压力管道用金属管材制造

压力管道用金属管材制造

第一节无缝钢管

无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材，大量用作输送通

道，被广泛应用于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工与航空航天等行业，也

是特种设备制造常用的原材料之一。

近年来我国无缝钢管生产进展很快，已经成为世界无缝钢管生产第一大国，

国内无缝管生产企业约300多家。目前国内部分企业已具有高水平的无缝钢管制

造技术，并拥有世界先进的钢管制造设备，无缝钢管国产化率已接近90%,绝大

部分品种、规格国内企业都可自己生产。其中热轧管产量约占中国无缝钢管总产

量的80%,此外还有使用热轧穿孔后冷轧或者冷拔工艺生产小规格的无缝钢管。

现在中国无缝钢管技术装备种类、规格齐全，拥有各类无缝钢管企业超过300

家，其中能生产热轧成品管且工艺技术装备较完整的有20家左右，产能在900

万吨左右。这类生产厂绝大多数为国有企业，技术装备先进，单线生产能力高，

产品质量好，是无缝钢管生产的主导企业。还有一部分企业通过外购管坯加工无

缝钢管或者是为冷轧冷拔提供毛管或者荒管坯料的中小企业，包含许多冷拔管企

业，这类企业的设备比较简单，单线生产能力较低，产品以多规格小批量的产品

为主。但目前我国还不是世界上的无缝钢管生产强国，部分高强度、耐高温/低

温、高耐腐蚀或者特殊用途的高附加值无缝钢管品种还不能满足国内需求，大量

依靠进口。

一、制造工艺

无缝钢管是使用热加工方法制造的不带焊缝的钢管，用钢锭或者实心管坯经

穿孔制成毛管，然后由热轧、冷轧、冷拔与挤压管等加工工艺形成的最终产品。

热轧工艺是无缝钢管的要紧制造方法，占无缝管产量的80%。热连轧管机组生

产的无缝管的品种与质量水平，除轧机本身的技术水平外，在很大程度上受冶炼

与连铸的制约。因此，无缝管先进的工艺流程应该包含冶炼至管加工的全流程。

国际知名无缝管企业大都是完整的专业钢管厂或者钢铁联合企业，而依靠外购管

坯制造无缝管的企业，是很难在猛烈的市场竞争中占稳阵地的。使用电弧炉或者

转炉冶炼一LF炉外精炼一VD真空处理一全保护浇注连铸圆管坯一热连轧机

（NPN、PQF）一管加工一体化生产，是当今国际先进的无缝钢管生产工艺流程。

使用上述工艺流程能够生产诸如石油专用管、高压锅炉管、中低合金管等。目前,

我国天津钢管公司、宝钢商贸（钢管）公司、鞍钢无缝厂、包钢无缝厂均已实现

上述工艺流程。热轧生产设备要紧有穿孔机、自动轧管机、均整机、定径机与减

径机等构成。轧制工艺有自动轧管机组、连轧管机组、周期轧管机组与导盘轧管

生产机组等多种类型。常用无缝钢管生产方法及适用范围见图3-lo

二次口动管电管.石油管

穿孔机几管机弱炉件

(1»04)

(1925)定

径

_连续

小口整管道管、机普通什

乳件机石油管.锅炉曾

均

(1904)s

机

三疆

L铜卷斜轧机输承管.厚嚏管

二里制(1935)机

乳穿孔机荀单异形管

燎(1M5)一导总臂通忸燃炉管.一

」轧管机机械用件

三爱向(1932)

轧穿孔机

连钝方叁一(1965)一周期ftjfiff,钻探管、一

轧管机特氏，厚合金管

张力

水/(1891)——

穿孔机城整机

付道管.斜炉行.(1932)隹杆支架、行板

(1891)隙管机

大直已助嚏管

(1892)一V径机\

(1948)一周期式_合金管、M*tf.

一挤压机高合金管、异形管L讶轧行机而强度件

热拔卜

(1941)—<1932>

拉伸大口径厚壁管.小梁式_反应堆竹.特殊管，

离心浇__

压力机容器"冷凡皆机小口粒摄替代

注mm与卜推孔穿孔机

(1949)

(1972)精怅斛炉管、

一限动芯棒中小口役碳素冷拔机异形新面管

连轧料机及低合金钩竹

(1978)

