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油气输送钢管的发展动向与展望 李 鹤 林 中国石油天然气集团公司管材研究所 摘 要 简要介绍了油气输送管的发展历程和管线钢的技术进步;在评介管线钢的组织 分类的基础上,论述了针状铁素体型管线钢的性能特点;重点评述了螺旋缝埋弧焊管与直缝埋 弧焊管、 高频电阻焊管ERW与无缝钢管的比较与选择;论述了高压输气钢管断裂控制的意 义、 进展及存在问题;讨论了我国未来油气管线工程对高性能管线钢的需求,包括高强度管线 钢、 低温用管线钢、 具有良好断裂控制性能的管线钢、 抗HIC管线钢、 抗CO2腐蚀管线钢、 抗大 变形管线钢及钢/玻璃纤维复合管等。 关键词 油气输送 钢管 管型 针状铁素体 断裂控制 今后10～15年,全球总能源消耗将比现在 增加60 左右,其中天然气消耗将翻一番[1 ,2]。 天然气需求的增长主要集中在北美、 欧洲和经济 迅速发展的亚洲。从地域上来看,用户主要在工 业发达的城市地区,而油气田则大部分在极地、 冰 原、 荒漠、 海洋等偏远地带。因而作为石油和天然 气的一种经济、 安全、 不间断的长距离输送工具, 油气输送管道在近40年得到了巨大的发展,这种 发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。预计 今后10～15年内,我国共需各类油气输送钢管 1000104t左右不包括城市管网 [1 ,3]。 1 油气输送钢管的历史回顾 管道输送是石油、 天然气最经济、 合理的运输 方式。目前,全世界石油、 天然气管道的总长度已 超过2.30106km ,并以每年2104～3104km 的速度增加。我国从1958年开始建设长距离原 油输送管道新疆 ,1965年开始建设长距离天然 气输送管道四川。 我国已建成的石油天然气输送管线所使用的 螺旋焊管,主要是由原中国石油天然气总公司的 6个焊管厂生产。焊管用的板卷,在20世纪50年 代到70年代主要采用鞍钢等厂家生产的A3、16 Mn钢;70年代后期和80年代则采用从日本进口 的TS 52K钢相当于X52钢 ;90 年代,塔里木三 条油气管线鄯 乌输气管线、 库 鄯输油管线和 陕 京输气管线的X52、X60、X65钢热轧板卷主 要由上海宝钢和武钢生产供应。直缝埋弧焊管过 去一直依赖国外进口。 西气东输工程采用X70钢级,跟上了国外的 发展水平。X70钢级螺旋缝焊管全面实现了国产 化,直缝埋弧焊管前期仍依赖进口,后期采用了河 北青县巨龙钢管公司的JCOE焊管。 1.1 油气输送管的发展历程 我们的祖先在公元前600年即开始用竹筒输 送天然气。后来,英国人用木管和铅管输送天然 气,其安全性极差。输送油、 气的大口径钢管,是 20世纪初首先在美国发展起来。1926年,美国石 油学会发布的API 5L标准只包括三个碳素钢级。 1947年发布的API 5LX增加了X42、X46、X52三 个钢级。1964年的API 5LS将螺旋焊管标准化。 1967～1970年期间API 5LX和5LS增加了X56、 X60、X65三个钢级,1973年增加了X70钢级。 1987年6月,API 5LX和5LS合并于第36版SPEC 5L中。第36版到现在的第43版包括A25、A、B、 X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80共11个钢 级。X100已开发成功,但尚未列入API标准。目 前,全世界油气输送管的用量中,X65和X70钢之 和占85 以上。 油气输送管的几个里程碑[4]1806年英国伦 敦安装了第一条铅制管道;1843年铸铁管开始用 1焊管 第27卷第6期2004年11月 于天然气管道;1925年美国建成第一条焊接钢管 天然气管道;1967年第一条高压、 高钢级X65跨 国天然气管道伊朗至阿塞拜疆建成;1970年在 北美开始将X70管线钢用于天然气管道;1994年 德国开始在天然气管道上使用X80钢级[5];1995 年加拿大开始使用X80钢级[6];2000年开始开发 玻璃纤维-钢复合管用于高压天然气管道;2002 年TCPL在加拿大建成了一条管径1219 mm、 壁厚 14.3 mm、X100钢级的1 km试验段。