂物。去除量对成材率有影响，有些制管标准对此值提出限制，要求板边加工去除量不小于板厚的15倍。近年来由于板卷质量的提高和铣边工艺的采用，板边去除量已减少到小于板厚。应加强板边超声波分层检测，防止板边分层对焊接的危害。未切边板卷的宽度偏差通常为020mm。板卷展开的月形弯对焊管周长和错边质量有很大影响，通常要求不大于15mm10m。除考虑板厚偏差外，板厚控制还要考虑划伤、压坑和锈蚀的修磨量。板厚公差通常小于1mm。钢卷重量越大对焊管生产的效率和质量越有利，但受设备能力限制。高质量要求的管线常要求切除丁字接头，因此卷板的总长度直接影响焊管的平均长度和最小长度，严重影响大口径厚壁焊管的生产成本。需要对板卷的总长度（总重量）进行控制，避免出现短管，这是螺旋焊管的特殊要求。2）直缝埋弧焊管板宽是按成品焊管的直径、壁厚、扩径率、成型塑性变形量、板边加工量、钢板的实际宽度和直度，兼顾材料消耗和板边加工量对生产效率的影响确定的。去除715mm的板边是兼顾加工出精确的板宽、直的板边和满足生产节拍的板边加工量。消除板边不直度，需要去除2倍板边不直度的板边。钢板直度、平度、端头切斜对焊管生产效率和质量都有影响，超过设备能力时，还会导致钢板报废。通常要求板宽偏差为010mm，直度小于等于10mm，平度小于等于10mm2m，端头切斜小于等于5mm，长度偏差为0100mm。板厚控制除考虑板厚偏差外，还要考虑扩径引起的减薄，划伤、压坑和锈蚀的修磨量。板厚公差通常小于1mm。3）ERW管ERW管使用的原料是卷板，但生产的是直缝焊管，因此，对板材的要求兼有上述两种焊管的特点。其板宽是按成品焊管的直径、壁厚、成型变形量和挤压量、板边加工量，兼顾材料消耗和板边加工量对生产效率的影响确定的。壁厚较小时未切边卷板需去除34倍板厚的板边，以获得精确的板宽和去除影响焊管质量的板边夹杂物。去除量对成材率有影响。未切边板宽偏差通常为020mm。月形弯对焊管周长和错边质量有影响。通常要求不大于15mm10m。板厚控制除考虑板厚偏差外，还要考虑划伤、压坑和锈蚀的修磨量。板厚公差通常小于1mm。钢卷重量越大对焊管生产的效率和质量越有利，但受设备能力限制。6制管用钢板的表面质量要求现代的油气输送钢管均需进行精心的防腐涂层处理，输气钢管往往还要求涂敷内减阻涂层，在涂层前需对钢管进行内外抛丸处理，这对制管用板材的表面和近表面质量是一个严格的检验。西气东输钢管生产初期，在内外抛丸后发现了重皮、折叠和表面凹坑和异物压入等类型的缺陷，经过钢厂的努力，已经有效地解决了这些问题，使钢管的质量得到进一步提升。HTP钢的制造工艺与传统TMCP工艺不同，如何保证板材制造过程的表面质量是一个需要认真研究的新问题。钢板的表面污染是另一类问题。油脂类污染会污染抛丸材料，降低涂层附着力，应防止钢板在制造和运输过程受到油脂类污染。用于弯管制造的板材还应避免铜、锡等低熔点金属污染，防止弯管制造过程产生开裂。发展趋势1螺旋埋弧焊管用板材目前国内已大批量生产1016mm螺旋焊管，采用板卷宽度一般为1550mm，厚度从146mm发展到153mm（X80）175mm（X70）。将要建设的西气东输二线和中俄、中哈等跨国输气管道干线设计输气量大，韧性要求高。目前已大批量使用的X70板材的韧性要求为CVN（20）单个最小140J、平均最小190J，今后X80管线可能要达到单个不小于150J、平均不小于200J。管径可能为12191422mm，最大板宽可能达1800mm，但伴随着大管径而来的是大壁厚，即使1级地区用管的壁厚也在18mm左右。厚板卷的DWTT性能是否能够满足要求是其能否用于这些管线的关键指标，需要进行艰苦的攻关。2直缝埋弧焊管用板材1）输气干线钢管目前国内已大批量生产的1016mm直缝埋弧焊管，采用板宽约为3100mm。厚度从175mm发展到184mm（X80）21mm（X70）以上，最大壁厚达到304mm。将要建设的西气东输二线和中俄、中哈等跨国输气管道干线直径可能为12191422mm，最大板宽可能达4400mm。大壁厚钢板的DWTT性能是否能够满足要求也是其能否用于这些管线的关键指标，也需要进行艰苦的攻关。目前已大批量使用的X70板材的韧性要求为CVN（20）单个最小140J、平均最小190J，今后X80管线可能要达到单个不小于150J，平均不小于200J。2）抗腐蚀管目前只有国际发达的少数国家的几个管厂能够生产抗酸性钢管。