旋压机一特殊精位管.极

连骨空_____

心阊坯一箕压机大口径薄壁管-2一薄管.畀彩管件

延伸工序精轧工序冷轧冷拔

管坯生产产砧

热轧无级的管生产审代生产

图3-1常用无缝钢管生产方法及适用范围

1.穿孔。实心管坯经检查合格并清除表面缺陷后，截成所需长度，在管坯

穿孔端端面上定心，然后送往加热炉加热到一定温度，在穿孔机上穿孔。在穿孔

过程中，管坯不断旋转与前进，在轧辐与顶头的作用下，管坯内部逐步形成空腔,

穿孔后的管坯称之毛管，毛管再送至自动轧管机上继续轧制，最后经均整机均整

壁厚，经定径机定径，达到规格要求。在穿孔过程中，容易发生顶头损伤或者失

效，从而导致的无缝钢管内表面划痕、壁厚不均等，应对顶头进行实时检查。顶

头的失效或者损伤形式要紧有：顶头鼻部厚度尺寸偏大时，因冷却不良会在顶头

内腔挤压出一条圆条状的金属带，在轴向压力、旋转摩擦力与高温等交变作用下,

顶头产生裂纹、大的变形等。

2.自动轧管机组。把厚壁毛管轧成薄壁荒管。通常经2〜3道次，轧制到成

品壁厚，总延伸率约为1.8〜2.2。70年代以来，用单孔槽轧辐、双机架串列轧机、

双槽跟踪轧制与球形顶头等技术，都提高了生产效率，实现了轧管机械化。特点

是在穿孔机上实现要紧变形，规格变化较灵活，生产品种范围较广。由于连续轧

管技术的进展，已不再建造140mm下列的机组。

3.导盘轧管生产机组。又称狄塞耳(DiesseD法。穿孔后带长芯棒的毛管

在导盘轧管机上轧成薄壁管材。轧机类似二轮斜轧穿孔机，只是固定导板改成主

动导盘。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤；但工具费用大，调整复

杂。要紧用于生产外径一五0mm下列普通用途的碳素钢管。目前使用较少，也

无很大的进展前景。

4.旋压管生产机组。将平板或者空心毛坯在旋压机上经一次或者多次旋压

加工成薄壁管材。管子精度高，机械性能好，尺寸范围广，但生产效率低。要紧

用于生产有色金属管材，但也越来越多地用于生产钢管。旋压管材除用于生产生

活器具、化工容器与机器零件外，多用于军事工业。70年代，使用强力旋压法

已能生产管径达6000mm、直径与壁厚之比达10000以上的大直径极薄圆管与异

形管件。

5.周期轧管生产机组。以多边形与圆形钢锭或者连铸坯作原料，加热后经

水压穿孔成杯形毛坯，再经二辐斜轧延伸机轧成毛管，然后在带有变直径孔槽的

周期轧管机上，轧辐转一圈轧出一段钢管(图3)。周期轧管机又称皮尔格尔

(Pilger)轧管机。周期轧管生产是用钢锭作原料，宜于轧制大直径的厚壁钢管

与变断面管。周期轧管方式具有锻造工艺的特点，其生产工艺的致命弱点是成材

率低，在大直径、厚壁、异型与高合金无缝钢管生产方面有一定优势。周期轧管

机组应进展以连铸圆坯为原料，使用直接穿孔工艺生产毛管，淘汰原工艺中的水

压冲孔机冲孔与盘式加热炉加热两道工序，并将现有的延伸机改造成菌式穿孔

机。经周期轧管机轧制的钢管壁厚不均严重，需要对壁厚进行均整，以提高其精

度。由于周期轧管机是以锻轧方式轧制的，因此对轧辐材质要求较高。若轧馄辑

面硬度太低，易造成粘钢与磨损；若辑面太硬，又易出现龟裂，为保证轧辑在冷

态下较合适的硬度及便于进行机加工，提高轧辐的红硬性十分重要。周期轧管机

的辐缝操纵较其他轧机困难。由于轧制时的冲击负荷作用，辐瓦磨损严重，因此

辐缝在每轧1支钢管后均可能发生变化。因此，十分有必要在轧机出口侧实施过

程壁厚操纵，以保证钢管壁厚精度，减少壁厚偏移。为减少钢管表面的麻面或者

麻坑，除操纵加热参数外，还需对钢锭、延伸坯与荒管的表面进行除鳞。

6.连续轧管生产机组。生产设备由穿孔机、连续轧管机、张力减径机构成,

有全浮动芯棒连轧、半浮动芯棒连轧与限动芯棒连轧等三种形式。圆坯穿成毛管

后插入芯棒进行连轧，再加热后进行张力减径。这种机组的特点是适于生产外径

168mm下列钢管，设备投资大，装机容量大，芯棒长达30m,加工制造复杂。

70年代后期出现的限动芯棒连续轧管机(MPM),2003年又出现了三辐式连轧

管机(PQF),轧制精度更好。PQF连轧管机组前台设备布置紧凑，大量使用了

比例阀操纵的行程操纵液压缸，减少了毛管横移车的使用，缩短了毛管从穿孔机

穿出至连轧开轧的时间，最大限度地减少了毛管的温度缺失。在设备形式及细节

设计上实现了减小毛管内、外表面温降的工艺目的，既保证连轧管机组的开轧温

度稳固，又不影响轧制节奏，使影响质量操纵与操纵轧制节奏的一对矛盾得到了

有机的结合。PQF使用芯棒在主轧线内预穿的方法，使预穿后的毛管在最短的时

间内开始轧制，大大缩短了毛管内表面与芯棒表面的接触时间，减小了毛管温降

并使毛管开轧温度均匀，有效地降低了轧制载荷与工具消耗。PQF连轧管机轧辐

机架使用三辑封闭式孔型设计，轧制过程中金属变形在3个方向上同时受力，使

金属在同一截面上的变形更加均匀，同时3个轧辐呈120。角布置，保证了芯棒

在孔型中的更好对中，从而使轧制过程更加平滑、稳固。由于使用三辐孔型设计,

孔型的槽底部到顶部的孔型半径变化较小，故各点间线速度差也较小，使金属能

够在比较稳固的条件下流淌。三辐孔型设计使凸缘区（辐缝处）较小，约比二辑

减少30%,这使得金属在整个变形区内的不均匀变形大大减小。由于上述原因，

使得连轧管机轧制过程中管材的裂孔、拉凹缺陷明显得到改善。三辑几何形状能

够在相同芯棒下有更大的调节范围，且无大的公差影响。这样一种规格的芯棒可

轧制的壁厚范围增大，大大减少了芯棒的规格数量（减少50%）及工具更换频率,

生产组织更加灵活。PQF连轧管机组反映并代表了当今轧管机组工艺设计与制造

的最新进展水平，所轧制的钢管壁厚精度与生产效率高，同时在高钢级与合金含

