开发钢管新产品应对管道建设的挑战和问题

1、开 发 钢 管 新 产 品 应对管道建设的挑战和问题 前 言1.大输量管道建设的挑战和大型化焊管的开发管道的经济性和安全性是决定项目整体经济效益最重要的指标，对管道的钢级、尺寸和管型的选择具有决定性的影响。为了实现更好的效益，管道建设正在向大型化发展，通过采用更高压力和更大口径的管道提高单管输送能力。由于管道输气量与压力是一次方的关系，而与管径是次方的关系，提高管径对提高输气量往往更有效。我国早期的输气管道外径多为426mm，陕京一线为660 mm，西气东输一线提高到1016mm，西气东输二线又提高到1219mm。俄罗斯、伊朗等天然气大国已经建设了1422mm的输气管道。我国目前也在研究采用1

2、422mm的可行性，首先准备在西四线建设1422试验段。我国的几条代表性天然气管线主要参数 随着管径和压力的提高，管体承受的环向应力增加，壁厚也随之增加，为了降低用钢量，需要提高管线钢的强度。我国天然气干线管道的钢级已由X52提高到X80，一级地区管径1219mm天然气干线管道的壁厚已经达到18.4mm，年输气量为300亿m3，若要将年输气量提高到450亿m3，以上，需要将管径提高到1422mm。焊管的大型化趋势明显。目前在建和拟建的450亿m3/a输气量的管道已有数条，如俄罗斯的巴甫年科沃-乌恰天然气管道，采用类似于X80的K65钢级，管径1420mm，输送压力11.8MPa，单管设计输气量

3、约500亿m3/a。北美也在筹建类似输气量的管线，但是采用提高输送压力的技术路线，输送压力将超过17MPa。管径和压力的增加带来的直接影响是钢管壁厚的增加。这对钢板的轧制和钢管成型、焊接都是挑战。 如我国12MPa干线也采用1422mm管径，则一级地区钢管的壁厚将达到21.4mm。对于我国一级地区主要采用的螺旋焊管，这个壁厚相当具有挑战性。为了解决这一问题，有如下途径可以采用：开发厚度21mm的X80热轧板卷和OD 142221.4mm X80螺旋焊管；一级地区采用0.8设计系数，可将板卷和钢管厚度降低到19.3mm，但牵涉到输气管线设计规范修改和试验段建设问题，而且止裂韧性要求有较大提高，也

4、有一定难度；采用更高钢级的管线钢管，例如X90或X100钢管，可将板卷和钢管厚度降低到19.1 mm或17.2mm，但是要进行研究开发，包括断裂控制和试验段建设等一系列问题，需要较长时间的努力。目前这些研发项目都已列入中石油的科技开发重大专项，正在实施。从国内外初步试制情况看，厚度21mm的X80热轧板卷和OD 142221.4mm X80螺旋焊管是有可能开发成功的。如欧洲的安塞乐-米塔尔公司通过设备改造和研发，已成功批量生产出160021.6mm的X80热轧板卷，并在土耳其某钢管厂制成6248吨OD 1422.4 21.6mm的X80螺旋焊管；德国萨尔茨基特钢铁公司开发出厚度23.7mm X

5、80热轧板卷，以及OD 81323.7mm和OD 122023.7mm两种螺旋焊管，钢管采用预精焊工艺制造，焊缝成型良好，并将进行壁厚达25.4mm的工业试生产；蒂森克虏伯钢铁公司也在其德国和美国的工厂进行厚壁热轧板卷开发。壁厚（左）和23.7mm （右）X80螺旋焊管焊缝的宏观照片我国首钢京唐公司也成功开发了厚度21mm的X80热轧板卷，由渤海装备华油钢管公司成功制成OD 142221.4mm 的X80螺旋焊管，钢管性能良好，-20夏比冲击功大于300J，-10 DWTT剪切面积为100%，所有检验项目结果均符合“西气东输二线管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件”要求；渤海装备巨龙钢管公司也成功

