石油天然气管材发展趋势

石油天然气工业用管材发展现状毕宗岳中国石油宝鸡钢管研究院国家石油天然气管材工程技术研究中心2013.8.201内容提要1国内外油气管材发展趋势243油气管材焊接问题油气管材类型及应用情况452一、石油天然气管材类型及应用情况31）油气输送管按用途分：低压流体输送管，高压油气输送管，固体粉末输送管，海洋输送管、抗腐蚀管、抗大变形管等。按材料分：碳钢管，不锈钢管、镍基合金管、钛合金管、玻璃钢管，塑料橡胶管，复合管等。按制造工艺分：SSAW焊管，LSAW焊管，ERW焊管，热轧无缝管、冷拔无缝管、铸管等。一、油气管材类型及应用情况4据统计，美国采用管道输送物流占总运输量的16%左右，而我国约3～4%。目前，全球油气管道总长已超过260万KM，我国干线管线不到10万KM，而俄罗斯21万KM。全球高钢级大口径油气输送管的产能约为2900万吨，我国为600万吨，约占20％。60%15%15%10%输气管道原油管道成品油管道其它世界油气管道分布情况一、油气管材类型及应用情况55国家重大能源工程西气东输二线，总长度超过9102公里。首次设计采用X80钢管（屈服552MPa），工作压力12MPa，年输送能力300亿立方米，用管量达360多万吨。一、油气管材类型及应用情况62）油井管按用途分：套管、油管、钻杆、连续管、可膨胀管等。按产品结构分：无缝油井管，焊接油井管。一、油气管材类型及应用情况7西南油田龙岗002-1井管柱安装情况Ø339.7表层套管108米Ø244.5表层套管1148米Ø177.8油层套管3399米Ø127油层套管4004米Ø73油管3450米一、油气管材类型及应用情况在油田设备资产中，管材的价值约占60%，因此油井管在石油工业中占有重要的位置。801002003004005006007002001200220032004200520062007200820092010201110410912917223524436566039643251898129128169202270230283248290345油井管表现消费量/万t油井管产量/万t近十年国内油井管历年生产及消费情况一、油气管材类型及应用情况9在美国，ERW油井管约占油井管总量的40～55%。而我国只占5%左右。目前，全世界每年油井管消耗总量约1200万吨，而我国油井管生产能力已达850万吨，实际产量为349.4万吨。石油管材是一个具有很大发展前景的行业。一、油气管材类型及应用情况103）石油管材的服役环境油井管(1)深井、超深井3000-7000米（2）高压、超高压30-70MPa(3)承受复合载荷:拉、压、扭、弯、磨等（4）腐蚀介质：H2S、CO2、H2O、CL-等输送管（1）高压、大流量输送10-18MPa（2）低温寒冷地区-40℃（3）地震、滑坡地区（4）人口密集区（5）海洋服役洋流、波浪、悬跨、外压、疲劳、腐蚀一、油气管材类型及应用情况11石油管材恶劣的服役环境，造成事故频发。据国际钻井承包商协会（IADC）统计，每起钻柱断裂事故平均直接损失为10.6万美元，我国每年仅钻柱断裂掉井事故即达1000起左右。钻柱或套管柱损坏有时会导致油井报废。我国西部油田一口油井的成本约几千万元甚至上亿元人民币。油气管道的爆炸、破裂更会带来重大的生命财产损失。一、油气管材类型及应用情况12复杂的井下服役环境下油套管产生不同的失效泄漏滑脱断裂挤溃腐蚀1313油气输送管爆裂14油气管爆破15地下输油管线腐蚀破裂，大量原油泄漏情况16海底油气输送管道的海洋环境17管道由于噘嘴在内焊趾造成的SSCC裂纹裂纹在内焊趾根部起裂1839.916.913.310.88.62.92.35.30510152025303540所占比例(%)事故原因前苏联管道事故原因分析19为满足石油管材严酷的服役条件，世界各大钢管公司、钢铁企业不断加大对油气管材研究开发力度，如1997年日本出台的举世瞩目的“超级钢”研究工程（STX-21）。