國內外高等級管線鋼管研發應用現狀

蔡 亮 王風雷 左松奇 孫大為

（1. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；2. 中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；3. 國家管網集團山東天然氣管道有限公司，山東 濟南 250000；4. 中國人民解放軍32723部隊，河北 承德 067400）

0 引言

隨著極地、高寒和非常規油氣資源勘探開發，惡劣環境條件給新建管道建設提出更高要求。大口徑、高壓力、高鋼級成為長輸管道發展方向[1]。2007年第44版美國石油協會標準API Spec 5L《管線鋼管規范》新增X90/X100/X120超高強度鋼管。與國際先進水平相比，我國高等級管線鋼管在制造質量和性能穩定性存在差距，高等級鋼管可焊接性和止裂韌性是需解決的瓶頸問題。總結國內外X80管線鋼管關鍵技術和應用實踐。闡述X90/X100/X120超高強度鋼管研究進展。針對進一步提升高等級管線鋼管材性能，提出了合理化建議。

1 國內外X80管線鋼管工程應用現狀

X 8 0鋼管在世界上獲得廣泛應用。加拿大TransCanada管道是X80管線鋼管的典型案例，并將X80作為新建輸氣管道的首選鋼級。2004年美國Cheyenne Plains管道首次采用X80螺旋埋弧焊鋼管，管徑914mm、壁厚11.74/16.94mm、長度608km。俄羅斯巴甫年科沃-烏恰管道鋼級K65（相當于X80），采用并行敷設，管徑1420mm、設計壓力11.8MPa、長度1106km、壁厚23.0mm/27.7mm/33.4mm。國外已建成X80管線鋼管的長輸管道約8000km。

我國建成X80管線鋼管長輸管道17000km，包括西氣東輸二線2012年、西氣東輸三線2014年、中亞C線2014年、陜京四線2017年、中緬輸氣管道2014年和中俄東線2019年。

（1）西氣東輸二線。西氣東輸二線設計壓力12MPa，形成多項X80管線鋼管工程應用關鍵技術：在國際上首次開展X80螺旋埋弧焊管全尺寸爆破試驗；制定了西氣東輸二線管材、管件和彎管標準（螺旋埋弧焊鋼管壁厚18.4mm、直縫埋弧焊鋼管壁厚26.4mm，彎管壁厚32mm）；采用直縫埋弧焊管基于應變設計方法，促進大應變鋼管在地震高發區的應用；

（2）中俄東線。中俄東線是我國輸氣量最大的管道工程，設計輸量380×108m3、設計壓力12MPa、管徑1422mm，黑河-長嶺段737km在高寒凍土區敷設，冬季最低溫度-48℃。中石油開展第三代管線鋼管應用關鍵技術研究，在國際上首次開展鋼級X80、管徑1422mm、設計壓力12MPa的天然氣管道全尺寸爆破試驗，形成鋼級X80管道斷裂控制技術；制定鋼級X80、管徑1422mm管材及管件標準（螺旋埋弧焊管壁厚21.4mm、直縫埋弧焊管壁厚25.7/30.8mm）；制定鋼級X80、管徑1422mm管道焊接技術規范；研發鋼級X80、管徑1422mm管道施工的配套對口器、坡口機、內/外焊機、機械化補口機等，實現大口徑高壓輸氣管道自動化焊接。

2 X80管線鋼管關鍵技術

從2000年開始我國X80管線鋼管研發取得積極進展，取得X80管線鋼管在組織分析評定、強度試驗方法、屈強比控制、斷裂與變形控制等關鍵技術成果，X80管線鋼管工程應用處于國際先進水平。我國X80管線鋼管生產采用TMCP技術，控制軋制溫度、軋制后冷卻速度、冷卻初始溫度和終止溫度，調整管材奧氏體組織形態、分布和相變過程，保證管材力學性能。根據國內外全尺寸輸氣管道爆破試驗數據庫、Battelle雙曲線模型，提出了中俄東線X80管線鋼管止裂韌性指標，提出基于管道能量釋放率及流變應力修正的止裂預測模型TGRC-1和基于落錘撕裂能量的止裂預測模型TGRC-2。研究了提高強度設計系數對管道安全性及失效風險的影響。確定了0.8設計系數條件下管材關鍵指標及質量控制要求，制定了西氣東輸三線0.8設計系數下X80螺旋縫埋弧焊管技術規格書。

3 超高強度鋼管研究進展

采用高強鋼可以減少管道壁厚，顯著降低管道建設投資成本。新日本制鐵公司NSC、日本JFE鋼鐵株式會社和歐洲鋼管公司Europipe已研發X100、X120鋼管，如表1所示。表1給出了典型高強度鋼管力學性能參數。