6、开发了OD1422的X80直缝焊管。大型化焊管的开发已取得重大进展，建设1422试验段的条件已经基本具备。 华油钢管公司采用首钢京唐公司卷板试制的螺旋焊管2. 高寒地区管道建设对管线钢管的挑战与钢管开发随着油气资源勘探开发向边远地区发展，高寒地区输送管线的建设成为热点。如巴甫年科沃-乌恰天然气管道，其CVN试验温度为-40，母材的吸收能量最低要求为150J，落锤试验温度是-20，要求的剪切面积单值和平均值分别为75%和85%。由于这些管道均为大输量长输管道，同时具有钢管强度高、壁厚大、低温韧性要求高的特点，对板材的成分设计和冶炼轧制工艺均提出了很高的要求，对钢管的成型、焊接和检验也是严峻的挑战

7、。由于这些钢管可能穿越不连续冻土带，还要适应土壤冻胀和溶沉造成的影响，还要有大应变能力，对纵向性能、钢管的时效性能都有特殊要求。巴甫年科沃-乌恰天然气管道目前世界上先进的制管企业都在大力开发高寒地区用管，在钢管的低温韧性和应变性能方面都取得了重大进展。欧洲钢管公司为巴甫年科沃-乌恰管道生产的OD 142027.7mm直缝埋弧焊管，其-40的夏比冲击功很好地满足了用户标准要求，绝大部分钢管管体CVN值超过300J，焊缝金属的CVN值也超过100J。最大的挑战是落锤试验，试验温度为-20，要求的剪切面积单值和平均值分别为75%和85%。钢管生产试验结果表明，绝大部分钢管的DWTT剪切面积在90%以

8、上，其转变曲线表明，与50%剪切面积相应的温度与-30还有很大距离。K65 钢的化学成分(wt.%)壁厚27.7 mm钢管-40C母材CVN试验统计结果（左）及焊缝金属CVN转变温度 壁厚27.7 mm K65钢管-20C DWTT试验的统计结果和转变温度需要指出，在这些管线压气站的进口段，由于天然气的减压吸热，温度会降得更低，设计温度降低到-40。欧洲钢管公司曾为北溪管道提供过压气站入口段的钢管，其设计温度为-40，采用X70钢级，尺寸分别为O.D. 812.8 mm 32.5mm wt以及O.D. 609.6 mm29.3 mm wt。针对极低的设计温度进行了板材轧制参数以及制管成型参数的

9、优化。采用全尺寸试样在-40 C和19 mm减薄试样在-57 C进行了DWT试验。这两种结果无差异显著。试验结果表明，全尺寸试样DWT转变温度低于-60。所有-40下的的剪切面积率都高于75%。焊缝和热影响区韧性也有这样优异的止裂性能 。OD 609.629.3 mm X70钢管-40C的CVN试验统计数据OD 609.629.3 mm X70 钢管生产的DWT试验统计结果及转变曲线 以上结果表明，极地低温环境下的高韧性钢管开发是可以实现的。我国钢管企业也在开发高寒地区X80和K65用管线钢管，并且取得了重大进展。钢管的低温韧性和应变性能均比较理想。正在进行进一步的开发。3. 酸性气体输送管道

10、的发展和挑战1972年，一条阿拉伯湾的X65管线服役仅3星期即告失效，对此事故的失效分析推动了世界范围内耐酸管线钢的开发。近年来，随着油气资源需求量的大幅度增加，世界各国均加大开采量以满足需要，高含硫的陆上和海上油气田已逐步开发。许多油田的油气都存在H2S、CO2 等腐蚀介质，虽然对油气进行净化处理, 但是当净化处理不善、油气中H2S含量较高时，应力腐蚀和氢致断裂事故时有发生。出于安全考虑，输送用抗硫化氢腐蚀钢管的用量逐步增加。针对此情况，世界各国均加大了抗硫化氢钢管的开发和应用。欧洲和日本等发达地区和国家发展较早，已经开发出了酸性环境用X65、X70管线管，正在进行酸性环境用X80管线管的开

11、发。欧洲钢管公司在抗硫化氢钢管开发和制造方面处于领先地位，二十多年来，已生产酸性服役钢管300多万吨，最大管径1422mm，最大壁厚41mm，钢级以X60以及X65为主，最高为X70。高强度、大口径的抗硫化氢钢管有逐步发展，应用的趋势。日本在成功开发和应用X65和X70级酸性服役钢管的同时，也对X80级酸性服役钢管进行了研究，其X80钢管抗HIC性能已可通过NACE 0284的BP溶液（pH=4.85.4）。目前，欧洲和日本在将X70钢级酸性服役钢管应用于陆上高压长输管线的同时，也已将厚壁X70钢级酸性服役钢管应用于海洋。印度的酸性服役钢管开发也有很大发展，几个主要制管企业均设有腐蚀试验室，有

