石油管及装备材料科技工作的进展与展望*

刘亚旭，李鹤林，杜 伟，陈娟利，沈 沉

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引言

材料是制造业的基础和关键，材料创新发展是实现制造业强国的必要条件。工业强基工程(简称“四基”)，包括核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础，是我国制造业的薄弱环节。国家制造强国建设战略咨询委员会明确指出，我国从实现工业大国向工业强国的转变，亟需加快推进工业强基，进而提升我国工业整体水平，建设制造强国[1]。其中，关键基础材料作为各个产业链的最上游环节，被誉为制造业“底盘”，是支撑现代产业体系不可或缺的物质保障和基础设施[2]；产业技术基础以标准、计量、检验检测、认证认可等为核心要素，贯穿于核心基础零部件(元器件)、关键基础材料和先进基础工艺发展的全过程，是关键技术基础和支撑。因此，加快推进材料标准、认证认可、新产品开发、检测评价与产业化发展意义重大。

石油装备，包括石油管，作为油气勘探、开发、储运和炼化不可或缺的工具利器，是石油工业重要的物质保障[3-4]，发展石油管及装备材料是制造强国战略的重要内容。十九届五中全会强调，坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。为贯彻落实十九届五中全会精神、加快推进石油管及装备材料科技创新，在总结石油管及装备材料科技工作进展基础上，重点围绕石油管及装备解决薄弱环节、支撑驱动石油工业提质增效和长远发展，提出相关标准化以及新产品和新技术开发、评价与工程应用等方面的重点方向。

1 石油管及装备材料科技工作取得的进展

经过60多年发展，我国石油管及石油装备材料从无到有、从低端到高端，基本形成门类齐全、产业完整、质量可靠的产品体系，其中油井管实现了大量出口，高钢级输送管的质量和用量已经走在了世界前列，有力支撑和保障了我国石油工业的发展壮大[5-6]。中国石油集团石油管工程技术研究院(简称“管研院”)作为从事石油管及装备材料应用基础和工程应用研究的专业机构，对于推动我国石油管及装备材料技术进步发挥了至关重要的作用。

1.1 研发应用新型钢铁材料，带动石油装备升级换代

上世纪六、七十年代，针对我国石油装备傻大笨粗的突出问题，李鹤林院士带领科研团队从石油机械的服役条件出发，分析、研究了一批关键的有代表性产品的服役条件和失效判据，有针对性地研究开发了20SiMn2MoVA等10余种新型钢铁材料，并充分发挥现有材料的性能潜力，把节约铬、镍与提高石油机械产品的质量和寿命结合起来，取得了很好的效果，使一大批石油机械产品减轻了重量、延长了寿命、提高了服役性能，降低了综合成本，推动了石油装备升级换代[7]。

1.2 与冶金和制管企业协同攻关，实现油井管大规模国产化

20世纪90年代前，我国石油工业所用的油井管90%以上依赖进口，且失效事故频发。管研院团队从服役工况出发，通过大量的失效分析，研究构建了油井管标准体系，建立了油井管选材评价和应用关键技术体系；建立了能够模拟油井管复杂力学与腐蚀环境条件的全尺寸模拟试验平台及方法；协助冶金和制管企业，生产出了全系列更适合我国油气开发工况的国产化产品，全面替代了进口，并在部分产品和指标方面超越了进口产品。推动实现油井管国产化率由1990年之前的10%提高至2012年的近100%，支撑了长庆“三低”、塔里木“三超”、新疆“稠油”和西南“高含硫”等重点油气田开发[8]。

1.3 持续推动天然气管道高钢级、高压、大输量输送

围绕我国重大天然气管道建设项目，积极开展超前研究，持续推动天然气长输管道提高输送压力和管线钢强度级别。根据管研院的超前研究成果并面向国际管道建设技术前沿，以李鹤林院士和黄志潜教授为代表的科研团队2000年提出了西气东输管道采用X70钢级、10MPa输送压力的技术方案及其科学依据，被中石油决策层采纳，实现了西气东输设计年输量120亿方的目标(实际年输量曾达到170亿方)，管道技术实现跨越发展，大大缩短了与国际先进水平的差距。2006年提出西二线采用X80钢级、12MPa输送压力，较原X70钢级双线方案节省投资130亿元，实现年输量300亿方的同时，标志着我国管道建设关键技术进入领跑者行列。2015年，中俄东线开工建设，采用了X80钢级、1422 mm管径、12MPa输送压力，设计年输气量达到380亿方。管研院研究建立的高钢级管道失效控制技术和适合实际工况的标准体系支持了西一线、西二线、西三线以及中俄东线等重大项目的建设与运行安全。

