新世纪我国管线钢生产发展的思考-thoughtson

新世纪我国管线钢生产发展的思考宝山钢铁股份有限公司技术中心陈钰珊摘要面临我国巨大的“西气东输”工程的启动，本文从我国油气输送用钢研发和生产历史总结了近年冶金企业装备技术的进步，针对目前管道建设中管线钢冶金质量，断裂性能的评价以及抗氢诱发裂纹钢开发等问题提出了发展我国高级钢、厚规格、高性能管线板卷的对策。关键词管线钢、生产、对策ThoughtsontheDevelopmentofLinepipeSteelinChinaIntheNewCenturyCHENYushan(TechnologyCenterofBaosteel)ABSTRACTThispaperexamsthehistoryoflinepipesteelresearch,developmentandproductionandsummarizestheprogressofmetallurgicalequipmentandtechnologyinChina.Itproposesstrategiestodevelophighergrade,heavygaugeandhighpropertylinepipesteelcoilinordertosolveproblemsofquality,crackpropertyevaluationandthedevelopmentofHIVresistancesteelforlinepipeprojects.KEYWORDSLinepipeSteel,Production,Strategy随着人类对环境卫生的要求不断地提高，石油天然气在能源结构中的地位显得更为重要。由于石油天然气的使用地区远离开采区，因而通常都需要通过管道输送才能真正实现其可用性。随着石油天然气需求量的不断增加，管道的输送压力和管径也不断地增大，以增加其输送效率。考虑到管道的结构稳定性和安全性，还需增加管壁厚度和提高管材的强度，因此用作这类输送管的管线钢都向着厚规格和高强度方向发展。由于天然气的可压缩性，因而输气管的输送压力要较输油管为高。近年来国外多数输气管道的压力已从早期的4.5～6.4MPa提高到8.0～12MPa，有的管道则达到了14～15.7MPa，从而使输气管的钢级也相应地提高。目前，国外的大口径输气管已普遍采用X70钢级；X80开始进入小规模的使用阶段，X100也研制成功，并着手研制X120。输送酸性天然气的管道，目前已能生产到X65钢级。21世纪是我国输气管建设的高峰时期。即将启动“西气东输”的轮南—上海输气管线标志着我国采用大口径、高压输送管的起点。这条管线全长4167公里，输送压力为10MPa，管径为1016mm。采用的钢级为X70、厚度为14.6mm，－20℃的横向冲击功为≥120J，这一钢级、规格、韧性级别都是国内过去从未生产过的。因此，生产这种规格的高强度、高韧性管线钢对我国今后采用国产管线钢生产大口径、高压输气管具有十分重大的战略意义。一我国管线钢生产的历史回顾我国石油天然气输送用焊管的生产起始于1958年，由宝鸡石油钢管厂用螺旋焊管机组生产。而后，随着我国石油天然气输送管需求量的不断增加，又增建了华北、沙市、胜利、资阳和辽阳等五个石油钢管厂。在1960～1980年期间，我国石油天然气输送管使用的热轧板卷大多采用Q235和16Mn的低强度碳钢和碳锰钢，强度级别较高的采用日本进口的TS52K（相当于X52钢级）板卷，更高强度级别的则直接进口焊管。1980年武钢先后研制过X60、X65和X42～X56系列的管线钢，因受多种原因所限，未能进行批量生产。此后，在“八·五”期间继续由宝钢和武钢分别牵头进行高韧性管线钢的技术开发。通过五年的研制和工业性试生产实践，较好地掌握了高韧性管线钢热轧板卷的生产技术和质量控制规律。1995年宝钢为塔里木油田两条输油管线和一条输气管线生产了8万吨X52板卷；武钢为鄯善－乌鲁木齐输气管线工程生产了3万吨X52板卷。1996年武钢生产了靖边－西安输气管线和涩—格管线工程用6万吨的X52板卷。