石油焊管制造对钢材要求及发展趋势

石油焊管制造对钢材要求及发展趋势我国石油工业近期年需油井管200万t，干线及支干线输送管线钢管160万t。石油管工况条件恶劣，油气输送管输送大量易燃易爆介质，承受几十甚至上百个大气压的内压；油管柱和套管柱通常要承受几百甚至上千个大气压的内压或外压、几百吨的拉伸载荷和井下高温及严酷的腐蚀介质作用。石油管的性能和质量对石油工业的安全和发展关系重大。我国石油工业采用的钢管中，绝大多数输送钢管是焊接钢管；油井管中焊接钢管仅占10％，而世界发达国家油井管中焊管比例已达50％。我国自西气东输工程开始在输气管线大量应用X70钢级焊管；2005年建设了8km的X80钢管应用段，2006年首次进行了国产X100直缝埋弧焊管研究。“十一五”期间，我国将建设西气东输二线和多条引进国外天然气的跨国输气管道，耗钢量超过1000万t。这些管道的设计年输气量将从西气东输的120亿m3/a增加到300亿m3/a，钢管外径将达到1219～1422mm，最大壁厚可接近40mm。建设这样巨大的国家能源命脉，对管线钢管的强度、可焊性、断裂韧性和抗腐蚀等性能和钢管质量都有极为严格的要求，对冶炼、轧制、制管和管道建设工艺技术和装备能力都是巨大的考验。这对我国钢铁工业和制管工业既是难得的机遇，又是比西气东输工程更为严峻的挑战。石油焊管制造对钢板的性能要求1强度和钢级1）高强度管线钢的发展和应用为了经济地将石油和天然气从遥远的油气田输送到使用地区，油气长输管线的工作压力不断提高。陆上天然气管线的工作压力已提高到15MPa以上，正在建设的墨西哥湾和北海海底输气管道的工作压力达到25MPa；已开工的俄罗斯东西伯利亚－太平洋输油管道最高工作压力达14MPa。西气东输管道建设以来，我国天然气干线工作压力从6.4MPa提高到10MPa，“十一五”期间将要建设的西气东输二线等天然气长输干线可能采用12MPa或更高的工作压力。采用高钢级管线管建造长距离管线有着显著的经济优势。这些优势来自于管线输送效率的提高和材料成本的下降。较小直径、薄壁厚的钢管可以降低材料自身的总重量，并减少环焊材料的消耗。美国2005年建成的夏延输气管道是美国首条X80天然气管道，也是世界上最长的X80输气管线，全长612km，干线钢管外径914mm，壁厚11．9mm，穿越段最大壁厚为17．2mm。美国在夏延管道顺利建成的基础上，又计划建设更大规模的美国“西气东输”管线———RockiesExpressPipeline。该管线是美国20年来修建的最大输气管线，采用X80钢级钢管，管径1067mm，全长2130km，将于2007年开始建设，第一期工程（1142km）计划于2008年建成投产，第二、三期工程将在2009年建成。X80将逐渐成为陆上天然气高压长输管线的主流钢级。更高强度的X100和X120级管线钢已开发出来，并顺利建成了一些试验段。X90～X120超高强度钢级已列入API和ISO联合编制的新的管线钢标准，即将发布。世界上大多数国家均采用API5L或与其等效的管线钢级，但俄罗斯的管线钢级则有所不同，如已开工建设的俄罗斯东西伯利亚－太平洋输油管道设计钢级为K60～K70级。俄罗斯东西伯利亚－太平洋输油管道K70钢级管线钢管的屈服强度下限大大超过了API5LX80钢级的下限，接近X90的屈服强度下限，而其抗拉强度下限也大大超过了API5LX80钢级的下限，接近X90的抗拉强度下限，可视为X90钢级在油气管线的首次大规模应用。2）钢板制管前后拉伸性能的变化屈服强度的变化。钢板制管前后，由于包辛格效应和冷作硬化的综合作用，焊管管体与板材的屈服强度产生了差异。这种差异与不同钢种的组织、强度和综合变形量（管径、壁厚、扩径率）以及成型方式有关，主要的差异是由于管体试样压平包辛格效应的影响。螺旋焊管一般不采用冷扩径。由于管体矩形拉伸试样压平与成型卷曲时的变形和受力方向相反，因此，管体的屈服强度会降低，同时由于冷作硬化作用又会造成屈服强度上升，最终屈服强度的差异是这两种因素综合作用的结果，其程度与钢级、管径、厚度和组织相关。