近年来，国家科技部高度重视油气管材研究开发工作，在宝鸡钢管组建了《国家油气管材工程技术研究中心》，在高性油气管材研究开发方面，宝鸡钢管研究院负责承担了1项国家科技支撑计划项目，3项国家“863”项目，并参与了2项“863”项目，1项国家重大科技专项。一、油气管材类型及应用情况20二、石油管材发展趋势211、国际管线钢发展趋势50年代前，普通碳素钢：屈服强度分别为173MPa-235MPa50-60年代，通过控轧或正火，实现普通低合金钢：X42-X5270年代，通过控轧控冷，实现微合金高强度钢：X56-X6580年代，Mn-Mo-Nb-Ti微合金化和控轧控冷，针状铁素体钢X70/X8090年代，超高强度的低碳贝氏体钢：X100/X120二、油气管材发展趋势管线钢研究应用进展国内外对比研究开发应用国际国内22油气管线钢强韧性二、油气管材发展趋势2323国外天然气高压输送和采用高钢级钢管的趋势强劲。0.256.21014160246810121416Mpa18701950-19601970-198019982009年代2002年：在加拿大建成了一条管径1219mm，壁厚14.3mm、X100钢级的1km试验段。同年，将X100列入加拿大国家标准。2004年:在加拿大北Alberta建成一条管径914mm,壁厚16mm,长1.6km的X120钢级示范管线。二、油气管材发展趋势242、我国油气输送钢管的发展从50年代到70年代管线钢主要采用A3、16Mn；“八五”期间，由宝鸡钢管牵头，联合武钢、宝钢等联合开发了国产化的X52-X65API系列管线钢管，工作压力7MPa以下；“十五”期间，宝鸡钢管、武钢、宝钢等联合开发了高性能X70管线钢管，并大规模应用于西气东输一线，工作压力达10MPa；“十一五”期间，宝鸡钢管、青县、武钢、首钢、太钢、马钢等共同开发了X80管线钢管，并大规模应用于西气东输二线，工作压力达12MPa；目前，正在开发超高强度的X90/X100管线钢管。24二、油气管材发展趋势25抓吉霍尔果斯瑞丽吐鲁番红柳中卫韶关永清轮南大连LNG唐山LNG江苏LNG深圳LNG南部贵阳南宁泰安中卫-贵阳西二线东段中缅管道涩宁兰管道平顶山樟树湘潭龙岩上海格尔木兰州沈阳拉萨银川敦煌沈阳-哈尔滨大庆大连-沈阳喀纳斯达坂西二线西段揭阳忠武线陕京四线陕京一二线图例已建、在建管线“十二五”新建管线在建LNG接收站“十二五”新建LNG接收站西四线喀纳斯达坂-靖边厦门温州金华福州吉安台北东莞秦皇岛-沈阳陕京三线西三线霍尔果斯-福州台州连云港山东管网南昌“十二五”天然气管网布局图（干线及支干线）唐山LNG外输管道江苏LNG外输管道深圳LNG外输管道哈尔滨长春西一线靖边榆林西五线伊宁-木垒段26今后一段时期，我国超高强度油气输送管材的市场巨大。X80总计十二五规划4001192十三五规划792二、油气管材发展趋势273.管线钢的技术进步年代强韧化措施晶粒尺寸钢级1950～1960普通轧制20X42～X461952～1970普通轧制＋正火15X52～X601955～1970控制轧制10X52～X651970～1996微合金化＋TMCP（控制轧制＋控制冷却）5X60～X801996～微合金化＋全TMCP5X65～X120二、油气管材发展趋势28一是超洁净冶炼技术——S、P、O等杂质元素及夹杂物数量、性质、形貌等对材料的影响超低S、P、O冶炼技术和夹杂物物处理技术（S≤10ppm,P≤100ppm,O≤20ppm,Ca/S精确控制）二、油气管材发展趋势2929二是采用先进的TMCP工艺二、油气管材发展趋势30管线钢TMCP要求：①HAZ显微组织控制（TiO处理）；②降低板坯中心偏析（连铸过程电磁搅拌及轻压下技术）；③板坯加热温度控制；④控制轧制；⑤织构控制（消除断口分离）；⑥加速冷却，超快冷。