同年,新版 的CSZ24512002中首次将Grade690X100列 入加拿大国家标准[2];2004年2月,Exxon Mobil石 油公司采用与日本新月铁合作研制的X120钢级 焊管在加拿大建成一条管径914 mm、 壁厚16 mm、 1.6 km长的试验段。 油气输送管道输送压力和钢级随年代的发展 变化如图1[6]和图2[7]所示。全球已建立的X80 管线如表1[2]所示。 1.2 管线钢的技术进步 管线钢是近30年来在低合金高强度钢基础 上发展起来的。为了全面满足油气输送管线对钢 的要求,在成分设计和冶炼、 加工成型工艺上采取 了许多措施,从而自成体系。管线钢已成为低合 金高强度钢和微合金钢领域最富有活力、 最具研 究成果的一个重要分支。在成分设计上,大体上 都是低碳超低碳Mn - Nb - Ti系或Mn - Nb - V Ti系,有的还加入Mo、Ni、Cu等元素。表2[8]是 X80和X100管线钢代表性的化学成分和力学性 能。 图1 输送压力随年代的发展变化 图2 管线钢钢级随年代的发展变化 表1 全球已建立的X80管道项目 序号建设年代国家工程名称长度/ km钢管厂直径/ mm壁厚/ mm 11985德国MegalⅡ3.2曼内斯曼111813.6 21986斯洛伐克第四输气管道1.5曼内斯曼142215.6 31990加拿大Nova Express East26NKK106710.6 41992 51993 德国 Ruhr Gas/ Schluech Lauter115.5 Ruhr Gas/ Werne Wetter144 欧洲钢管121918.3/ 19.4 61994 71995 8 9 1997 加拿大 Nova Matzhivian54 East Alberta System33 Central Alberta Sytem91 East Alberta System27 IPSCO121912.0 102001 112002 英国 Cambridge M. G47.1 H. S. Wilbughby42 欧洲钢管 121914.3/ 20.6 121915.1/ 21.8 合 计560.9 2焊 管 2004年11月 表2 X80和X100管线钢的化学成分和力学性能 钢级 厚度/ mm 化学成分/ wCwSiwMnwNbwMowTi其它CeqPcm σS/ MPa σb/ MPa δ/ 夏比冲击功 母材热影响区 DWTT 85 温度/ ℃ VE/J 温度/ ℃ VE/J SATT/ ℃ A X8016.90.040.251.760.030.140.01Cu、Ni0.39 0.18559476578- 45133- 4592- 45 X10017.50.060.251.800.040.190.02Cu、Ni、V 0.440.2070687081- 20179- 20154- 25 B X8015.00.060.251.610.050.170.02Ni0.380.1658864691- 20252- 20147- 35 X10019.10.060.221.960.050.110.01Cu、Ni0.450.1971084884- 20133- 10130- 15 C X8019.00.060.161.850.040.200.01Ni0.430.1858465689- 20263- 20169- 72 X10019.10.070.091.810.040.200.01Cu、Ni0.500.2073081090- 10162- 20 D X8019.10.050.111.800.050.01Cu、Ni、V 0.390.1859070184- 30319- 30249- 50 X10020.00.060.301.780.060.370.02Ni0.470.1971888781- 40186- 20175- 30 E X8013.60.070.421.910.050.030.020.410.19 X10019.10.070.251.930.050.280.02Cu、Ni0.480.2173979293- 20235- 20135- 15 历史上发生的许多次油气输送管道恶性事 故,促使人们对管道安全可靠性进行研究,并对管 线钢和钢管从技术上提出了相应的要求,促进了 管线钢的不断发展。