针状铁素体组织的钢板包辛格效应较小，制管后管体屈服强度可能上升，但幅度不大。由于直缝埋弧焊管采用了约1％的冷扩径量，当采用UO成型时，扩径与成型压缩方向相反，管体的屈服强度略微上升；当采用JCO成型时，由于成型时钢板没有压缩而是发生了延展，扩径时再次拉伸，因此，管体的屈服强度上升较明显。应该指出，采用管体－母材屈服强度差异平均值评估钢板制管前后屈服强度变化的方法是有缺欠的。更值得注意的是屈服强度低端和高端板材制管前后屈服强度的变化，而平均值可能掩盖了这种变化，应分别统计屈服强度近低端和近高端板材制管时的变化值，留出适当余地，以保证钢管最终屈服强度既不低于下限，又不超过上限。为了准确测定钢管的屈服强度，应尽量减少试样压平的误差。一些制管厂和研究机构还采用环胀装置测定真实的管体屈服强度，或与静水压爆破试验的管体测试屈服强度相比较，以修正和补偿屈服强度测试造成的误差。抗拉强度、屈强比和伸长率的变化。制管后管体－板材抗拉强度也会发生类似变化，但相对屈服强度要小。螺旋焊管制管后一般屈强比下降，而直缝埋弧焊管屈强比上升。由于加工硬化，制管后钢管的延伸率都出现了不同程度的下降。下降程度与加工硬化程度有关，其因素有制管工艺（如预弯、成型和机械扩径等）、厚度、直径和钢级等。抗大变形钢管与应变时效。近年来，高钢级管线基于应变的设计是一个热点。为了克服地震活动区和冻土地带等条件对管线造成的大位移变形，保证管线的安全，要求钢管有较大的抗大变形能力，日本JFE公司采用钢板在线热处理工艺开发了抗大变形钢管。据称此类钢管具有圆屋顶状的拉伸应力－应变曲线、高均匀延伸率和低屈强比，可在较大的应变条件下安全工作。许多管厂对钢管经过外防腐加热所产生的力学性能变化进行了研究，发现了钢管防腐处理时经过短时中频加热（温度为230℃左右），其管体的拉伸曲线的形状发生变化，屈服强度和屈强比有比较显著的上升，这对基于应变的管线设计结果有很大影响，可能导致环焊的强度匹配从过匹配转为欠匹配。据JFE公司的报导，抗大变形钢管的应变时效较小。2钢板与焊管的断裂韧性1）夏比冲击韧性由于加工硬化，制管后钢管的夏比冲击韧性与板材相比都出现了不同程度的下降。下降程度与加工硬化的程度有关，如机械扩径等制管工艺、厚度、直径和钢级等。钢板的夏比冲击性能应留有适当的余地，以保证管体在管线最低工作温度下的断裂韧性。2）DWTT性能板材制管后，落锤撕裂（DWTT）试验性能会发生比较显著的变化。由于加工硬化，管体的DWTT剪切面积都出现了不同程度的下降。下降程度与加工硬化的程度有关，如机械扩径等制管工艺、厚度、直径和钢级等。为此钢板和钢管采用不同的试验温度以保证管体DWTT性能。我国管线标准一般取钢板试验温度比管体试验温度低10℃。在陕京二线厚规格（17．5mm）螺旋焊管的试制时，出现了卷板－15℃DWTT试验剪切面积合格，而管体－5℃DWTT试验剪切面积不合格的问题。表明变形量增加后，加工硬化程度加大，韧性损失增加。如果要保证卷板和钢管的DWTT剪切面积要求相同，则试验温差要相应增加，如卷板厚度为17．5mm或钢板的厚度为25．4mm时，钢管与钢板试验温度差值宜为－15℃。厚规格高强度钢板DWTT试验还常常出现逆向异常断口，造成试验无效。为此制定了逆向异常断口的评价方法，基本解决了这一问题。3钢板与焊管的硬度由于加工硬化，制管后管体出现了不同程度的硬度上升。硬度上升的程度与加工硬化的程度有关，如：机械扩径等制管工艺，同时硬度上升还与钢板厚度、直径和钢级等因素有关。焊缝和热影响区的硬度与焊管工艺（焊材及参数等）和钢板的化学成分有关。一般焊接接头硬度最大值和平均值比钢板升高。为保证钢管最高硬度不超过标准要求，板材硬度应比钢管允许最高硬度低20～30HV10。4组织和化学成分1）组织西气东输工程之前，我国油气管线最高钢级为X60，采用铁素体－少珠光体组织，自西气东输工程以来，针状铁素体组织在我国X70／X80高钢级管线获得了广泛的应用。