1.4 建立和完善应用技术支撑体系，推动实现管线钢及钢管全面国产化

上世纪末，伴随国民经济发展和对天然气等清洁能源的需求增长，我国油气管道建设迎来了高速发展期。针对当时管线钢全部依赖进口的困境，建立并完善了“失效分析-标准化-科学研究-检测评价”的应用技术支撑体系[9]。根据工况环境研究制定了X70、X80管线钢及钢管系列标准，提出了经过严格质量控制的螺旋埋弧焊管可以用于高压大口径天然气管线，确立了国产螺旋埋弧焊管在重要大口径高压输气管道建设中的重要地位。建成世界上第三家可以完成天然气爆破试验的全尺寸气体爆破试验场，研究开发了输送管全尺寸实物性能测试平台及检测评价技术，联合冶金、制管企业协同攻关，推动实现了X70、X80管线钢及钢管的全面国产化，在西一线X70钢管50%国产化的基础上，西二线全面实现国产化，节约采购资金90多亿元，带动和引领了我国冶金和制管技术的快速发展。

1.5 开展失效分析和预测预防技术研究，为石油管及装备运行安全提供技术支撑

开展失效分析和预测预防技术研究，判明失效模式、机理和影响因素，反馈到设计、材料、工艺、使用等过程，并采取有效措施预防事故重复发生，对于提高石油管及装备的安全可靠性意义重大。管研院先后开展了石油管及装备失效分析1600余项，包括中缅管道贵州晴隆段天然气两次泄漏燃爆、西气东输二线同心段管道环焊缝渗漏、“11·22”黄岛输油管道泄漏爆炸、加拿大尼克森输油砂管道失效、克深2-1-3井套管断裂、西二线东段76#阀室爆管失效、土库曼斯坦直缝埋弧焊管泄漏失效等重大失效项目，奠定了行业的失效分析权威地位，为保障石油工业的安全提供了技术支撑。

1.6 持续开展安全评价和完整性管理，保障油气管道和储气库全生命周期风险受控

上世纪九十年代，国内率先开展油气管道完整性技术研究和应用，通过在剩余强度评价、剩余寿命预测、风险评估、完整性评价、复合材料和套筒修复补强等方面持续开展科研攻关，建立了油气管道完整性技术和管理体系。研究成果在西气东输一线、二线、三线、陕京管道等所有重大管道工程和油气田地面管道推广应用，显著降低了油气管道失效率，保障了国家能源安全。针对我国储气库地质条件复杂，风险点多面广难题，“十一五”期间，率先攻关储气库风险评估技术，构建了储气库“地下-井筒-地面”三位一体的全生命风险管控体系，有效保障了储气库运行风险受控，为天然气保供调峰和储气库大规模建设提供了强有力的技术支撑。

1.7 构建石油管材标准体系，引领行业快速发展

构建和完善石油管材标准体系，形成涵盖团体标准、行业标准、国家标准和国际标准等各个层级的标准化工作机构，推动和引领了石油管及装备材料的技术进步。在国际标准化方面，自从1987年在API年会上一篇有关钻杆的论文《钻杆失效分析及内加厚过渡区结构对钻杆使用寿命的影响》“一举敲开API大门”后，国际标准化工作取得长足进步。组织制修订国际标准6项 ，新立项并承担国际标准项目4项(其中产品标准3项)，承担了ISO/TC67/SC2并行秘书处并担任副主席，同时担任ISO/TC 67 AHG 绿色制造特别工作组召集人，引领和推动了管材新产品的研发及应用。