表3[9]为几起典型事件及改 进措施。图3[10]为管线钢技术要求随时间的变 化。 表3 管线钢发展过程中的几起典型事故及措施 时间事 件措 施 1943年碳钢韧脆转变现象的发现船板规范CVN 15 ft - lb 1954年认识到韧脆转变现象与管线管有关TUV提出管线钢管3.5 kgm/ cm2冲击功要求 1960年美国发生13 km的脆性裂纹长程扩展事故BMI提出了DWTT试验要求 1968年至 1969年 发现管线存在延性裂纹的长程扩展现象 发展了几种止裂预测模型,规定了最小冲击韧性 值 1970年提出建设阿拉斯加到加拿大的天然气管线 X80管线钢管的开发一度成为热点,提出- 69℃ 低温韧性要求 1972年在阿拉伯的一条X65管线发生HIC失效提出BP试验NACE TM02 84 1974年 实物爆破试验发现已有模型不能准确预测止裂性能 富气、 断口分离、 高应力水平及模型本身的缺陷 开发止裂环,修正止裂预测模型,改进高强度管线 钢的轧制工艺 1978年在澳大利亚及加拿大的管线上发现应力腐蚀开裂冶金质量提高,改进外防腐 图3 管线钢技术要求随年代的变化 3 第27卷第6期 李鹤林油气输送钢管的发展动向与展望 现代冶金技术可以使钢有很高的纯净度、 均 匀性和超细化的晶粒。高纯净钢冶炼技术包括铁 水处理脱硫、 脱磷、 转炉冶炼降碳、 脱磷,炉外精炼 如RH和KIP等脱气脱硫等。高均匀性的连铸 技术包括连铸过程的电磁搅拌、 连铸板坯轻压下 技术等;此外,控制轧制、 强制加速冷却使钢获得 优良的显微组织和超细晶粒。钢的各种强化手段 中,晶粒细化是唯一能够既提高强度又提高韧性 的强化手段。控轧控冷TMCP可以使微合金化 管道钢的铁素体晶粒细化到5μ,而对TMCP工艺 进行改进,实施形变诱导铁素体相变DIFT ,可以 进一步使铁素体晶粒细化到1～2 μ。 受埋弧焊接热量输入的影响,埋弧焊管热影 响区的韧性较低。降低钢中硅、 钒含量可以减少 热影响区M - A相,从而提高其韧性。对于高强 度管线钢,降低碳含量也是有效的。管线钢经 TiO处理或称TiO钢 , 弥散分布的TiO质点可以 更有效地改善焊接热影响区韧性。在此基础上开 发的含镁TiO钢,其细化热影响区晶粒的效果尤 为显著。 在1995年微合金化国际会议上,T. Tanka提 出了全TMCPTOTAL TMCP的概念。其要点为 ① 纯净钢冶炼;②夹杂物形态控制;③HAZ显微 组织控制;④ 降低板坯中心偏析;⑤ 板坯加热温度 控制;⑥ 控制轧制;⑦ 织构控制;⑧ 加速冷却。 近年来,JFE钢铁公司研究开发了超级TMCP 工艺,其实质为传统的TMCP 在线热处理,如图 4所示。在线热处理回火可以使纳米级的 Nb 、 V、TiC沉淀析出。与传统TMCP相比,新工艺生 产的同钢级管线钢板材化学成分总量显著降低, 即Ceq和Pcm降低,对改善焊接性能是有利的,也 降低了HIC敏感性。另外,不同厚度的板材可以 采用相同的化学成分。 图4 超级TMCP工艺示意图 2 管线钢的组织与性能 2.1 管线钢的组织类型[3 ,11] 目前,商用管线钢按组织状态分类,主要有铁 素体珠光体包括少珠光体型和贝氏体含针 状铁素体型两类。X100和X120管线钢的组织, 各厂商的差别较大,一般为超低碳贝氏体马氏 体型,新日铁提供的Exxon Mobil X120钢级试验段 的UOE焊管则为下贝氏体组织。 铁素体-珠光体钢的基本成分是C - Mn系, 这是20世纪60年代以前管道钢的基本组织形 态,一般采用热轧和正火处理。当要求较高强度 时,加入微量Nb、V。 C- Mn系铁素体珠光体钢的抗拉强度、 屈 服强度、 冷脆转化温度与成分和组织的关系如 下[12] UST 295 27.5 Mn 82.6 Si 3.9 珠光体 7.8d - 1/ 2 N/ mm2; YS 104 32.6 Mn 84 Si 7.8d - 1/ 2 N/ mm2; ITT 63 44 Si 2.2 珠光体 258 Al - 11.6d - 1/ 2 ℃。 由上式可见,珠光体可以提高抗拉强度,但对 屈服强度没有贡献;珠光体对C - Mn钢的韧性有 损害, 10 的珠光体可以提高韧脆转变温度 22℃。