12、很多酸性服役钢管的供货业绩，如Jindal Saw公司已出口酸性服役钢管超过2000km。Welspun公司最近开发出壁厚 的X65级耐酸钢管，经检测性能良好。的X65级耐酸钢管X射线拍片显示的 X65级厚壁耐酸钢管焊缝的质量良好HIC试验后焊缝表面完整过去，酸性服役管线钢管的使用地区主要是中东地区，近年来有所改变，其他地区也开始建设酸性服役的油气长输管线。如2001年至2003年间，欧洲钢管公司为连接里海与地中海的巴库-第比利斯-杰伊汉（Baku-Tiblisi-Ceyhan）管道项目 (简称BTC项目) 生产酸性服役管材。巴库-杰伊汉管道全长1760km，整个管道总造价为29.5亿美元，其

13、设计年运输能力为5000万吨。采用42/46X 65材质、壁厚25.4mm，管材的试验条件为H2S分压0.5巴，缓冲溶液的pH值为4.0。巴库-第比利斯-杰伊汉管道为了缓解日本地震后对液化天然气需求的急剧增长，启动了“耶稣鱼”项目（Ichthys Project）。该项目的是一个集成的天然气田开发项目，由日本INPEX集团公司和道达尔集团公司进行运作。原料气来自澳大利亚西部海上的Ichthys凝析气田，将通过一条889km的海底管道，输送到岸上达尔文的液化天然气（LNG）加工设施，然后以LNG形式船运到日本等地。该项目总投资350亿美元，计划在2013年实现。这个项目使用X 65钢级42”钢管

14、，壁厚为29.6mm 40.1mm，标准为DNV F101，介质为中度酸性天然气。日本和欧洲钢管公司为此已进行了大量的前期开发。早在2010年就进行了材料对于酸性气体服役条件的前期评价。试验结果表明，在0.02巴的硫化氢分压和pH值为4.5的条件下，经过28天长期加载，可以满足NACE的试验要求。据欧洲钢管公司网站消息，该公司已经取得了“耶稣鱼”项目60%的订单，提供540km，约41万吨钢管。“耶稣鱼”管道项目可以预见，随着全球天然气需求量的进一步增加，以及高压输送技术的进一步成熟，酸性气体输送管的市场需求将进一步增加，并有向高强度（X70）、大口径发展的趋势。我国对酸性环境用高强度管线钢的

15、研究起步较晚，无论是高强度管线钢的H2S腐蚀机理研究还是产品开发都相对滞后。但是对西气东输X70、X80钢管进行的大量的HIC试验数据表明，国产钢管具有相当好的抗HIC能力。目前国内首钢、南钢等已开发了耐酸管线钢板材，并已批量出口，但国内应用较少。1998年，在巴西矿冶公司（CBMM）推动下，在墨西哥湾的卡特莱尔海底管道上应用了新型的低碳高铌X70酸性服役管线钢。2011年，CBMM又推出了低碳高铌低锰的耐酸管线钢，并在世界范围内展开试制和推广活动。该技术的特点是采用极低的锰含量（0.3%），以消除锰偏析，采用高铌和铬合金化提高强度，采用高温轧制和碳硫化钛夹杂物的形状控制等。该技术合金设计理念

16、具有新颖性和经济性，可以有效改善中心线偏析和降低MnS链状夹杂物形成，放宽炼钢连铸工艺窗口，采用Nb-Cr的简单合金设计理念可以降低合金成本，提高市场竞争力。我国的一些企业也参加了此次推广活动。以此为契机，可以推动我国耐酸管线钢和钢管的发展，提升技术水平。4. 深海管线开发的挑战与钢管开发在世界范围内，海洋油田的产量正在增加，并逐渐成为填补供需缺口的重要部分。在水深小于200m的水域只有280亿t的石油储量，而大于200m深的深海水域，估计石油蕴藏量达3 000亿t。当前开发的深海油气田普遍是在水深2 000-3 000m的水域，而最深的钻井水域及采油井水深已达6 000m以上。预计到2015