综上，石油管及装备材料科技创新取得了重要进展，陆上石油管材通过创新链与产业链的紧密融合，解决了一系列卡脖子问题，实现了自立自强，支撑和保障了我国石油工业的快速发展。随着石油工业的持续深入，石油管及装备的服役工况日益复杂严苛，对石油管及装备材料的质量和性能水平提出了更高的要求，而我们在海洋油气装备材料方面国产化程度较低，耐高温的油田用非金属材料也与国外有较大的差距。与此同时，在第四次工业革命背景下，世界能源技术创新进入活跃期，人工智能、新能源、新材料等技术蓄势待发，有望深刻影响石油工业发展格局。面对新形势，亟需进一步梳理石油管及装备材料科技创新的重点方向和发展策略，从而形成行业共识，协同攻关、重点突破。

2 借鉴API成功经验，建立我国石油工业标准和认证体系

美国石油学会(API)成立于1919年，是一家代表美国石油和天然气行业的非营利性贸易协会，主要开展标准、认证与培训服务。目前API已建立形成完善的石油工业标准和认证体系，制订的技术标准超过700项，获得100多个国家认可和使用。

上世纪80年代，我国开始广泛使用API标准。石油工业现行有效的342项国家和1 629项行业标准中，约50%依赖API标准。API以完善的标准体系为基础，在全世界开展认证，已成为石油产品和服务在国际市场的通行证，我国共有1 540多家石油装备企业获得了API认证，涉及年出口额达700多亿元。

目前，国内石油管及装备材料领域的权威性团体标准和认证缺失，在取得国外广泛认可方面存在难度。2017年修订的《标准化法》明确了团体标准的法律地位，但是目前团体标准体系缺乏顶层设计、统一谋划，已出台的标准零散归口于20多个学会和协会，存在交叉重复和无序竞争，难以形成像美国API、ASTM、ASME、NACE等被用户广泛认可和执行的团体标准体系，也难以开展像API一样权威的认证。

我们应当借鉴API成功经验，从以下几方面开展工作。

2.1 积极构建团体标准体系并形成权威认证体系

由行业领军企业(中石油)牵头，以石油装备(管材)制造和油气工程技术服务两个领域为重点，依托最具实力的科研院所或科技型企业，联合行业的其他石油企业、生产厂家，可以以中国石油学会的名义，借鉴已有的相关成熟的行业或企业标准，并补充制定相关标准，尽快建立我国石油工业自主的、符合市场经济规律、系统的团体标准体系。在此基础上，在石油装备企业推行自主团体标准体系以及产品和服务的认证，不断提升我国自主石油团体标准的影响力和权威性。

2.2 加快推进标准和认证体系的国际化进程

目前我国约有500多支队伍在40多个国家从事油气勘探开发，钻采装备和管材产品与工程技术服务的海外市场潜力很大。应当依托“一带一路”建设，在沿线国家广泛开展CPS标准及认证的合作与互认，并逐步辐射至全世界认同和认可采用；另一方面，积极争取与IOGP(国际油气生产商协会)、ISO等组织的合作，将我国石油行业标准和认证带出国门。通过不断地努力，使我国自主的石油工业团体标准成为国际有影响的、权威的国际先进标准。

2.3 加大标准化投入，抢占石油标准技术制高点

提前谋划和布局，将海洋油气、非常规油气、智慧管道、绿色制造、新能源及储能材料等领域的自主创新和标准研制纳入“十四五”发展规划，投入专项资金，支持形成一批前沿技术领域具有权威性的国际标准，积极抢占标准技术制高点。