为了提高韧性必须降低C含量,即降低珠 4焊 管 2004年11月 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 光体含量。C含量的降低也提高了焊接性。这是 少珠光体钢产生的背景。 少珠光体管线钢的典型化学成分为Mn - Nb、Mn - V、Mn - Nb - V等,代表性钢级为60年 代末的X56、X60和X65钢。在工艺上突破了热 轧-正火工艺,进入微合金化钢控轧工艺的生产 阶段,综合运用了晶粒细化、 固溶强化、 沉淀强化 等手段。近年来,X65、X70钢少珠光体钢除成分 设计进一步优化外,普遍采用了TMCP工艺。 为进一步提高管线钢的强韧性,1985年以后 研究开发了针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢,也 有人称为第二代管线钢。 所谓针状铁素体管线钢,并不是必须100 的针状铁素体,而是针状铁素体、 粒状贝氏体和少 量块状铁素体的混合组织,对于这种类型管线钢 的组织目前尚无统一的术语。鉴于针状铁素体 又称板条贝氏体铁素体和粒状贝氏体都属于贝 氏体范畴,因此,也有人把针状铁素体钢称为贝氏 体钢。图5是X80管线钢板条贝氏体铁素体TEM 形貌。 图5 X80管线钢铁素体板条TEM形貌 G. Krauss和Thompson等人提出了对铁素体 形态的分类,他们发现低碳微合金钢中的铁素体 形态有五类[13]① 等轴多边形铁素体PF ,具有等 轴形貌,晶内位错密度低,无亚结构;② 魏氏组织 铁素体WF ,含碳量较低时,这类铁素体出现的几 率较小;③块状铁素体MF或准多边形铁素体 QF ,它是通过块状转变Massive tranation形 成,因此,晶粒边界极不规则,内部位错密度较高, 晶内有亚结构;④ 粒状贝氏体G BF/ GF ,其特征为 等轴或条状铁素体基体上分布有等轴状M/ A小 岛;⑤ 针状铁素体AF ,又称为板条贝氏体铁素体, 在组织中成簇出现,构成板条束,每个板条束由若 干个平行板条组成,板条间为小角度晶界,板条束 间为大角度晶界,铁素体基体上有很高的位错密 度。 上述5种铁素体的形成温度顺序降低,实际 材料中各类组织的相对量随冷却速度而改变。试 验材料CCT曲线见图6。由图6可见,在较慢的 冷却速度下得到等轴多边形铁素体PF ,随着冷却 速度的加快,PF逐渐被MF、GF及AF所取代,材 料的硬度值随之提高。 图6 试验材料CCT曲线 近年来,一些钢铁公司在开发高钢级针状铁 素体管线钢时,都从成分设计、 冶炼、 轧制和冷却 等方面采取综合措施,以期获得较多的AF组织。 超低碳贝氏体钢一般采用Mn - Nb - Mo - B - Ti 系,控轧控冷。 2.2 针状铁素体型管道钢的性能特点[3 ,11] 1优良的强韧性 针状铁素体钢通过微合金化和控轧控冷,综 合利用钢的固溶强化、 晶粒细化、 微合金化元素的 析出,强化与亚结构的强化效应,可使钢的屈服强 度达700～800 MPa , - 10℃ 时的CVN达400 J以 上。针状铁素体管线钢具有优良的强韧特性的原 因之一,是由于针状铁素体形成过程中的过饱和 固溶和细小亚结构。控制针状铁素体强韧性的 “有效晶粒” 是针状铁素体板条束。针状铁素体对 强韧性的贡献还归结于它的多位相析出形态和细 小的有效晶粒尺寸。 2较高的形变强化能力和小的包申格 Bauschinger效应 形变强化决定于材料的应力-应变曲线。是 否存在屈服平台和屈服伸长的程度对管线钢的形 5 第27卷第6期 李鹤林油气输送钢管的发展动向与展望 变强化有重要影响。针状铁素体钢与铁素体珠 光体钢相比,具有明显不同的应力-应变特征,见 图7。由于针状铁素体管线钢具有连续屈服行 为,因而有较高的形变强化能力,从而可补偿和抵 消因包申格效应所引起的强度损失。针状铁素体 管线钢的强度不会因制管时受拉、 压反复应变而 降低见图8 ,针状铁素体管线钢具有这种优良 特性的原因,被归结于针状铁素体中的亚结构。 由于针状铁素体中存在高密度的可移动位错而易 于实现多滑移,因而针状铁素体具有连续的屈服 行为和较高的形变强化能力。 