量较高的套管、高压锅炉管及奥氏体不锈钢管等难轧钢种的生产上具有特殊优

势。为了进一步提高产品几何尺寸精度与材料性能，增加最终产品的附加值，热

轧无缝钢管还需要矫直（有冷矫直与热矫直）及进一步热处理（回火、淬火等）。

自动轧管与连扎管机组生产工艺流程见图3-2o

图3-2无缝钢管热轧生产工艺流程

7.若欲获得尺寸更小与质量更好的无缝管，务必使用冷轧、冷拔或者者两

者联合的方法。冷轧、冷拔管生产：用于生产小口径薄壁、精密与异形管材。生

产特点是多工序循环工艺。用周期式冷轧管机冷轧，其延伸率可达6〜8（图6）。

60年代开始向高速、多线、长行程、长管坯方向进展。此外，小辐式冷轧管机

也得到进展。要紧用于生产壁厚小于1mm极薄精密管材，冷轧设备复杂，工具

加工困难，品种规格变换不灵活；通常使用冷轧、冷拔联合工艺，即先以冷轧减

壁，获得大变形量，然后以冷拔获得多种规格。

冷轧无缝钢管是一种生产的高精度金属无缝管材，生产工艺流程：圆管坯一

加热一穿孔一打头一退火一酸洗一涂油一多道次冷拔（冷轧）一坯管一热处理一

矫直一水压试验一无损探伤一标记一入库。

冷拔生产工艺流程：管坯一检验一剥皮一检验一加热一穿孔一酸洗一修磨一

润滑风干一焊头一冷拔一固溶处理一酸洗一酸洗钝化一检验一（冷拔一去油一切

头一风干一内抛光一外抛光）一水压试验一无损检测一标识一入库。

8.挤压管生产。将加热好的管坯放在密闭的挤压筒内，穿孔棒与挤压杆一

起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出，此法可生产直径较小的钢管，挤压管生

产流程见图3-2。

与热轧无缝钢管相比，冷轧、冷拔与挤压方法生产的无缝钢管尺寸精度高、

表面光滑与表面硬度高等优点，但其生产工艺造成加强了材料的各向异性，材料

韧性不足，成品管内残余应力大，韧性不足，容易产生脆性裂纹，钢管尺寸、规

格受模具限制，轧制钢种多为碳素钢与低合金钢，冷拔钢管的表面缺陷是影响冷

拔质量的最常见因素，表面缺陷类型：拉毛、局部斑点、局部凹坑、划痕等。产

生表面拉毛与局部斑点的原因要紧是管坯前处理不合格。比如：酸洗不完全，没

除掉管坯表面的氧化皮、黄锈与污渍；磷化不合格，管壁表面没形成完整、致密、

附着力牢固的磷化膜；因磷化膜不合格，皂类物质不能牢固吸附在磷化膜上，皂

化效果差。现在冷轧、冷拔与挤压方法的应用范围转向了高精度、特种金属管领

域。

图3-3挤压管生产流程

二、产品种类及验收标准

无缝钢管按材质有普通碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、合金

结构钢与不锈钢等种类。无缝钢管的用途非常广泛，不一致用途的无缝钢管质量

要求不一致，相应的产品标准也不一致，务必根据用途确定适用的标准。高压锅

炉用无缝钢管通常处于高温与高压环境中工作，要求钢管具有高的持久强度、抗

氧化性能与良好的组织稳固性，保证化学成分与机械性能，逐根进行水压试验与

扩口、压扁等工艺性能试验。某些化工用途的成品钢管对耐腐蚀性能、显微组织、

晶粒度与脱碳层也有一定要求。石油裂化管要紧用于石油炼化厂的炉管、热交换

器与输送流体，务必保证化学成分与各类机械性能，表面质量与无损检验也务必

满足要求。油井管用无缝钢管包含地质钻探与采油用无缝钢管，有岩芯外管、岩

芯内管、油管、套管与钻杆，承受拉伸、压缩、弯曲、扭转与冲击等载荷，并承

受泥浆与岩石的磨损作用，要求材料务必具有足够的强度、硬度、耐磨性与冲击

韧性，根据地下适用环境有的时候还要求耐腐蚀性能。按用途区分的无缝钢管常

用类型及相应的产品标准见表lo

表3-1常用无缝钢管类型及相应的产品标准

序

标准名称标准代号产品用途、种类

号

输送流体用无缝钢GB/T8163-199用于工程及大型设备上的输送流

1

管9体管道。

低中压锅炉用无缝要紧用于工业与生活锅炉输送低

2GB3O87-1999

钢管中压流体管道。

高压锅炉用无缝钢

3GB5310-1995要紧用于高压的蒸汽锅炉及管道

管

制造船舶I级耐压管系、n级耐压

管系、锅炉及过热器用的碳素钢无

船舶用碳钢、碳锦钢GB/T5312-199

4缝钢管。碳素钢无缝钢管管壁工作

无缝钢管9

温度不超过450C,合金钢无缝钢

管管壁工作温度超过450℃o

高压化肥设备用无要紧用于化肥设备上输送高温高

5GB1479-2000

缝钢管压流体管道

石油裂化用无缝钢适用于石油精炼厂的炉管、热交换

6GB9948-88

管器与管道无缝钢管。

7地质钻探用钢管YB235-70供地质部门进行岩心钻探使用的

钢管，按用途可分为钻杆、钻铤、

岩心管、套管与沉淀管等。

金刚石岩芯钻探用用于金刚石岩芯钻探的钻杆、岩心

8GB3423-82

无缝钢管杆、套管的无缝钢管。

是制造柴油机喷射系统高压管用

9柴油机用高压油管GB3093-2002

的冷拔无缝钢管。

制造液压与气动缸筒用的具有精

液压与气动缸筒用

10GB87一三-88密内径尺寸的冷拔或者冷轧精密

精密内径无缝钢管

无缝钢管。

用于机械结构、液压设备的尺寸精

冷拔或者冷轧精密

11GB3639-2000度高与表面光洁度好的冷拔或者

无缝钢管

冷轧精密无缝钢管。

广泛用于化工、石油、轻纺、医疗、

结构用不锈钢无缝GB/T14975-20食品、机械等工业的耐腐蚀管道与

12

钢管02结构件及零件的不锈钢制成的热

轧挤、扩与冷拔轧无缝钢管。

流体输送用不锈钢GB/T14976-20用于输送流体的不锈钢制成的热

三无缝钢管02轧挤、扩与冷拔轧无缝钢管。

