焊管在海底管道中的應用探討

胡松林

（寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

世界經濟的持續(xù)發(fā)展帶來人類社會對全球能源的高度關注和依賴，生態(tài)環(huán)境的改善推動了石油、天然氣等清潔、低碳、環(huán)保能源的開發(fā)利用，并成為現今一次性能源消費中增長最快的新能源。 據資料統(tǒng)計，到2050 年，世界天然氣需求量將增加至 5.5 萬億 m3，在2016—2050 年間，年均增長1.43%； 世界石油需求將達到49.1 億t，在 2015—2050 年間，年均增長達 0.35%。 我國非化石能源在一次能源消費結構的比例由2015年的12%將提升到2030 年的20%，天然氣在一次能源消費結構的比例將由2015 年的5.9%提高到 2030 年的 15%[1-2]。

隨著油氣在陸地的持續(xù)開采，可開采利用資源越來越受到環(huán)境等因素的制約，而海洋資源得以開發(fā)應用，并逐漸成為繼陸地后的又一個戰(zhàn)略重地。 2013—2017 年全球海底管道建設的資本支出較上一個五年計劃增長59.8%。 海底管道作為海洋油氣開發(fā)集輸的主要手段也得到了快速發(fā)展，全球現有海底油氣管道已經超過10 萬km，2018—2022 年，全球海底管道敷設也將達到5.6 萬多km[3-4]。 在海底管道中，焊管以其特有的質量特性及制造優(yōu)勢廣泛應用到海洋油、氣輸送領域。

1 海底管道的應用

海底管道是海上油、氣開發(fā)系統(tǒng)中連接油氣集輸、儲運的最便捷、經濟和安全的輸運方式。隨著海洋油、氣勘探開發(fā)從淺海到中深海 （水深100～500 m）、深海 （水深 500～1 500 m）、甚至超深海 （水深1 500 m 以上） 領域的進展，海底管道也逐漸應用到深海領域。 世界最深海底管道為美國墨西哥灣東部的獨立管道，最大水深為2 454 m。 國內最深海底管道為南?！鬄?-1輸氣管道，最大水深1 409 m[4]。

相對陸地而言，海底管道除承受內、外壓力外，還受到海底海流、泥沙、低溫、腐蝕介質等各種載荷環(huán)境的聯合作用，因此對于應用于海底管道的鋼管，在成分、性能、尺寸控制等方面都會有較高的要求。

2 海底管道用鋼管的選用及技術規(guī)范

海底管道通常以無縫管或焊管為母管對接而成。 焊管以其優(yōu)良的材料性能、大直徑的制管能力、較高的尺寸精度和用戶感知良好的交付方式應用于海底管道建設中，并在其施工建設中凸顯出一定優(yōu)勢。

2.1 海底管道高額的維護費用對管道的安全性提出要求

海底管道一但出現失效，將會產生更多的維修及環(huán)境治理等費用，因而對海底管道用材料的性能穩(wěn)定性和匹配性提出較嚴的要求。 通常海底管道是以 API SPEC 5L （附錄 J） 和DNVGL-ST-F101 標準為基礎來進行的。 標準對服役海洋焊管的拉伸性能均提出上、下限的要求，以保持性能的穩(wěn)定性。 如牌號為X60MO 及以上鋼級，Rt0.5要求控制在 120 MPa 以上，Rm要求控制在 225 MPa 以上，如圖1 所示[5-6]。 實際工程應用中，要求更加嚴格，如我國南?！鬄成钏艿?，X65MO/X70MO 鋼級的屈服強度要求控制在120 MPa 以上，抗拉強度要求控制在190 MPa 以上，以提高管道的等強性，降低管道在服役期間的失效性風險。

圖1 API SPEC 5L/DNV-OS-F101 標準對海底管道拉伸性能的要求

2.2 海上施工環(huán)境對管材成分、尺寸的要求

海底管道施工常采用鋪管船敷設。 由于受船上敷設的環(huán)境條件、租賃費用等影響，施工過程的成本壓力往往要求提高敷管作業(yè)效率以縮短施工周期，船上鋼管的對焊是影響施工效率的關鍵因素之一。 因而，在海洋用焊管的產品規(guī)范中，對影響焊接性的碳當量 （CEpcm、CEIIW） 及管端尺寸 （橢圓度） 都有較嚴要求。 常用的 X65MO 鋼的Pcm 不得超過 0.22%。 焊管直徑在 610 mm＜D≤1 422 mm 時，管端橢圓度要求小于 8 mm。 不同標準對管材成分的碳當量和管材尺寸的要求見表 1 和表 2。