3良好的焊接性和耐腐蚀性能 与铁素体-珠光体钢相比,针状铁素体钢由 于采用控轧后的加速冷却工艺,在强度相同的情 况下可采用较低的碳含量和碳当量,冷裂纹敏感 系数低,焊接性能好。同时,由于加速冷却工艺的 采用及低碳、 超低碳的成分设计,可消除钢中的带 状珠光体,减小偏析,改善钢的各向异性和抗HIC 性能。根据上述性能特点,西气东输工程采用了 X70钢级针状铁素体型管线钢。 图7 不同组织状态钢的应力-应变曲线 图8 铁素体-珠光体与针状铁素体管线钢经过螺旋焊 管制管过程后屈服强度变化的比较 3 油气输送钢管的管型选择 3.1 油气输送钢管的主要类型 API SPEC 5L规定油气输送管按生产工艺不 同分为无缝钢管、 电阻焊钢管、 埋弧焊钢管等8 种。但主要使用的有无缝钢管Seamless、 直缝 高频电阻焊管简写为ERW 、 直缝埋弧焊管简 写为LSAW、 螺旋缝埋弧焊管简写为SSAW等4 种。 其中LSAW按成型方式的不同分为UOE、 JCOE、RBE、CFE、PFE等10余种。 UOE制管工艺是1951年由美国国家钢铁公 司U. S. Steel首先使用的。1968～1976年得到较 大发展。现代UOE机组 “O” 型压力机的能力达到 5104～6104t ,可生产外径1420 mm、 壁厚达40 mm的钢管。这种工艺投资高、 产量大,适合单一 规格大批量生产,在小批量、 多规格的场合灵活性 较差。为此,1976年以后发展了许多不采用UO 成型的直缝埋弧焊管制造工艺。近年来比较注目 的是德国开发的PFP成型法,又称 “渐进式JCO成 型技术” 。这种工艺比较灵活,能够兼顾大批量与 小批量、 大管径与小管径,适合中等规模企业。巨 龙钢管公司采用这种工艺为西气东输工程提供了 14. 5104t直缝埋弧焊管。实践证明,UOE和 6焊 管 2004年11月 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 JCOE焊管的质量和安全可靠性是等同的。 3. 2 螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管的比较与 选择 由于无缝钢管和ERW钢管尺寸的限制,主干 线一般管径较大主要采用LSAW焊管以UOE 为主和SSAW焊管。而对于LSAW焊管和SSAW 焊管的选用,国外一直有截然不同的意见。 美国、 日本总体上是否定SSAW焊管的,认为 主干线不宜使用SSAW焊管。美国本土近20年 建造的油气输送主干线,几乎100 为UOE。俄 罗斯总体上是肯定SSAW焊管的。德国、 意大利 有两派不同的意见。在加拿大, SSAW焊管与 LSAW焊管完全处于同等位置,但主干线实际使 用量中,SSAW焊管占70 左右。 我们经过系统调查和分析认为,SSAW焊管 和LSAW焊管都采用双面埋弧焊,焊接接头质量 应该可以达到同样水平。SSAW焊管和LSAW焊 管的主要区别是焊缝的长度和走向SSAW焊管 的焊缝较LSAW焊管长,焊缝缺陷的几率较高,这 是SSAW焊管的劣势;SSAW焊管焊缝与管道主应 力方向有一定角度,使焊缝缺陷当量长度缩短对 单个缺陷而言,危险性减小 , 这是SSAW焊管的 优势;上述劣势与优势大体上可以抵消。SSAW 焊管的焊缝走向及母材的特殊方向性,对止裂是 有利的。 1998年,石油管材研究所和石油规划设计总 院共同对国产SSAW焊管和进口UOE焊管进行 了系统的对比试验,结论是① 国产SSAW焊管母 材、 焊缝、 热影响区的强度、 韧性包括低温韧性、 FATT、DWTT和疲劳性能包括σ- 1、da/ dN、ΔKth 和Nf达到了进口UOE焊管水平;②国产SSAW 焊管的残余拉应力总体上比进口UOE焊管高,表 面质量与尺寸精度较UOE焊管差;③ 经过严格质 量控制的国产SSAW焊管可以用于油气输送主干 线。建议一、 二类地区采用SSAW焊管,三、 四类 地区采用LSAW焊管;④ 国产SSAW焊管若能采 用预精焊及机械扩径工艺,其质量水平和安全可 靠性可以全面达到进口UOE焊管水平。 2000年以来,为了迎战西气东输工程,宝鸡、 青县等6个石油钢管厂对各自的SSAW焊管生产 线进行了大规模技术改造,包括创立了低残余应 力成型法,研制成功了螺旋焊管管端扩径装置。 