主要是控制降低C004、S0002、P0010，低Mn，适度添加Ni022和Cu022，钙化处理，CaS15，低硬度，250HV10，优化夹杂物15级和带状组织15级，裂纹敏感率（CSR）15，裂纹长度率（CLR）15，裂纹厚度率（CTR）5。3抗大变形焊管地震区和冻土带地区的埋地管线管可能发生大的塑性变形。管线管需要更高的抗压弯能力，高的纵向强度、均匀伸长率、形变强化指数和低的屈强比。管材屈服强度范围的严格控制对保持环焊的过匹配同样重要。目前只有少数发达国家的几个管厂能够生产。4超低碳高铌HTP管线钢板HTP管线钢不仅减少了昂贵的Mo、V等元素的添加量，显著降低了成本，而且对钢管的防腐蚀性能、热影响区性能和DWTT性能都有好处。但是HTP管线钢还不为管道业主熟悉，最近建设的一些重要管道还没有采用，如中石化最近建设的川沪输气管线和俄罗斯东西伯利亚太平洋输油管线等都没有采用HTP管线钢。“十一五”期间，我国将建设西气东输二线等更大规模的输气干线，应超前进行HTP管线钢的开发和应用研究。2006年，南钢研制出CrNb微合金系无钼成分的X80HTP热轧钢板，获得了针状铁素体组织，带状组织为1级，晶粒度116级。巨龙钢管公司采用这种钢板进行了国内首次X80HTP直缝埋弧焊管试制，制成的钢管性能全面满足冀宁联络线X80级钢管性能要求，证实了HTP管线钢用于X80输气管线的技术可行性。5热煨弯管母管用钢材石油管道采用感应加热弯管工艺制造大角度弯管。感应加热弯管的工艺过程实际是淬火高温回火。通过中频加热方法将钢迅速加热到Ac3以上，并通过短时保温后迅速冷却得到淬火组织，它的金相组织不可避免有所粗化，细晶强化效果减弱，降低终轧温度获得的大量位错强化效果减弱。因此，要保证感应加热弯管强韧性，需提高钢的固溶强化和沉淀强化作用。感应加热弯管用母管化学成分与直管化学成分不同。C是固溶强化作用最强的元素，过低的C使其固溶强化作用不足，导致弯管强度不足，C含量006009较合适。控制主要合金元素Mn、Mo、Ni和Nb成分也是非常关键的，它们在弯管煨制和回火提高钢的强韧性作用有以下几方面：一是提高钢的淬透性；二是固溶强化作用；三是合金化合物的沉淀强化作用；四是细化晶粒作用。适当提高Mo和Ni含量，降低Mn含量以保证在低的Pcm和Ceq的基础上保障感应加热弯管强韧性指标。热煨弯管母管用钢板通常有两种方案保持与直管的承载能力相同。一种是为补偿热煨过程中焊管强度降低和外侧壁厚减薄增加钢板厚度。另一种是用提高强度来补偿。目前已大批量使用的热煨弯管母管用X70钢板厚度为304mm。今后发展趋势可能是X70406mm，X80356mm和X100286mm。3ERW管用卷板澳大利亚大量采用X70钢级中等口径ERW管（508mm及以下）作为油气输送管，并建设了X80中等口径ERW管。我国目前ERW输送钢管批量生产的最大管径到了610mm，板宽为1935mm，已大批量使用的钢级和壁厚为X60159mm，X65143mm。今后发展可能要达到X6020mm，X65184mm，X70175mm。目前已大批量使用的X60钢级韧性达到单个最小45J、平均最小60J；X65级单个最小60J、平均最小90J。今后发展可能要达到X60单个最小90J、平均最小120J，X65单个最小120J、平均最小160J，X70单个最小140J、平均最小190J。目前只有少数发达国家的几个管厂能够生产抗腐蚀ERW管。主要是控制降低C004、S0002、P0010，适度添加Ni022和Cu022，低Mn，钙化处理，CaS15，低硬度，250HV10，优化夹杂物15级和带状组织15级，裂纹敏感率（CSR）15，裂纹长度率（CLR）15，裂纹厚度率（CTR）5。ERW焊管的另一个重要用途是制造高性能油井管。我国目前只能生产J55级套管，大部分为油井表层套管，较高钢级的套管如K55、N80已试制成功，但实际生产和应用很少，致使我国油井管用量中ERW油井管只占10左右，绝大部分还是使用无缝管。这种现象与国际上ERW油井管占50左右形成了强烈反差。近年来国际上大量采用连续管和可膨胀管作为小井眼钻井和采油作业。连续管是一种特殊的小直径ERW焊管，在分支井和小井眼钻井方面有着广泛的应用前景。采用连续管钻井技术可以节约2540的钻井成本，已在美国和加拿大得到广泛应用。可膨胀套管也是一种特殊的ERW焊管，