在實際工程中，根據工程環(huán)境狀況也有加嚴要求的情況，如世界最長的北溪管道項目，Pcm要求為0.21%，Φ1 219 mm 焊管的橢圓度要求不超過5.0 mm。 國內最深的南?！鬄?-1 海底管道項目用焊管的Pcm 要求為0.17%，所用Φ762 mm焊管的管端橢圓度要求不超過3.5 mm，寶鋼UOE供貨的焊管實際控制管端的橢圓度平均值1.7 mm，Cpk=1.43，便于海上鋼管對接與焊接[7-8]。

表1 不同標準對管材成分碳當量的要求

表2 不同標值對管材尺寸的要求

焊管在成型、焊接后要經過定徑或擴徑整形，外徑尺寸公差控制較高，加之是以熱軋鋼卷、厚板為原料，壁厚公差控制較小。 可依照外徑和壁厚來實現焊管的內徑控制，這對長輸海底管道是有益的。 在世界最長的北溪海底管道設計中，就要求全長采用管道內徑1 153 mm 恒定不變，而在管道首段、中段和末段，考慮壓力損失而采用34.6 mm、30.9 mm 和26.8 mm 不同壁厚，滿足工程通徑、運行維護等方面的要求。

HFW 焊管長度是按照用戶要求進行定尺交付的，UOE 焊管長度也是按照用戶要求進行厚板原料申請，所以焊管可以做到按照用戶所需的最大管道長度實現95%以上的定尺交貨，最大限度地減少海上施工的環(huán)焊縫數量，節(jié)省成本。

2.3 大直徑、高綱級、厚壁管成為海底管道用管選擇的方向

隨著深海大量油、氣資源的開發(fā)，管道輸送能力逐步提高，大直徑、高綱級厚壁焊管在海底管道中得以普遍應用。 世界最長的北溪海底管道項目已應用到直徑 1 219 mm （48 in）、X70MO鋼級、壁厚26.8 mm/30.9 mm/34.6 mm 的焊管，且保持全長管道內徑一致。 國內南海—荔灣3-1深水海底管道使用的焊管外徑為762 mm、鋼級為 X65/X70MO，壁厚最厚達到 31.8 mm，以增加輸送能力。

目前，用于海底管道的HFW 焊管以外徑219～610 mm、壁厚 12～19.1 mm、鋼級 X65MO為主。 直縫埋弧焊管以外徑 508～1 219 mm、壁厚 20～41 mm、鋼級 X65/X70MO 為主。

2.4 管道向深海延伸促成對厚壁管的需求

隨著海底管道敷設深度的增加，管道在深海環(huán)境中的壓潰失效是海洋管破壞的主要形式之一，管道一旦發(fā)生局部壓潰，將誘發(fā)屈曲傳播導致整體失效損壞。 管道壓潰主要受初始結構缺陷和深水環(huán)境中復雜載荷條件的影響。 文獻 [9-10]對管道的初始橢圓度、徑厚比 （D/t） 等參數進行了可靠性分析，發(fā)現橢圓度增加，管道的可靠性降低；徑厚比增加，管道的可靠性降低。 選擇徑厚比小的厚壁管能夠增強管道抵抗屈曲的能力，增加可靠性。 世界上已敷設的一些海底管道的敷設深度與徑厚比的情況也是如此，見表3。 因而，隨著敷設深度的增加，管徑在減小，但徑厚比明顯減小，厚壁管將成為深海管道應用的主要領域[11]。

表3 海底管道敷設深度與徑厚比

2.5 海底管道對材料抗腐蝕性能提出更高要求

海底管道受到海流、流沙、低溫和腐蝕介質等復雜環(huán)境的因素影響，對管道的低溫韌性、裂紋敏感性 （CTOD）、抗腐蝕性 （HIC、SSC）等都提出較高的要求。 通常要求焊管焊縫的δCTOD≥0.15 mm。 對有腐蝕介質的環(huán)境，要求按照規(guī)范進行HIC、SSC 試驗，以增強管道的服役壽命。

3 焊管在海底管道應用中的技術性探討

3.1 管體縱、橫向性能的控制

海底管道由于其施工過程及服役環(huán)境的特點，管線的海面上彎段和海底下彎段均要承受較大的軸向拉力，并在服役期間受到海流等橫向外力的作用，因此對使用于海底管道的焊管橫、縱向性能都會提出特殊的要求。