新生产线生产的螺旋埋弧焊管的残余应力状况优 于经过机械扩径的UOE焊管,可在螺旋焊管内表 面形成有利的残余压应力;经管端扩径的螺旋焊 管管端尺寸精度外径公差、 园度等与进口UOE 焊管相当。经对西气东输工程使用的160104t 焊管质量检验数据统计分析,管体和焊缝、 热影响 区的力学性能指标包括低温韧性 , 国产螺旋焊 管与进口UOE焊管处于同一水平,而全尺寸水压 爆破试验的爆破应力,国产螺旋焊管略优于进口 UOE焊管。这说明,国产螺旋焊管的安全可靠性 不亚于进口UOE焊管。 就世界范围来讲,由于过去大多数螺旋焊管 厂的生产技术比较落后,影响了螺旋焊管的声誉。 从20世纪90年代以来,部分螺旋焊管厂不断改 进制管技术,产品质量有了很大提高。欧洲一些 油气公司开始改变高压油气输送管道以往只使用 UOE直缝埋弧焊管的做法,有选择地将一些技术 先进、 质量信誉好的厂家生产的螺旋焊管用于高 压油气输送管道。德国、 法国、 芬兰、 西班牙和土 耳其等国家相继出现了能够生产高质量螺旋埋弧 焊管的公司,并已向一些重要的高压油气输送管 线提供大量的螺旋埋弧焊管。这些管线中,包括 著名的土耳其 “蓝流”BLUE STREAM管线,钢级 X65 ;苏丹的穆格莱德管线和富拉管线,钢级X65。 加拿大始终坚持螺旋埋弧焊管用于高压油气输 送。加拿大境内的油气输送管线,70 的钢管是 螺旋埋弧焊管,其中包括全长3 000 km的联盟 ALLIANCE管线 X70 钢级和Trans Canada管道 公司总长超过400 km的几条X80钢级高压输气 管线。比利时等国还将螺旋埋弧焊管用于制造感 应加热弯管。近期,美国一些油气公司的观念也 有改变。美国正采用螺旋埋弧焊管建设一条608 km长的高压输气管线,钢级X80 ,管径36 in ,壁厚 11.79～16.94 mm。 3.3 高频电阻焊管ERW与无缝钢管的比较 截面较小的输送管道如支线和城市管网用 管 , 国外一般首选ERW焊管。 近年来,超纯净钢的出现和控轧控冷工艺的 完善为ERW焊管的发展提供了原材料方面更大 的支持,加上整体热处理、 热张力减径等原用于无 缝管轧制的技术引用于ERW焊管生产,其产品向 高等级、 多元化方向发展,其性能已等同或超过无 7 第27卷第6期 李鹤林油气输送钢管的发展动向与展望 缝管,而价格比无缝钢管便宜。 ERW焊管尺寸精度高,并且在强度与无缝钢 管相同时,塑性、 韧性更优良。 4 油气输送钢管的断裂控制 4.1 油气输送钢管断裂控制的意义 20世纪60年代以前,由于当时冶金水平的 局限,管材韧性较低,韧脆转化温度较高,经常发 生管道脆性断裂事故。70年代以后,随着冶金技 术的进步和输送压力的提高,脆性断裂事故基本 消除,经常发生的是延性断裂事故。 对于输送液体的管道,如原油和成品油管道, 可根据 “不启裂准则” 确定夏比冲击值。而输气管 道,对于母材应以” 止裂” 准则确定所需的夏比冲 击值,而对于焊缝可以按 “不启裂准则” 来确定所 需CVN。延性断裂的长程扩展和止裂是输气钢 管最突出的问题,一直是研究的热点[14～17]。 对输气管道,由于气体减压速度vd较低,不 易止裂。而输气管道的失效往往导致灾难性后 果。 裂纹扩展越长,后果越严重。迄今,全世界最 长的输气管裂纹长度为13 km ,损失最严重的是 1989年前苏联乌拉尔山发生的一次输气管爆裂 事故,造成1024人伤亡。美国1993年、1994年在 华盛顿和新泽西洲发生的两起输气管爆裂事故, 损失也很严重。 止裂的速度判据为当管道开裂速度vm≥vd 时不能止裂,而当vm 1. 25 ,如图9和图10所 示;③ 输送介质为富气C2～C5含量高。 图9 控轧钢的上升平台行为 图10 DWTT断口上的分离 钢管材料断口分离比较严重CVP/ CV 100≥ 1.25 ,而又因故不能进行全尺寸实物爆破试验 时,可采用比较保守的处理办法,将Battelle半经 验公式预测的CVN乘以CVP/ CV 100。 CVN 3 CVNBMICVP/ CV 100 CVNBMI 94 J 时 式中 CVN 3 止裂所需CVN的下限值。 在确定西气东输钢管CVN下限值时,由于时 间的限制,无法进行实物爆破试验,采用上述方法 计算并圆整后确定钢管母材CVN≥190 J。 