表1 典型高強度鋼管力學性能

（1）歐洲鋼管公司Europipe。Europipe通過控制碳當量、碳含量及冷卻速率、終冷溫度，形成X100管線鋼管成分設計。Europipe采用UOE成型、直縫埋弧焊的工藝流制造大口徑管線鋼管，擁有60000t的O成型，以及11000t預彎機，可對壁厚50mm鋼板進行彎邊；

（2）新日本制鐵公司NSC。NSC核心技術是熱影響區（HAZ）細晶粒超高強韌技術，X100管線鋼管具備高HAZ韌性和高均勻延伸率。X120管線鋼管采用低碳-高錳-鉬-鈮-鈦-硼的成分設計，細晶貝氏體為主的組織結構，具有良好低溫韌性和可焊性；

（3）日本JFE鋼鐵株式會社。JFE在高等級管線鋼管進展有以下方面：

a）采用低碳當量、熱軋、急冷控制和電焊鋼管工藝，實現良好低溫韌性X80管線鋼管生產；

b）采用加速冷卻和在線熱處理的制造工藝，研發耐應變時效硬化的X100大變形管線鋼管；

c）采用控軋、快速冷卻以及冷卻后立即在線熱處理的工藝技術，研發鐵素體-貝氏體雙相組織的X120超高強度管線鋼管；

（4）國內鋼管企業。2010年華油、寶雞鋼管公司已研制X100直縫埋弧焊管和螺旋埋弧焊管，巨龍鋼管公司采用寶鋼研制的X120鋼板研制出管徑914mm、壁厚16mm直縫埋弧焊管。從2012年中石油組織X90鋼管試制試驗。我國X90/X100/X120超高強度鋼管的技術水平與世界先進水平仍存在差距，例如屈服強度、低溫韌性等。

國外還沒有X90管線鋼管工程應用，歐洲鋼管公司進行2次X90全尺寸爆破試驗。2014年中石油進行X90直縫埋弧焊管的全尺寸爆破試驗。X100管線鋼管處于驗證階段，2001年英國BP公司、新日本制鐵公司NSC和歐洲鋼管公司在美國阿拉斯加氣田管道中采用X100管線鋼管。2006年加拿大TranCanada公司使用日本JFE公司X100管線鋼管建成3條管道試驗段。X120管線鋼管研究進展緩慢，僅2004年埃克森美孚公司與加拿大TranCanada公司在加拿大-30℃凍土區建成世界上唯一的X120管線鋼管輸氣管道試驗段。

表2 大應變鋼管力學性能

4 低溫環境用鋼管

我國在高寒凍土區建設投產中俄原油管道和中俄東線天然氣管道，管道低溫脆斷問題引起關注，并研發低溫環境用高強度鋼管。針對低溫環境鋼管的斷裂韌性指標，存在較大爭議，GB/T 9711-2017《管線輸送系統用鋼管》（采標ISO 3183和API Spec 5L）規定夏比V型缺口CVN沖擊試驗溫度為0℃，或如果協議可采用較低溫度。俄羅斯OJSC公司技術規程STT-08.00-60.30.00-KNT-013-1-05規定操作壓力為14MPa的X70和X80鋼管CVN試驗條件為-40℃，焊縫和熱影響區CVN試驗溫度為管道正常運行溫度，但不高于-10℃。美國標準ASME B31.8-2017《輸氣和配氣管道系統》規定管道運行環境溫度低于-45℃，DWTT和CVN試驗溫度為管道服役預期最低溫度。應研究管道DWTT和CVN試驗溫度選定依據。

5 大應變鋼管

我國西氣東輸二線、三線管道沿線有22條活動斷層，其中峰值加速度0.3g的強震區地段約96km。地震多發區管道設計應進行應變控制，管道極限屈曲應變應大于地震或地質災害預期造成的管道最大應變。大應變鋼管具有較低屈強比、高韌性的特點，我國中緬油氣管道采用了國產X70大應變鋼管。大應變鋼管制造工藝采用雙相鋼方法，代表性的大應變鋼管是日本JFE鋼鐵株式會社和新日本制鐵株式會社的 TOUGH-ACE。歐洲鋼管公司Europipe研發了 X100大應變鋼管，應用于North Central Corridor管道。

6 結語

隨著極地、高寒區管道建設，管道運行環境條件更為苛刻。我國高性能鋼管在制造質量方面，與國際先進水平存在差距。為提高管道輸送效率、降低投資成本，應加強高性能油氣輸送鋼管研究及應用，應重點解決的問題是極低溫度下管道止裂韌性，通過地震/地質災害易發區管道應變能力，高強度管線鋼管可焊接性等，建立X90管線鋼管應用配套技術體系。