目前，用于海底管道的焊管以高頻直縫焊管（HFW） 和直縫埋弧焊管 （SAW） 為主。 其制管過程是以鋼卷/板進行橫向彎曲加工而成，加工過程會引起材料的加工硬化效應； 而在進行管體橫向試樣的制作加工中又需要進行壓平，誘發(fā)包辛格效應發(fā)生。 因而，管體的橫向屈服強度受到制管方式、徑厚比、材料固有特性等方面的綜合影響，而縱向性能影響不顯著。 文獻[12]對同材質、不同制管方式 （JCOE 和 UOE） 的焊管（Φ508 mm，鋼級 X65M） 對比分析得知，采用JCOE 成型的焊管橫向屈服強度高于采用UOE 成型的焊管，JCOE 成型的焊管屈強比也高于UOE成型的屈強比，顯示出JCOE 成型的加工硬化作用較UOE 成型強。 而對不同徑厚比的HFW 焊管的分析發(fā)現，隨徑厚比減小，HFW 焊管的橫向屈服強度逐漸接近于縱向[13]。

表4 是已應用于海底管道工程中的焊管力學性能數據。 從均值看，橫向屈服強度均值略低于縱向，而橫向抗拉強度略高于縱向，呈現出縱向屈強比略高于橫向屈強比的結果。 因而通常在設計應用中縱向屈強比會高出橫向0.02。 這與厚壁焊管材料在制管、試驗等過程中受到的包辛格效應和加工硬化效應密切相關。

表4 海底管道用焊管的力學性能指標

3.2 海底管道的抗屈曲能力

海底管道受到外壓、海流等多向載荷的作用，管道發(fā)生彎曲導致壓毀失效是必須考慮的問題之一。 除采用厚壁、高尺寸精度焊管來提高抗擠毀性能外，管道能夠承受最大彎曲能力 （極限壓縮屈曲應變） 得以關注。 研究認為，影響極限壓縮應變的主要因素有母材缺陷 （錯邊、壁厚不均勻等）、內壓及管材應力-應變曲線等。 有文獻對不同材料的影響進行了試驗分析[14]：

（1） 管道內壓使得管道臨界屈曲應變增大。對不同材料曲線的分析顯示，當管道沒內壓時，軸向應力應變曲線更接近實際情況； 當管道有內壓時，環(huán)向應力應變曲線更接近實際情況。 內壓升高，管道極限壓縮應變也升高。

（2） 應力應變曲線對管道屈曲的影響。 對具有屈服平臺型應力應變曲線材料，管道的屈曲行為主要由屈服平臺導致失穩(wěn)。 而圓弧型應力應變曲線，管道發(fā)生了彈塑性屈曲，屈曲行為受硬化指數的影響，硬化指數大，抗壓縮應變能力強。

（3） 管材徑厚比越大，管道的極限壓縮應變愈小。

這也是海底管道在使用焊管材料時，需要研究和探討的問題之一。

3.3 應變時效對海底管道應用的影響

海底管道從施工安裝到服役過程中，不僅受到外來載荷作用，還受到環(huán)境溫度變化等影響，掌握管道材料的應變時效性對工程應用有所幫助。

文獻[15]研究了 X65MO 焊管 （t/D 為 4.9%） 的應變時效特性。 在經0.5%應變，250 ℃/h 的人工時效后，觀察到縱向屈服強度增加約30～40 MPa，進一步增加到1%的應變，屈服強度增加約20 MPa，在從1%到2%的應變區(qū)間，屈服強度基本保持不變。 在無應變情況下時效，屈強比平均為0.85，最大值低于0.90，在附加1%～2%應變時效后，屈強比平均為0.94。 這種行為呈現出低碳微合金控軋控冷管線鋼的特征，對極端海洋環(huán)境中焊管材料的時效行為是該領域需繼續(xù)關注和探討的問題。

開展海底管道用焊管的性能控制性研究、材料屈曲行為的分析及極端環(huán)境中的時效性等方面的研究會受到行業(yè)內的關注。

4 結束語

焊管以其良好的綜合性能、優(yōu)良的幾何尺寸、貼近應用的交付方式，愈來愈多的應用于海底管道中，其較低碳當量、穩(wěn)定的力學性能、較小的尺寸公差和橢圓度、較高的定尺率成為海洋管道工程的首選。

隨著海洋工程向深海領域擴展，高綱級厚壁焊管的開發(fā)利用將成為新的應用市場。 伴隨海底管道鋪設距離的加長，對焊管尺寸控制與測量技術、性能穩(wěn)定性與試驗手段、交付能力都會提出新的要求，同時也為焊管制造的技術發(fā)展提供新的機遇。