GB/T8162-199用于通常结构与机械结构的无缝

14结构用无缝钢管

9钢管。

GB一八要紧用于制作各类燃气、液压气

气瓶用无缝钢管

五248-2000瓶。

要紧用于化工企业的锅炉、过热

锅炉、热交换器用不GB一三

16器、热交换器、冷凝器、催化管等。

锈钢无缝钢管296-1991

用的耐高温、高压、耐腐蚀的钢管。

APISPEC5CT-2

17套管与油管规范

003

用于石油工业套管与油管的无缝

石油天然气工业油

GBT19830-200钢管。

气井套管或者油管

八5

用钢管

APISPEC5L-20

19管线管规范

00

石油天然气工业输用于石油天然气输送的无缝钢管。

20送钢管交货技术条GB/T9711

件

适用于-45℃级〜-100℃级低温压

低温管道用无缝钢GBT一八

21力容器管道与低温热交换器管道

管984-2003

用无缝钢管。

三、质量检验与操纵

为了保证无缝钢管产品质量，对进厂原料、生产过程中的半成品与出厂前无

缝钢管成品务必根据质量管理体系与适用标准进行检验。

1.表面质量检验

外观质量：钢管内外表面不得有裂缝、折叠、轧折、离层与结疤等缺陷存在,

如有则应完全清晰掉，切清晰后钢管的壁厚与外径不得超差。外观质量应在充分

照明的条件下逐根目视检查。

2.化学成分检验及组织分析

化学成分是关系钢材质量与最终使用性能的重要因素之一，也是确定钢材最

终产品热处理工艺的要紧根据，务必保证钢管产品满足有关标准或者订货技术协

议要求。化学成分检验包含钢坯熔炼成分检验与成品化学成分检验，从试样上按

规定方法（GB/T222）钻取或者刨取样屑，按规定方法（GB/T223）进行检验。

对某些用途的无缝钢管来说，组织的类型、夹杂物形貌及大小与晶粒度是其性能

的重要影响因素，金相分析的结果可对钢管的生产工艺（如热处理工艺）质量进

行大致的推断，生产工艺不合格往往造成材料组织粗大、存在过大的夹杂物、带

状组织、脱碳等缺陷，因此金相分析也是操纵无缝钢管质量重要的技术方法。组

织脱碳形貌如图3—4所示。

3.力学性能检验

力学性能是保证钢材最终使用性能的要紧指标，要紧包含：

拉伸性能：抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率，及根据用户要求的

高温、低温性能。

硬度：根据试验方法与使用范围，钢管常用的有布氏、洛氏与维氏硬度三种。

冲击韧性：表征材料抵抗断裂能力的指标，根据试验温度有低温、室温与高

温冲击试验，根据试样类型有V型与U型两种缺口试样。材料韧性不足在使用

中可能造成严重事故，如图3—5所示，钢管韧性不足，在内压作用下发生爆破,

断裂为几块，

落锤试验（DWTT）：高压高强度输送管还要求进行落锤试验，有室温与低

温两种。

IIA

图3—4钢管外壁组织脱碳图3-5材料韧性不足的爆破形貌

4.工艺性能试验

静水压试验：对承受流体压力的钢管都要进行液压试验以检验其耐压能力与

产品质量，在规定的压力下不得发生泄漏或者过度膨胀。

根据不一致标准要求，工艺检验还有卷边试验、扩口试验与压扁试验。

5.无损检测

根据有关标准要求，对无缝钢管产品务必进行一种或者多种形式的无损探

伤。常用无损探伤方法有：涡流探伤、漏磁探伤、超声探伤。

6.耐腐蚀试验

根据有关标准要求，特定标准或者特殊用途钢管应进行硫化氢、二氧化碳、

氯离子等的耐腐蚀试验，检测内容有硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）、氢致开裂

（HIC）、腐蚀速率测试、电化学等试验。

7.几何尺寸

标准中规定了每种规格钢管的外径、壁厚及长度等名义尺寸与尺寸公差，钢

管的实际尺寸务必在同意范围内。另外还有直度、椭圆度等要求。

四、使用状况

我国无缝钢管消费量逐年增加，现在已达每年1000多万吨，其中作为油井

管使用的无缝钢管占据近五分之一。油井管是在端部加工了连接螺纹的钢管，是

一种高技术含量、高附加值的管材，贯穿石油钻井、完井、采油（气）的各个环

节，是石油工业用量最大、花费最多的石油物资。油井管的质量、性能对石油工

业的进展关系重大，与油、气井的安全可靠性与使用寿命密切有关，对石油工业

使用先进工艺与增产增效起着重要的作用。随着我国石油钻采由东部向西部及沿

海大陆架的战略转移，油层的深度由浅入深，油井管使用工况更加苛刻。井下情

况复杂，部分地区井下有多套高低压地层（包含高压气层），多套高压盐水层，

盐岩层与存在高陡构造等情况；井内油气压力与温度亦不断提高，有些油井压力

达到或者超过120MPa,井底温度超过200C；硫化氢、二氧化碳、负离子等多

种腐蚀因素共存；丛式井、水平井等钻采技术与方法要求钻柱、套管柱具有较高

的强度、韧性及耐磨性、抗疲劳、耐冲蚀与应力腐蚀等性能。因此，超高强度、

高抗挤与高耐腐蚀的特殊油井管的用量也越来越大。API标准规定最高钢级为

Q125,为满足深井与超深井的钻采需要，国内市场上已出现一五0与一五5超

高钢级油井管，要紧供塔里木油田使用。为了满足钻井工艺要求、提升经济效益,

生产厂开发了超出同钢级、同壁厚的普通套管抗挤强度30%以上的高抗挤套管,

在我国的四川、新疆、长庆、胜利与东海、渤海等油田获得了广泛的应用。为了

保证多种腐蚀介质环境油井管的使用安全，高含Cr、Ni的合金油井管产品已投

入使用，有效地防止了油井管的快速腐蚀失效问题。在CO2与H2s共存或者

H2S分压未达临界值但CL很高的使用环境中，需要使用22Cr双相不锈钢

(ASF2205)或者超级双相不锈钢25Cr,甚至要采含Cr20%以上、含Ni30%以