二、油气管材发展趋势3131三是采用以细晶强化为主的多种强化手段二、油气管材发展趋势32组织设计——尽可能避免多边形铁素体和准多边形铁素体出现，降低MA数量，细化MA尺寸。X70fine-grain(5m)ferritereducedpearliteX80mixedferrite/granularbainiteMAislandsX100fullygranularbainiteMAislandsX120lowerbainitecementite二、油气管材发展趋势33X80管线钢属于Nb、Ti微合金化+TMCP，金相组织以AF为主，AF是GB、BF及其复合组织；GB在SEM下组织形态。黑色背景为GB基体，亮白色为GB晶界和M-A岛状组织。34X80在TEM下，GB的典型组织形态。以板条状GB成束分布，板条之间为块状或条状的M-A组元。板条间块状或条状的M-A。高密度位错35X100/X120第三代微合金管线钢的主要组织形态；全粒状贝氏体；下贝氏体+板条马氏体。LBM36最近宝鸡钢管研发的X100焊管最主要性能取样部位及方向屈服强度抗拉强度伸长率屈强比σt0.5（MPa）σb（MPa）δ（%）σt0.5/σb管母横向780795705/760850845825/84035.634.233.5/34.40.90纵向775815760/783870865865/86733.035.833.5/34.10.90焊缝横向/810800780790/795//标准要求690-840760-990≥13%≤0.96二、油气管材发展趋势37夏比冲击050100150200250300-60-40-20-10020试验温度℃冲击功J横向纵向热影响区020406080100120-60-40-20-10020试验温度℃剪切面积％管母横向管母纵向热影响区二、油气管材发展趋势3838试制X100φ1219×15.3mm螺旋埋弧焊管性能外焊内焊趾HAZ二、油气管材发展趋势394、高性能输送管材需要研究解决的关键技术1）材料的高强、高韧匹配技术输气管道特殊的止裂性能，要求管材高强度必须匹配高韧性。高强度、高韧性是本课题研究的关键技术之一二、油气管材发展趋势(PvsVg)540560580600620640660680700720740200250300350400CVN@-5CJRt0.5MPa管线钢强度与韧性的关系402）-40℃以下服役的低温管材技术；寒冷地区裸露或架空管道服役温度一般在-40℃。现有管材的韧脆转变点一般在-20℃左右，无法满足低温服役要求。二、油气管材发展趋势-60-40-20020-20020406080100120剪切面积百分率(SA%)●剪切面积百分率试验温度(℃)X100DWTT韧脆转变曲线41以前现在d实验结果有限元分析结果屈曲应变3）具有连续屈服、均匀变形的大变形管材主要用于地震、滑坡、冻土、泥石流等地区，如中缅管线云南地震带；连续屈服，较高的均匀延伸率、较低的屈强比。二、油气管材发展趋势42二、油气管材发展趋势低匹配条件下，应变仅为1.2％时，焊缝部位已出现明显应变集中，而高匹配条件下，当应变为2.0％时焊缝部位仍未出现明显的应变集中。43地震中地层及管道应变的粗略估算值地震水平地层应变管道应变中规模地震~0.1%~0.05%大规模地震~0.4%~0.2%地层侧向运动~2%0.9~1.2%地层断层运动不连续变位1.4~1.6%二、油气管材发展趋势444）耐蚀管材管线钢管的外腐蚀，埋地管线会受到地下水和高导电性土壤的外部腐蚀，近中性碳酸钠、碳酸氢盐环境的SCC。输送介质中含有硫化氢、二氧化碳等，易于形成HIC、SSCC二、油气管材发展趋势45SSC/SCC敏感性随材料强度（钢级）的提高而增加二、油气管材发展趋势46提高管材抗SSCC和HIC能力的措施提高钢的纯净度。采用精料及高效铁水预处理(三脱)及复合炉外精炼。S≤0.001%，P≤0.010%，[O]≤20ppm，［H］≤1.3ppm。NKK规定，高钢级抗HIC钢