墨西哥湾的卡特莱尔海底管线（X70）和美国夏延输气管线（X80）采用超低碳高铌、以铬代钼和高温轧制的工艺（HTP），同样获得了高性能的针状铁素体管线钢，成为新一代高性能低成本管线钢的范例。为了保证钢管的抗酸性腐蚀性能，应控制硫含量低于0．002％，采用钙处理改善硫化物的形态，减少C和Mn偏析，控制钢管的硬度，要求HRC≤22，或HV260～280。由于HTP钢的C和Mn含量很低，减少了偏析的危险和带状组织的形成，对抗腐蚀十分有利。2）化学成分即使钢级相同，也应考虑不同管型的制管工艺对板材的性能的不同要求。管线钢的化学成分既要适应焊管制造中的自动焊和补焊工艺对焊接性能的要求，还要兼顾管道施工环缝对接焊的要求。螺旋埋弧焊管。螺旋焊管的壁厚介于ERW焊管和直缝埋弧焊管之间，采用单丝或双丝埋弧焊接方式，少数特厚规格也采用内焊3丝，外焊双丝的焊接工艺，线能量较低。要求卷板具有适当低的碳当量，适度减少C、S、P、N、H、O等有害元素，适当添加Mn、Si、Ti、Ni等有利于提高焊接性的元素。天然气输送用SSAW管化学成分的某些标准值和管厂期望值除了与钢级有关外，化学成分还与板厚和输送介质有关，原油和成品油相对天然气可以放松一些。直缝埋弧焊管。直缝埋弧焊管的壁厚一般较大，采用4丝双面埋弧焊接。因为要进行机械扩径，使得管体和焊缝的韧性下降，管体的强度升高。因此更加要求钢板的碳当量尽可能低，C、S、P、N、H、O等有害元素尽可能少，适当添加Mn、Si、Ti、Ni等有利于提高焊接性的元素。ERW管。ERW管与埋弧焊管的焊接方式有显著的不同，采用的是无填充金属的压力焊接方式，焊缝中没有填充其他成分，靠高频电流的集肤效应和临近效应，使板边瞬间加热到焊接温度，由挤压辊挤压形成锻造组织的焊缝。高质量的钢管要求采用焊缝在线或离线热处理，使焊区组织细化，优质ERW焊管的焊缝可以达到与母材相同的韧性水平，这是埋弧焊接工艺无法达到的。但是，由于焊接是在高速下瞬间完成，保证焊接质量的难度大大高于埋弧焊接方式。ERW焊管最危险的缺陷是由于冷焊和回流夹杂形成的灰斑缺陷。为了减少焊缝灰斑，保证焊缝的冲击韧性，对母材的硫含量要求特别高，最好S≤0．005％，同时控制Si≤0．35％，Mn／Si＞5。为满足ERW油井套管的螺纹加工要求，要适度增加C。5制管用钢板的几何尺寸要求1）螺旋焊管螺旋焊管一般采用热轧板卷为原料。按API5L要求，板宽范围应是管径的0．8～3倍。为了获得良好的成型和焊接质量，板宽最好选择在1．3～2．4倍管径。实际板宽要兼顾焊管的生产效率、质量以及钢厂和制管厂设备能力。卷板切边要去除3～4倍板厚的板边，主要是获得精确的板宽、减少月形弯和去除影响焊管质量的板边夹杂物。去除量对成材率有影响，有些制管标准对此值提出限制，要求板边加工去除量不小于板厚的1．5倍。近年来由于板卷质量的提高和铣边工艺的采用，板边去除量已减少到小于板厚。应加强板边超声波分层检测，防止板边分层对焊接的危害。未切边板卷的宽度偏差通常为0～＋20mm。板卷展开的月形弯对焊管周长和错边质量有很大影响，通常要求不大于15mm／10m。除考虑板厚偏差外，板厚控制还要考虑划伤、压坑和锈蚀的修磨量。板厚公差通常小于1mm。钢卷重量越大对焊管生产的效率和质量越有利，但受设备能力限制。高质量要求的管线常要求切除丁字接头，因此卷板的总长度直接影响焊管的平均长度和最小长度，严重影响大口径厚壁焊管的生产成本。需要对板卷的总长度（总重量）进行控制，避免出现短管，这是螺旋焊管的特殊要求。2）直缝埋弧焊管板宽是按成品焊管的直径、壁厚、扩径率、成型塑性变形量、板边加工量、钢板的实际宽度和直度，兼顾材料消耗和板边加工量对生产效率的影响确定的。去除7～15mm的板边是兼顾加工出精确的板宽、直的板边和满足生产节拍的板边加工量。消除板边不直度，需要去除2倍板边不直度的板边。钢板直度、平度、端头切斜对焊管生产效率和质量都有影响，超过设备能力时