上的高Ni、Cr不锈钢与Ni基合金，但这些管材价格昂贵，低产气田通常无力承

受，近年来国内外都在研究开发含Cr2-5%的经济型抗CO2腐蚀油井管。

近年来，随着冶金与轧制技术的提高，油井管生产质量也在逐步提高，要紧

表达在：炼钢技术的纯净度提高，微合金化；轧管技术可保证几何尺寸保证、组

织更均匀；热处理技术得到了高钢级、高韧性；螺纹加工操纵精度与自动化程度

不断提高；质量检验技术减少了最终产品的缺陷、提高了质量；质量保证体系不

断完善、提高；特殊非API油井管的制造技术进展迅速，已成为油井管的核心

技术，包含特殊钢级、特殊螺纹与特种功能管材。其中特殊螺纹以其具有较高的

密封性、连接强度、高抗扭、抗弯等性能，被广泛应用于一些苛刻井的勘探与开

发，目前已有100多种有专利权的特殊螺纹油、套管接头与钻杆接头。

1.统计多年来的应用实践，油井管的要紧失效形式有：

(1)螺纹损伤。粘扣：连接螺纹在上扣连接或者卸扣的过程中发生的螺

纹粘连造成了螺纹完整性的破坏。胀扣：发生在有较高的轴向压力情况下，外螺

纹强制进入内螺纹，引起内螺纹胀开或者粘扣而造成联接失效，或者上紧扭矩过

高，或者钻井过程中引起螺纹再次上扣，也会发生胀扣失效。螺纹剪切：在较大

的拉伸载荷作用下，螺纹由于抗剪切强度不足而发生的失效。螺纹的损伤失效通

常都与与螺纹参数不匹配、表面处理不合适或者者上扣操作不符合要求有关。典

型照片见图3-4o

图3-6螺纹配合不佳导致粘扣

(2)滑脱/断裂。在较高拉伸载荷或者疲劳作用下，连接螺纹径向位移太

大或者管体最大拉伸应力超过抗拉强度时，会发生滑脱或者断裂。由于在大端啮

合螺纹处应力最大，断裂往往发生在大端啮合螺纹处。滑脱/断裂失效与油井管

螺纹及几何参数、材料性能、制造缺陷与所受载荷有关。

图3—7油井管滑脱/断裂典型形貌

(3)刺扣及泄漏。钻柱在钻进过程中受拉伸、扭转、弯曲与各类振动载

荷作用，可能造成密封失效，使得高压流体沿着螺纹间隙从管内流出，引起刺扣。

对油管与套管而言，由于连接螺纹在内压作用下产生了流体通道，将发生的内压

介质泄漏，特别是内压介质为气体时更易发生泄漏。刺扣及泄漏与油井管几何参

数、材料性能、所受载荷、制造缺陷与操作过程有关。

(4)刺穿。钻具在钻井过程中，由于疲劳、腐蚀或者制造缺陷而产生微

裂纹，在内压作用下发生的内压介质泄漏，并使得裂纹迅速增加。

图3—8螺纹刺扣/刺穿及泄漏典型形貌

(5)爆破。由于内压载荷超过油井管的承载能力，或者制造缺陷使得管

体内部应力集中，或者腐蚀介质作用发生应力脆断，油井管将发生爆破失效。钢

管爆破后形貌如图3-5与图3-9所示。

(6)外压挤毁。油井管在较大的外压载荷作用下发生的管壁凹陷失效。

油井管的抗挤毁能力与管体不圆度、壁厚不均度、材料性能与加工制造过程有关。

钢管挤毁典型形貌如图3—10所示。

图3—9内压爆破典型形貌

图3—10外压挤毁典型形貌

(7)易导致失效的载荷类型。除油井管本身制造缺陷及材料性能外，腐

蚀介质、疲劳、运输及使用过程中带来的机械损伤、温度与磨损是引起油井管特

殊失效的常见因素，如疲劳断裂、应力腐蚀断裂、磨损造成油井管管壁变薄发生

挤毁等。

(8)油井管失效特点。钻具失效显著特点，就是探井、新区块钻具断裂

事故率远大于开发井、老区块；套管失效情况严重，分布广，数量大，腐蚀问题

日益突出；几乎所有油田都存在油井管腐蚀问题；油井管失效造成的经济缺失严

重，每年因管材失效缺失达几十亿元，钻柱或者套管柱损坏有的时候会导致油井

报废，安全事故责任重大，油井管失效严重时可导致重大安全事故，将产生不良

的社会影响。

2.国内油井管制造状况。

国内油井管生产不管是技术装备、制造水平，还是生产数量、生产品种等都

进展迅速，并取得了长足的进步，有的方面已经达到或者接近世界先进水平，不

但自给率达到85%以上，而且出口40多个国家与地区，国际市场在中国的采购

量逐年增长，一跃成为生产大国。但存在低端产品多、高端产品少的品种不合理

问题，特别是高附加值的特殊用途产品不管产量还是质量与国外还有一定的差

距。骨干生产企业均获得API会标使用权、IS09002质量体系认证与IS014000

环境管理体系认证，质量保证体系逐步健全，质量总体呈上升趋势，抽检与商检

检验合格率保持在较高水平。但不一致企业产品质量差异很大，特别是实物性能

与标准未明确的性能参数等方面，质量稳固性还须提高，油、套管使用过程中发

生粘扣事故，新钻杆在多个油田发生一口井没打完就发生多次刺穿或者断裂事

故。由于近年来市场较好，原材料供应紧张，致使一些不具备技术要求的原材料

进入市场，如使用普通45#钢、普通无缝管（热轧或者冷拔）、普通焊接钢管等

生产油井管；部分产品连基本的材料力学性能都达不到要求，一些产品的外观质

量与几何尺寸精度也存在许多缺陷，如表面有裂缝、折叠、轧折、离层、发纹及

结疤、组织脱碳等缺陷存在，外径不圆度、壁厚不均度超差等。由于受装备与工

艺技术的限制，许多油井管关键部位的关键生产技术还只是关或者不稳固，如螺

纹加工、钻杆内加厚、轧管、焊接等技术；对油井管使用性能与寿命均影响较大

的化学成分、金相组织、冲击韧性、耐腐蚀性、实物性能等指标也存在不符合标

准要求的问题，如抗硫管的硫、磷含量超标，晶粒度粗大，夹杂物偏大，材料韧

性偏低，螺纹参数不稳固或者超标，油井管抗拉强度低等。

驻厂检验被认为是油井管行之有效的质量操纵方法，国外已经形成一种惯

例。关于一些新产品与特殊产品的性能进行评价作是保证订货与管材选用安全的

重要根据，重点是全尺寸实物性能与耐腐蚀性能评价。性能评价不一致于通常的

检验，检验是根据标准对产品符合性的判定，评价除产品符合性检验外，还包含