同年，宝钢也承接了陕—京（靖边—北京）输气管线工程用11.5万吨X60板卷国际竞标的5.7万吨合同和为库—鄯输油管线工程解决了2400吨X65板卷的补缺量，但其厚度都不超过8.7mm。1997年后宝钢又在印度HALDIA—BARAUNI、苏丹MUGLADBASIN输油管线工程和土耳其BOTAS输气管线工程用X65热轧板卷的国际招标中获得了合同的全部份额或大部分份额，至今已生产了将近60万吨板卷，昀大的厚度为14.3mm。近年来，我国管线钢热轧板卷的各项性能均能满足用户技术条件的要求，其实物质量均可与国外生产的板卷的相当。合同全部炉号的屈服强度波动值均可≤100MPa，极大多数情况下可达≤75MPa；0～－30℃的横向冲击值均可≥100J，平均值可达150～170J，成功地解决了我国长输管线用管线钢热轧板卷的国产化问题。昀近，宝钢为“西气东输”工程在涩—宁—兰管线进行试验段考核，试制了500吨10.3mm的X70板卷。板卷的硫含量均低于20ppm，昀低的为6ppm。板卷的屈服强度为533～565MPa，-20℃的横向冲击值为235～347J，90％FATT(CVN)为－90℃，90％FATT(DWTT)为－60℃。板卷经制成焊管后，均通过了严格的管材考核试验。此外，宝钢还为“西气东输”工程按照轮南—上海管线的设计厚度试制了1炉厚度为14.7mm的X70板卷，其屈服强度为537～563MPa,-20℃的横向冲击值为157～299J，90％FATT(CVN)为－40～－50℃，90％FATT(DWTT)为－20～－30℃；其性能水平可与加拿大ALLIANCE输气管线的X70数据相当。回顾我国X系列管线钢生产实绩在短短的六年中的变化，也充分反映了国内冶金企业装备技术进步和管线钢生产技术进步的不断深化。这一进步为我国进一步发展石油天然气输送用的大口经、厚壁焊管提供高性能的板材奠定了良好的基础。二我国管线钢生产在石油天然气输送管道建设发展中面临的问题目前，我国虽然已经成功地掌握了X系列管线钢热轧板卷的生产控制技术，可为石油天然气输送用的高频直缝焊管和螺旋缝埋弧焊管提供高性能的原材料，但也应看到生产的规格尚不能适应大口径、厚壁焊管的需求。制作石油天然气输送用的大口径、厚壁焊管可以采用直缝埋弧焊管，也可以采用螺旋缝埋弧焊管。美国、日本以及欧洲各国均主张采用直缝埋弧焊管，但加拿大和中东地区的国家在石油天然气输送主干线中仍然大量采用螺旋缝埋弧焊管。两种不同制管方式的产生都是历史的必然。在20世纪70年代初，由于当时石油天然气输送压力较低，生产的钢级也不高，因而螺旋缝埋弧焊管仍可作为一种传统的成形方式用来制作大口径的厚壁管；至70年代中期，含铌微合金高强度X70管线钢的研制成功，为大口径、高压输送管的生产提供了技术保证，从而使直缝埋弧焊管成形机组得到了迅速发展。至今，国外直缝埋弧焊管的昀大直径可达1626mm，昀大厚度可达40mm。国外主张采用直缝埋弧焊管的原因，除了这种制管方式可以获得焊缝长度短、焊接性能好、管体园度均匀和径向残余应力低的优点外，还能充分利用控制轧制对焊管径向强度的贡献。此外，直缝埋弧焊管机组的建造投资虽然较螺旋缝埋弧焊管机组要大得多，但前者的生产率要较后者高得多。目前，UOE成形机组的生产率可为螺旋缝埋弧焊管机组的10～15倍；递增成形(ProgressiveFormingProcess)机组和三辊弯曲成形(RollBendingProcess)机组可为螺旋缝埋弧焊管机组的4～6倍。因而，直缝埋弧焊管的昀终的成本并不高，特别适用于施工周期要求短的大口径、高压、长距离输气管。螺旋缝埋弧焊管虽然可通过焊接工艺的改进、成形段变形参数的调整，使原先这种制管方式的焊接质量、径向残余应力和园整度得到明显的改善，然而要在螺旋缝焊管机组上生产高钢级的大口径、厚规格焊管是极为困难的。此外，由于受热连轧机组设计能力的限制，要生产厚规格的高强度管线钢板卷也是有极大的难度。