3 围绕提质增效，着力解决套管变形和损坏、管网泄漏等重大技术难题

油气田开发、炼油化工和管道储运等领域涉及的石油管材及装备数量规模庞大、投资占比高，一旦发生失效，往往会造成巨大经济损失、严重环境污染甚至灾难性伤亡事故。

3.1 开展科技攻关，有效推动油气田套管变形和损坏预防及治理

油气田套管损坏严重影响油气田开发和效益，套管变形又是页岩气、页岩油开发中遇到的重大技术瓶颈，每年因套损和套变造成的经济损失巨大。近年来随着开采强度的提高和开采难度的加大，套损率上升趋势明显；2018年四川某些地区的页岩气井在压裂过程中的套变比例更是高达49%；此外，西南和塔里木油田的高压气井的特殊螺纹连接的气密封性难以保证，造成环空带压，成为卡脖子问题。管研院曾在上世纪八、九十年代针对大庆油田的套损进行了调查和治理，一度使套损率明显下降。2018年起，针对长宁、威远区块页岩气开发中的严重套变问题进行了理论研究、数值模拟和实物实验，现已开展了预防套变技术的现场试验，取得预期成果，有望大幅度降低页岩油气开发中的套变比例。同时，管研院围绕油气田需求，开展套管损坏的预防和治理工作。“十四五”期间，开展国产高气密封特殊螺纹连接的套管开发也势在必行。

3.2 加强新产品、新技术研究，防治油气集输管网泄漏

油田集输管网是地表下最广泛的线性设施，更是油气输送的必经通道。集输管网由于里程长、数量大、分布广，往往因腐蚀、第三方破坏等原因，造成跑冒滴漏现象时有发生。针对该问题，管研院近几年开展了冶金复合管、环氧套筒、非金属管穿插、缓蚀剂、管网智能检测等新产品、新技术研究，并取得了初步成果。“十四五”将在上级和长庆、大庆、塔里木等油气田公司的支持下，进一步加大新技术、新产品推广应用力度，解决集输管网腐蚀、运行监测和快速修复难题，积极参加无泄漏示范区建设，提高油气田效益，避免环境事故。

3.3 应用基于风险的检测和故障诊断技术，解决炼化设施腐蚀与磨损

炼化设施和压力容器容易发生腐蚀、冲蚀和磨损，许多关键材料仍依赖进口。需要组织力量对炼化设施材料深入研究，延缓腐蚀和磨损，并实现国产化替代。在此基础上，推广应用基于风险的检测和故障诊断等技术，在保障安全的前提下，尽量延长设施的大修周期，提升炼化业务的效益。

3.4 以非金属管材为突破口，实现上下游一体化运作

2015年，管研院提出了加强上下游一体化运作、推动化工原料在油田集输管网中应用的建议。2017年，中石油设立了重点工业试验项目“油田用耐温聚乙烯管材新产品在长庆油田工业化试验”，由长庆油田、石化院、管研院、大庆石化、吉林石化等多家单位承担，目前已经开发成功了聚乙烯管材新产品，并在长庆油田铺设了12条管线(20.8公里)，管材性能稳定，运行状况良好。此工作推动了油气工业从聚乙烯开发生产、复合管制备到油田应用的全产业链、一体化运作，实现了效益最大化。“十四五”将深入开展橡塑原料和非金属管材的研究、开发和评价等工作，制定科学合理的标准体系，扩大橡塑管材的应用范围，实现在油气混输、天然气输送以及井下等多个领域的应用。

3.5 研究高钢级天然气管道焊接技术和检测技术，保证长输油气管道运行安全

截至2019年底，国内油气长输管道总里程达到13.9万公里[10]。根据中缅管道晴隆段两次事故以及其他的管道事故结果分析来看，环焊缝焊接质量和技术问题已成为影响高钢级天然气管道安全服役的主要问题。因此应继续针对高钢级管道环焊缝，系统开展强度匹配设计、钢管母材、焊接材料、焊接工艺、断裂控制、缺陷修复等方面的科研工作，攻克高性能焊机和焊接材料依赖进口、工艺质量不稳定、管道应力状态监测、焊接缺陷检测和容限评估技术难题，在高钢级管道建设和安全运行领域持续形成自主创新的领先科技成果，保障高钢级管道运行安全，保持领跑者之一的地位。

3.6 组织关键技术攻关，推动海洋石油装备材料国产化

我国海洋石油装备存在自主创新能力不足，关键核心材料研发滞后等问题[11]。水下井口、水下采油树、水下阀门等海洋钻采关键装备用马氏体不锈钢、超级奥氏体不锈钢、超级双相不锈钢、镍基和铁镍基合金等的加工制造技术不成熟，主要依靠进口。海洋柔性管主要由法国和美国的三家企业垄断，国内企业尚无生产能力。“十四五”将借鉴高钢级输送管国产化建立的“失效分析-标准化-科学研究-检测评价”应用支撑模式和“产学研用检”一体化开发机制，组织对海洋石油装备材料的国产化攻关，提升我国海洋石油装备材料的自主保障能力和整体水平。