对产品设计合理性、标准的科学性与产品的适用性等进行判定。

第二节螺旋焊缝与直缝埋弧焊钢管

焊接钢管也称焊管，是用钢板或者钢带通过卷曲成型后焊接制成的钢管。焊

接钢管生产工艺简单，生产效率高，品种规格多，设备资少，但通常强度可靠性

低于无缝钢管。20世纪30年代以来，随着优质带钢连轧生产的迅速进展与焊接

与检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越

来越多的领域代替了无缝钢管。无缝钢管与焊接钢管比较，材料的可靠性与品种

习惯性更强，特别习惯厚壁与合金钢的生产。但无缝钢管生产投资高、成本高、

制造工艺复杂，壁厚与椭圆度公差大。过去人们普遍认为焊接钢管在质量上、安

全性上不如无缝钢管，加上其材质通常为普钢Q235,生产工艺又较简单，其用

途仅限于通常民用建筑与低压流体输送管道，尽管其价格远低于无缝钢管，也无

法同无缝钢管争夺市场。但进入21世纪后，先进的焊管装备在我国陆续出现，

由于焊接工艺技术的提高，焊缝质量发生了质的改善，一些中小规格焊管，因其

质量接近或者达到无缝管水平，正向原属无缝钢管应用领域进军，无缝钢管同焊

管在市场上的竞争越来越猛烈。

焊接钢管按焊缝的形式分为直缝焊管与螺旋焊管，焊接方法有埋弧自动焊与

电阻自动焊。埋弧自动焊是1940年发明的，连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状

的焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材与焊剂的一部分熔化与蒸发构成一个空腔,

电弧是在空腔里面稳固燃烧的焊接方法，因此把它称之为埋弧自动焊。埋弧自动

焊使用渣保护，但是这个渣不是焊条的药皮，是专门熔炼出来的焊药，由一个漏

斗装的焊药通过一个管道输送到要焊接的前面。焊接不使用焊条，而是使用焊丝,

用送焊丝的装置与焊丝盘，能够连续地送给焊丝。埋弧自动焊适于批量较大，较

厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接，优点是：1.生产效率高。一方面焊

丝导电长度缩短，电流与电流密度提高，电弧的熔深与焊丝熔敷效率都大大提高

（通常不开坡口单面一次溶深可达20mm）o另一方面由于焊剂与熔渣的隔热作

用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也少，尽管用于熔化焊剂的热量损耗有

所增大，但总的热效率仍然大大增加。2.焊缝质量高，熔渣隔绝空气的保护效果

好，焊接参数能够通过自动调节保持稳固，对焊工技术水平要求不高，焊缝成分

稳固，机械性能比较好。3.劳动条件好，除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它

没有弧光辐射，这是埋弧焊的特殊优点。

目前较小口径的焊管大都使用直缝焊，大口径焊管则大多使用螺旋焊，实际

工程中还需要考虑多种因素，如：（1）调峰要求很高的管道，由于用户的用气

量很不均匀，管道压力波动频繁，钢管承受的交变应力很大，管材中的缺陷可能

会发生疲劳扩展。（2）管道穿越地震断裂带或者通过局部高烈度地震区域，由

于这些地段的地质活动频繁，会对管道产生纵向或者轴向的交变应力。在长期的

应力作用下，螺旋焊缝钢管发生事故的几率高于直缝埋弧焊钢管。（3）对内、

外防腐层要求很高的管道，应使用直缝埋弧焊钢管。螺旋埋弧焊钢管焊道多，焊

缝余高通常比直缝埋弧焊钢管高，在对钢管进行内、外防腐时，防腐材料与裸管

的结合度不如直缝埋弧焊钢管紧密，防腐效果也没有直缝埋弧焊钢管好。（4）

关于重要的穿跨越工程，由于日后的保护管理都比通常线路段困难，应使用直缝

埋弧焊钢管。（5）关于管道薄弱环节，如热煨弯头由于方向改变，其所承受的

内外力比通常线路直管段要大，残余应力不容易消除，使用直缝埋弧焊钢管较好。

一、产品种类及验收标准

焊接钢管在建筑、机械、冶金、石油天然气、煤炭、化工、轻工、农业、交

通与电力等行业得到了广泛应用，种类繁多，要紧有：

1.低压流体输送用焊接钢管（GB"3091-2001）

通常焊管，是用于输送水、煤气、空气、油与取暖蒸汽等通常较低压力流体

与其他用途的焊接钢管。钢管接壁厚分为普通钢管与加厚钢管；接管端形式分为

不带螺纹钢管（光管）与带螺纹钢管。钢管的规格用公称口径（mm）表示，公

称口径是内径的近似值。低压流体输送用焊接钢管除直接用于输送流体外，还大

量用作低压流体输送用镀锌焊接钢管的原管。标准对电阻焊钢管与埋弧焊钢管的

不一致要求分别做了标注，未标注的同时适用于电阻焊钢管与埋弧焊钢管。

2.石油天然气工业输钢管交货技术条件（第一部分A级钢管）

（GB/T9711.1-1997）适用于石油天然气工业输送可燃性流体与非可燃性流体的

非合金与合金无缝钢管及焊接钢管的交货技术条件。

3.石油天然气工业输钢管交货技术条件（第一部分B级钢管）

（GB/T9711.2-1997）适用于石油天然气工业输送可燃性流体的非合金与合金无

缝钢管及焊接钢管的交货技术条件，指标要求总体上高于GB/T9711.1。

4.普通碳素钢电线套管（GB3640-88）是工业与民用建筑、安装机器设备等

电气安装工程中用于保护电线的普通碳素钢焊接钢管。

5.直缝电焊钢管（GB/T一三793-1992）是焊缝与钢管纵向平行的钢管。通

常分为公制电焊钢管、电焊薄壁管、变压器冷却油管等等。

6.承压流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管（SY5036-83）是以热轧钢带卷作管坯,