17、年，深海油田产量将占所有海上产量的25，海洋天然气的产量到2015年仍将继续增大，最终将接近全球天然气产量的一半左右，这将引起在天然气基础设施上的投资增加，天然气基础设施建设需要大量的海底管线，并将促进液化天然气厂、天然气合成油加工厂等的发展。深海油田主要有3个区域：美国墨西哥区域力保稳产，巴西深海区域走向成熟、处于高位发展，西非区域最有活力、处于迅速发展阶段。亚太地区海洋石油工业增长最快，我国南海的深海项目也正在启动。深海管道处于周围环境水的高压下，并且在管道敷设时受到弯曲。为了避免压溃，采用较低的径厚比(D/t)，要求钢管具有极高的可靠性、良好的圆度和均匀的力学性能。近年来，深海管线发展迅

18、速，深度不断增加，其中最著名的是墨西哥湾深达2412m、长222 km的ITP管道，它是目前已铺设的最深的海底管线。该管道钢级为API X65，外径610mm，壁厚为24.134.3mm。由于该管线管径小，壁厚大，UOE机组难以生产。印度Welspun公司成功地采用JCOE机组生产出该项目所用的全部钢管，使该项目顺利投产，在全世界管道界产生了很大的影响，成功地进入了海底管线领域，也为JCOE钢管适用于深海管线提供了有力的证明。墨西哥湾深2412m、长222 km的ITP管道 深海管线要求钢管具有极高的圆度，欧洲钢管公司为此专门开发了全管体激光测径装置，可以自动检测全管体的圆度和直线度，并采用智

19、能控制系统将测试结果与生产工艺参数建立联系。欧洲钢管公司对钢管圆度的监控 通过对管径的全自动检测与控制，获得了很好的效果，外径1219mm钢管的圆度绝大部分控制在4mm之内，小于0.3%。北溪管道钢管的圆度控制效果 深海管道采用铺管船敷设，大多数情况下是租用铺管船进行管道铺设，日租金高达100万元人民币以上，若因在铺管操作中发现产品存在质量问题而影响正常铺设进度，损失赔偿都是巨大的。若管线在海底出了问题，不仅检测修理费用高昂，而且还将造成严重的生态影响，后果更是难以估量。因此，对深海管道的质量要求极高，不仅要有严格的最终检验，还要有严格的过程控制，对从原材料到制管和防腐过程进行全面的、不间断的

20、监测和控制。参与深海钢管开发不仅要重视具体的开发活动，还要特别注重企业的过程控制系统的不断完善，精益求精，重视每一个细节，才能立于不败之地。当前，我国的深海管线开发也正在进行。南海荔湾深水管道是迄今为止国内水深最深（1500米水深）、壁厚最大、输送压力最高的海底管线项目。钢管直径为762mm，壁厚为28.631.8mm，设计输送压力23.9MPa。在此之前，该规格钢管国内尚未有过成功开发的经验。我国巨龙、宝钢和珠江钢管公司均已试制成功，通过了鉴定，并完成批量生产。更大水深海底管道的开发也在进行之中。 5.二氧化碳排放控制与钢管开发1）二氧化碳捕获和储存技术当前，为了减少温室气体排放，碳捕获和储

21、存技术（carbon capture and storage，缩写为CCS)正日益得到重视和发展；监测表明,大气中的二氧化碳浓度现在接近400 ppm，比工业化前的280 ppm提高了42.9%，这种高水平的二氧化碳浓度提高温室效应,导致全球变暖，导致气候变化、海平面上升、对海洋和陆地环境造成巨大影响；国际能源署(IEA)指出,为了实现全球平均温度上升不超过2C的目标，温室气体减排是最重要的措施之一；目前国际上已经对二氧化碳的捕获和储存进行了大量的研究工作，在欧美、中东地区建设了许多CCS系统，其中的8个大规模的项目明年可以储存2300万吨二氧化碳，到2015年还有8个大项目建成，储存量将超过3500万吨，这一数字是IEA减排目标的70%；发电量达275MW或更多的带有CCS的发电项目已经在全世界进行推荐。欧洲CCS应用正在设想中前进，到2015年最多有12个旗舰示范项目；据全球CCS状况研究所的预测，为了实现全球平均温度上升不超过2C的目标，到2020年运行的项目必须增加到130个；中国已经有一些碳捕集的确定的项目进行了前期工作(大庆、东营、吉林、山西和神华等项目) 。我国正在研究的CCS项目什么是CCS？ CCS是通过捕获化石燃料燃烧产生的二氧化