4 着眼长远，超前布局人工智能、新能源及其新材料技术发展

以人工智能、大数据、云计算等为核心的数字化技术以及新能源、新材料等技术不断渗透到油气领域，各大油公司纷纷抢占能源技术进步先机，谋求新一轮科技革命和产业革命竞争制高点。

4.1 构建智能决策平台，实现石油管材及装备的失效控制、健康管理和预测性维护

管研院在多年工作中，积累了海量的石油管及装备材料、服役环境和失效特征等方面的数据和资料。上世纪90年代，“钻柱失效分析案例库和计算机辅助失效分析”成果获陕西省科技进步二等奖，是一次利用计算机技术提高失效预测预防水平的尝试，为人工智能技术在石油管及装备失效控制中的应用奠定了基础。人工智能应用于石油管材及装备全生命周期健康管理，建立实时诊断、智能决策的数字孪生体和失效分析与预测预警智慧化平台，可有效降低失效事故，保障油井管柱、钻采装备、地面管道及炼化设备的安全。

4.2 布局突破新能源发展中的材料应用关键技术，为新能源发展创造条件

氢气作为未来发展的清洁能源已成为共识，而氢的集输是关键瓶颈之一。国际能源署预测，在距离1 500千米以内，管道输送氢气是经济性选择。因此，开展高压氢气储运材料开发及应用技术、氢气管道建设和安全运行关键技术以及在役天然气管道混氢输送适用性研究尤为迫切。

为实现2030年前碳达峰，2060年碳中和的目标，中石油正在开展碳捕获、利用与封存技术(CCUS)攻关和现场试验，实现化石能源所产生CO2的埋存和有效利用，届时CO2高效集输将形成规模产业。而CO2集输存在腐蚀、泄漏和爆炸等安全风险，因此着眼CO2的规模应用，超前储备CO2安全集输关键技术十分必要，这也是石油管和装备材料领域的研究重点。

4.3 开展新型石油管及装备材料的研发及应用，抢占技术制高点

围绕“深、低、海、非”油气开发，钛合金、铝合金、镁合金以及碳纤维管材具有密度低、比强度高、耐腐蚀和抗疲劳等优点，有望成为超深井、水平井、大位移井等开发的利器；冶金结合双金属复合管、中低Cr耐蚀合金管、新型涂镀层管材、耐高温(耐温80 ℃以上)非金属及复合材料管材兼具良好的耐蚀性和经济性，这些产品的开发可推广应用于酸性油气田；3D打印(增材制造)、绿色再制造、高性能新型结构钢、先进复合材料等技术的快速发展，将为石油装备的轻量化、绿色化和智能化奠定基础。

针对天然气水合物开发，开发应用钛合金管材、新型表面涂层材料，解决大狗腿度通过以及水合物堵塞等瓶颈难题；针对煤炭地下气化，开发应用可燃套管和耐350 ℃高温腐蚀工具材料，解决套管变形、腐蚀穿孔、环空带压等气化炉完整性问题；地热开发方面，需要针对深层(大于5 000 m)、高温(大于450 ℃)环境，研发建立耐高温钻测工具及材料体系。这都是我们着眼于未来发展的研究方向和重点工作。

5 结束语

多年来，管研院一直致力于石油管及装备材料的科技创新，聚焦解决了油气田开发、炼油化工、管道储运、装备制造、新能源发展等领域的诸多共性、关键和瓶颈技术难题。当前国家大力实施创新驱动发展战略，面对我国石油管及装备材料发展中的新问题、新挑战，油气行业的石油管和装备材料领域科研机构应加强与国内外冶金企业、高等院校以及科研院所的合作，积极构建创新联合体，共同推动新材料、新技术在油气田开发、管道建设及运行、新能源利用等领域的创新发展，助力我国能源技术变革和升级，为制造强国建设和国家能源安全贡献科技力量，实现石油管和装备材料领域的科技自立自强和产业链供应链的自主可控。