经常温螺旋成型，用双面埋弧焊法焊接，用于承压流体输送的螺旋缝钢管。钢管

承压能力强，焊接性能好，通过各类严格的科学检验与测试，使用安全可靠。钢

管口径大，输送效率高，并可节约铺设管线的投资。要紧用于输送石油、天然气

的管线。

7.承压流体输送用螺旋缝高频焊钢管（SY5038-83）是以热轧钢带卷作管坯,

经常温螺旋成型，使用高频搭接焊法焊接的，用于承压流体输送的螺旋缝高频焊

钢管。钢管承压能力强，塑性好，便于焊接与加工成型；通过各类严格与科学检

验与测试，使用安全可靠，钢管口径大，输送效率高，并可节约铺设管线的投资。

要紧用于铺设输送石油、天然气等的管线。

8.通常低压流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管(SY5037-83)是以热轧钢带卷作

管坯，经常温螺旋成型，使用双面自动埋弧焊或者单面焊法制成的用于水、煤气、

空气与蒸汽等通常低压流体输送用埋弧焊钢管。

9.通常低压流体输送用螺旋缝高频焊钢管(SY5039-83)是以热轧钢带卷作管坯,

经常温螺旋成型，使用高频搭接焊法焊接用于通常低压流体输送用螺旋缝高频焊

钢管。

10.桩用螺旋焊缝钢管(SY5040-83)是以热轧钢带卷作管坯，经常温螺旋

成型，使用双面埋弧焊接或者高频焊接制成的，用于土木建筑结构、码头、桥梁

等基础桩用钢管。

11.传动轴用电焊钢管YB/T5209-2000适用于制造汽车传动轴及其他机械动

力传动轴。11.低中压锅炉用电焊钢管YB4102-2000适用于制造各类结构低压与

中压锅炉及机车锅炉用优质碳素结构钢钢管。

12.换热器用焊接钢管YB4103-2000适用于温度在-19C〜475C,设计压力

不大于6.4MPa的换热器、冷凝器及类似传热设备用钢管。本标准不适用于毒性

程度为高度或者极度危害的介质。

一三.低压流体输送用大直径电焊钢管GBfT14980-1994适用于水、污水、

煤气、空气、与采暖蒸汽等低压流体与其它用途的电焊钢管。

14.矿山流体输送用电焊钢管GB/T14291-2006适用于矿山压风、排水、抽放

瓦斯与矿浆输送用直缝电焊钢管

一五.深井水泵用电焊钢管YB/T4028-2005适用于深井水泵、潜水泵及其他

用途。

二、螺旋埋弧焊钢管制造工艺

螺旋埋弧焊钢管是以热轧钢带卷作管坯,经常温螺旋成型，用埋弧焊法焊接,

用于承压流体输送的螺旋缝钢管，钢管口径大，输送效率高。要紧用于输送石油、

天然气的管线。螺旋埋弧焊钢管生产工艺流程为：下料一开卷一矫平、修边、对

头—活套—卷制成形—焊接—内外焊珠去除—预校正—感应热处理—定径及校

直一涡流检测一切断一水压检查一酸洗一最终检查一包装，如图13—11所示。

原材料检膜拆卷矫平

|-仁心一钢管切断一外表面检查一

焊剂焊渣清内外焊

一对头焊缝反面焊L

一电匚）一管端打磨一管端加工、

二补焊一相蟒波检=X射线检查内表面检查

志—mjjLdj用品检查—。串，）—

成品涂油测长计重

图3—11埋弧焊钢管制造工艺流程示意图

螺旋埋弧焊钢管现在要紧有两种成形方式：外控或者内控辐式成形方法。外

控式是先把钢板弯曲到小于钢管曲率的一定弧度，到焊接时再继续弯曲到产品曲

率进行焊接的方法。内控式是先把钢板弯曲到大于钢管曲率的一定弧度，到焊接

时再从钢管内表面施加扩张载荷保持钢板曲率到钢管产品的要求进行焊接的方

法。为了提高钢管产品的几何精度，国外进展了一种新的成形工艺一预精悍生产

工艺，即先把钢板加工到要求的形状，用点焊保持形状，再进行内焊与外焊，达

到提升焊缝性能的目的。

螺旋缝钢管是将带钢按螺旋形弯曲成形，用埋弧自动焊进行内缝与外缝的焊

接制成的，与直缝埋弧焊钢管比具有如下优点：1）只要改变成形角度，就能够

用同一宽度的带钢生产各类口径的钢管，能用较窄的坯料生产管径较大的焊管；

2）由因此连续弯曲成形，因此钢管的定尺长度不受限制；3）焊缝螺旋形均匀地

分布在整个钢管圆周上，因此钢管的尺寸精度高，通常情况下强度比直焊缝焊管

高；4）设备费用便宜，易于变更尺寸，适合于小批量、多品种钢管的生产；5）

设备投资少，对钢板板带原料要求较低，因此产品价格便宜。

但是螺旋管的焊缝比直缝管长，如管长为L,则焊缝长度为L/cos（0）,0

为螺旋角。通常情况下钢管焊缝及热影响区是缺陷集中区，焊缝长就意味着缺陷

出现的概率大，这是制约螺旋焊管更加广泛应用的要紧原因，也是长期以来争论

不休的螺旋管与直缝管，特别是与UOE钢管相比谁更优越的原因。随着螺旋管

制造技术进步，需要重新认识螺旋管焊缝较长的问题。首先，由于缺陷与焊缝相

平行，故对螺旋管来说，其焊缝的缺陷为“斜缺陷”，钢管的主应力方向的当量缺

陷长度比直缝管小；其次，由于管线钢均为轧制钢板，冲击韧性有较大的各向异

性，顺轧制方向的CVN值可比垂直于轧制方向的CVN值高3倍。直缝管所受

的主应力恰恰垂直于管材抗冲击能力最低的方向，而螺旋管则错开了管材抗冲击

能力最低的方向，使螺旋管焊缝长的劣势转变成了优势。因此这个问题还需要进

一步的研究。

螺旋焊缝钢管制造过程中为带应力焊接，即需要施加机械作用保持焊缝两侧

管板在同一平面。螺旋焊缝钢管通常仅在管端进行扩径，以保证现场焊接时容易

对接。由于没有进行整管扩径，管内加工变形残余应力很大，且分布不均匀。直

焊缝钢管则首先利用设备加工成需要的形状，然后再焊接，焊接时基本无应力。

为了降低、消除管内加工变形时产生的残余应力，提高管体强度，在出厂前要对

整个管体进行扩径操作，有机械扩径与水压扩径两种方式。

三、直焊缝埋弧焊钢管制造工艺

管线设计中，通常穿、跨越及重要路段时会选用直缝埋弧焊钢管。近年来随

着我国经济的进展，直缝埋弧焊钢管的进展也取得了长足进步。从建设投产到高

钢级（X80）、大口径、大壁厚钢管试制成功，其进展速度很快。目前国内有很