为了从根本上解决止裂韧性预测的准确性, 美国天然气协会AG A委托美国西南研究院和意 大利CSM进行更深层次的研究。Kanninen等人 考虑了裂纹扩展过程中气体逸出与管壁扩张之间 的相互作用,提出输气管道纵向裂纹扩展问题的 计算模型,进而将三维流体动力学有限差分算法 同壳体有限元算法组合起来,发展了模拟该问题 的计算程序PFRAC ,并用裂纹尖端张开角CTOA Crack Tip Opening Angle作为对管道动态延性裂 纹扩展和止裂的定量评价指标。其判据为 CTOAmax 0. 021 MPa的前提下,根据PCO2、PH2S、Cl - 含量的不同, 可分别选用Cr13马氏体不锈钢、Cr22双相不锈 钢、Cr25超级双相不锈钢、 含wNi 35 的高Cr - Ni不锈钢,直至Ni基合金。与普通管线钢材料 相比,不锈钢材料的价格较为昂贵,为降低成本, 尽量采用上述不锈钢衬里的复合钢管。 我国含CO2气田很多,但抗CO2腐蚀的管线 钢的研究开发比较薄弱。应注意抗CO2腐蚀管线 钢的正确选择和合理使用,并注意研究价格较低 的经济型抗CO2腐蚀管线管。 5.6 抗大变形管线钢和钢管 通过地震多发区和地质灾害区的油气输送管 线,要求钢管有抗大变形的能力。国外已研制成 功了具有抗大变形能力的管线钢。 抗大变形管线钢有较高的形变强化指数 n 、 较大的均匀塑性变形延伸率δb、 较低的屈 强比σy/σb、 无屈服平台。我国属多地震国家, 地质灾害如滑坡、 泥石流等也较严重,很需要开 发这类管线钢。 5.7 钢/玻璃纤维复合管 随着管道输送压力的不断提高,对管线钢止 裂韧性的要求越来越高,已超越现代冶金技术的 极限。为了解决这一问题,国外已研究开发了复 合材料增强管CRLP ,即钢/玻璃纤维复合管。 它既利用了钢的强度,又发挥了玻璃纤维在止裂 方面的优势。钢/玻璃纤维复合管可降低管道工 程的材料成本、 安装费用及焊接成本等,还可取代 传统的涂层,目前国内这一方面的研究尚属空白。 进行该产品研究开发,可在保证管道安全可靠性 的同时,提高管道工程的经济性。 参考文献 1 李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点 问题.中国机械工程,2001 ,1213 349～352 2 黄开文.国外高钢级管线钢的研究与使用情况.焊 管,2003 ,263 1～10 3 李鹤林,冯耀荣.关于西气东输管线和钢管的若干问 题,石油专用管,2002 ,101 1～9 4 Mohipour M. High pressure pipelines2trends for the new millennium. 2000 International Pipeline Conference Pro2 ceedings ,Calgery ,Canada ,Otc.2000 5 Chaudhari V. German gas pipeline first to use new genera2 tion linepipe.Oil 出版专著5本,在 国内外发表论文160余篇。联系地址陕西省西 安市电子二路32号 中国石油天然气集团公司 管材研究所 邮编710065 收稿日期2004 - 06 - 03 修改稿收稿日期2004 - 09 - 30 编辑 郑一维 11 第27卷第6期 李鹤林油气输送钢管的发展动向与展望 ABSTRACTS WELDED PIPE AND TUBE Vol.27 No.6 Nov. 2004 Developing Pulse and Prospect of Oil and G as Transmission Pipe Li Helin1 Abstract It briefly introduces the developing course of oil and gas transmission pipe and technical progress of pipeline steel. It discusses the perance characteristic of pipeline steel with Acicular Ferrite on the basis of appraising structure labe