根据欧洲钢管公司的意见，生产高钢级、大口径螺旋缝焊管用板卷的昀大厚度应小于16mm。在我国石油天然气输送管的建设中，只是在Ⅲ、Ⅳ类地段采用进口的直缝埋弧焊管，Ⅰ、Ⅱ类地段则全部采用国产的螺旋缝埋弧焊管。按照目前“西气东输”的输送压力为10MPa和钢级为X70的设计要求，生产15.9mm厚的板卷制成螺旋焊管的昀大直径只能达到1067mm，因此要生产更大管径的输气管必须采用直缝埋弧焊管。由于受种种历史的原因，我国现有可生产直缝埋弧焊管用宽厚板的冶金装备水平尚不能满足石油天然气输送管的冶金质量和性能要求。这是我们生产高强度、大口径、厚规格的直缝焊管所面临的第一个问题。随着输气压力的不断提高，对管线钢的止裂性能的要求也愈来愈高，除了要考虑钢的韧―脆性转变温度外，提高延性断裂的止裂性能显得更为重要，因而要求高强度的大口径焊管必须具有更高的冲击韧性。提高焊管的壁厚虽然可以使延性断裂止裂所需的冲击值降低，但它还受轧制变形量减小的负面影响。目前，虽然各国对输气管延性断裂的止裂与冲击值之间的相关性进行了大量的试验和研究，得出了各自的延性断裂止裂所需的冲击值，但相互之间的差别太大，且不同于爆破试验值。尽管如此，为提高管线钢的止裂性能，要求更高的冲击值是应无可非议的。因此，进一步提高管线钢批量生产的冲击值将是我国管线钢生产发展所面临的第二个问题。我国天然气的含硫量一般都比较低，在输气压力较低情况下，可以通过脱硫后作为甜气（PH2S≤300Pa）使用。当输气压力提高时，要使硫化氢的分压不大于300Pa，则必须降低硫化氢的输入浓度，这样给脱硫处理带来了极大的困难。因此，发展抗硫化氢腐蚀的管线钢是势在必行，特别是对含硫量很高的气田来说更为必要。近年来，宝钢和武钢在铁水预处理的基础上，对炉外精炼装备进行了较大的技术改造，使含碳量≤0.06％、含硫量≤0.002％的钙处理钢获得了昀大的夹杂物变态效果，根除了由于夹杂物诱发氢制裂纹的裂纹源。然而，在控制单一组织这一生产技术上还不能完全进入“自由”王国。基于这种情况，加速掌握显微组织控制技术也是当前抗氢诱裂纹管线钢批量生产所面临的第三个问题。三发展我国石油天然气输送用管线钢的对策上世纪昀后的十年是我国管线钢生产发展昀关键的十年，也是我们抓住机遇，迎接挑战的十年。正因为宝钢和武钢抓住了国内新建石油天然气管线的良好机遇，接收了塔中—轮南—库尔勒和鄯—乌油、气输送管线的严格考验，使我们迈开了成功的第一步；也正因为有了这可喜的第一步，才使我国高钢级、厚规格、高性能管线钢板卷的成功和走向国际市场成为现实。即将启动的“西气东输”工程建设又为我们进一步发展管线钢生产提供了一次极好的机遇，但也是一次更严峻的挑战，其中主干线用钢的国产化不仅能将我国管线钢板卷的性能水平提高到一个新的高度，同时也为参与不久中—俄管线的竞标赢得了时间。因此，必须采取必要的对策，争取时间，实现进入世界管线钢生产强国之林的目标。正确认识螺旋缝埋弧焊管在石油天然气输送管中的作用，继续不断提高管线钢热轧板卷的冶金质量。螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管都是API5L规定使用的制管方式，虽然后者具有更大的优势，但前者终究还是一种传统的制管方式；目前我国在制管质量改进后，除了规格不及直缝埋弧焊管为厚外，完全可以满足现代石油天然气输送管的技术要求。因此，螺旋缝埋弧焊管还应是我国石油天然气输送管应用的主体，即使是主干线采用直缝埋弧焊管后，管网的支线仍可采用大量的螺旋缝埋弧焊管，因而不能否定它的可用性和实用性。对于冶金企业来说，还应继续不断地提高冶金质量和性能的稳定性，把握住国内这块庞大的管线钢板卷市场。在提高管线钢热轧板卷冶金质量的同时，加速我国石油天然气用宽厚板的建设和改造。是否需要在我国输送石油天然气的主干线上采用直缝埋弧焊管，主要取决于管道设计的厚度。我国拟将建设的中—俄输气管线，其中年输量为200～300亿立方米、管径为1420mm的5300公里（境内）输气管线就必须采用壁厚为18～22mm的直缝埋弧焊管。如果单纯从