多家钢管公司（厂）具有直缝埋弧焊管生产能力，可提供JCOE、UOE与HME

等多种不一致类型的钢管。与螺旋缝埋弧焊钢管相比，直缝埋弧焊钢管的成型与

焊接是分开进行的，焊接作业不受成型操作的制约，而且内焊前增加了预焊

（TackWeld2ing）,焊接在平面位置进行，焊缝外形轮廓比较理想，后续无损探

伤容易实现自动化，焊缝的综合质量容易保证，习惯钢管的壁厚范围较宽，X70

钢级钢管的壁厚可达到27mm。

直缝焊管有如下优点：（1）生产工艺简单，生产效率比螺旋焊缝高，成本

低。（1）没有拆卷的工序，使母材压坑、划伤少。错边、开缝、管径周长等易

于操纵，焊接质量好。（3）经检测合格的焊管要进行扩径，以消除管体内部的

残余应力，同时提高钢管的几何尺寸精度，方便现场施焊。（4）焊缝为一条直

线，内外表面均进行处理，基本与管体等厚，对防腐材料涂敷质量影响较小。（5）

由于焊缝较短，缺陷相比螺旋焊管少，安全可靠性通常认为比螺旋焊管高。（6）

使用预焊后精焊的工艺，焊接过程稳固，焊缝质量高，焊缝易于实现生产过程中

的无损探伤与使用过程中野外的无损探伤复查。

直缝埋弧焊钢管成形方式有UOE成形法、根压弯曲成形法（RBE）、JCOE

成形法、C成形法、PFP逐步折弯成形法、连续扭转成形法（HME）与排辐成形

法（CFE）等，但应用最广泛的是UOE、RBE、JCOE三种成形法。直缝埋弧焊

钢管选择何种成形方式取决于产品规模、企业承受能力等综合因素。UOE法生产

效率高，但设备价格昂贵，投资规模大；RBE辑弯成型法投资少、产量适中，市

场习惯性强，但由于设备特性限制，产品规格范围较窄，不能生产管径较小、厚

壁与高钢级的钢管；JCOE成型法是渐进式多步模压成型，钢板由数控系统实现

理想的圆形，钢板各部位变形均匀，没有明显的应力集中，残余应力小、分布均

匀，中等投资规模的企业也能够承受得起，能够以最小的投资获得最佳的设备与

工艺配置，既能够保证产品质量，又能最大限度地满足长输油气管道建设的需求。

UOE钢管机构成形工艺分三步完成，即预弯边、U形压力机成形与0形压力

机成形，最后是对全管进行冷扩径（Expanding）,以消除制管过程中产生的应

力。该成形机组设备庞大，造价高，每套成形设备需要配备多套钢管内、外焊机,

生产效率高，年生产能力可达30X104〜100X104t。由因此仿形成形，因此成形

设备较多，一种直径的钢管就需要一套特定的成形模具，更换产品规格时，需要

更换这些模具。成形后的焊管内部应力较大，通常都配备了扩径机。UOE机组工

艺成熟，自动化水平高，产品质量可靠，但机组设备投资巨大，适合于生产批量

大的产品。目前世界上已有UOE机组40余套，大部分在发达国家，我国已有多家

生产厂引进了UOE钢管机组。UOE生产线要紧流程如下：合格钢板一板边倒角

一板边预弯一成型一JCO成型一钢管接缝连续焊接一管内接缝埋弧焊接一管外

接缝埋弧焊接一整圆及矫直（扩管）一管端倒角及修平~焊缝超声波检查一不合

格焊道修补一焊道X射线检查一水压试验一焊道超声波检查一不合格焊道修补

一管内面干燥处理一管内面除锈处理一管内面防锈包覆处理一管外表面除锈处

理~管外表面防锈包覆处理一成品。

RBE成形的阶段为辐压、弯曲与扩径，生产工艺成熟，过去的RB要紧用于

制造外径较大且长度较短的压力容器、结构钢及给排水管。由于通常企业难以承

受UOE制管机组的巨大投资，在RB基础上进展起来的RBE制管机组具有投资小、

批量适中、更换产品规格方便等特点，因而得到较快的进展。用此种成形工艺生

产出来的焊管在质量与性能上接近UOE钢管，因此在大部分情况下能够代替

UOE焊管。RBE制管机组是以三辑滚压来实现钢管成形的，其制管过程是，三辑

成形机将钢板滚压成一定口径的钢管，然后用成形馄将其边缘弯曲，也能够采取

后弯边。由因此三辐连续辐压弯曲成形，因此在钢管成形过程中产生的应力分布

较均匀，但在改变产品规格时，需要更换芯辑，并适当调整下根。该成形设备的

一套芯辑能够兼顾几种规格的产品。缺点是生产规模小，由于受芯辑强度与刚度

等方面的影响，钢管壁厚与管径受到了很大的限制。

JCOE成形有三个阶段，即先将钢板压成J形，然后再依次压成C形与。形，E

代表扩径（Expanding）。JCOE成形制管机组是在UOE成形工艺的基础上进展起

来的，它借鉴U形的工作原理，将UOE成形工艺分布实施，使成形机的吨位大大

减少，从而节约了设备的投资。生产出来的钢管在质量上与UOE焊管相同，但产

量比UOE焊管机组低，这种工艺容易实现成形过程中的自动化操纵，产品成形质

量较好。JCOE成形设备大体能够分成两种形式，一种是折弯成形，另一种是模

压成形。折弯成形要紧用于厚板与中厚板的成形工艺，步幅较小，产量较低。成

形过程是先在弯边机上将钢板两个边缘按焊管的曲率半径滚压成弧形，然后用成

形机通过多次步进冲压将钢板的一半压成C形，再从钢板的另一边开始冲压，通

过多次步进冲压，将钢板的另一边也压成C形，从而使整块的钢板成为开口的O

形。模压成形要紧用于薄板与中厚板的成形，与折弯成形相比，要紧是成形机压

头不一致，折弯成形机压头的截面为T形（单位面积压力较大），模压成形机的

压头为倒T形（单位面积压力相对要小），同时压头按一定的曲率制造。成形步

骤基本与折弯成形相同，先将钢板的一半通过多次步进冲压压成C形，再将钢板

的另一边也压成C形，然后再将其两边弯成要求的弧度，最终使整块钢板成为开

口的0形。在整个成形过程中，上、下压头与送板机械手的操作均使用计算机操

纵，能够根据不一致的钢级、壁厚、板宽自动调整压下量、压下力与钢板进给量,

同时上下模具有补偿变形功能，能够有效地避免模具变形对成形所造成的不良影

响，保证钢板在压制过程中全长方向的平行度。成形时送进步长均匀，能够保证

钢管的圆度与焊接边的平行度。JCOE成形方式要紧特点是在生产小规模产品