国内外高等级管线钢管研发应用现状

蔡 亮 王风雷 左松奇 孙大为

（1. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；2. 中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；3. 国家管网集团山东天然气管道有限公司，山东 济南 250000；4. 中国人民解放军32723部队，河北 承德 067400）

0 引言

随着极地、高寒和非常规油气资源勘探开发，恶劣环境条件给新建管道建设提出更高要求。大口径、高压力、高钢级成为长输管道发展方向[1]。2007年第44版美国石油协会标准API Spec 5L《管线钢管规范》新增X90/X100/X120超高强度钢管。与国际先进水平相比，我国高等级管线钢管在制造质量和性能稳定性存在差距，高等级钢管可焊接性和止裂韧性是需解决的瓶颈问题。总结国内外X80管线钢管关键技术和应用实践。阐述X90/X100/X120超高强度钢管研究进展。针对进一步提升高等级管线钢管材性能，提出了合理化建议。

1 国内外X80管线钢管工程应用现状

X 8 0钢管在世界上获得广泛应用。加拿大TransCanada管道是X80管线钢管的典型案例，并将X80作为新建输气管道的首选钢级。2004年美国Cheyenne Plains管道首次采用X80螺旋埋弧焊钢管，管径914mm、壁厚11.74/16.94mm、长度608km。俄罗斯巴甫年科沃-乌恰管道钢级K65（相当于X80），采用并行敷设，管径1420mm、设计压力11.8MPa、长度1106km、壁厚23.0mm/27.7mm/33.4mm。国外已建成X80管线钢管的长输管道约8000km。

我国建成X80管线钢管长输管道17000km，包括西气东输二线2012年、西气东输三线2014年、中亚C线2014年、陕京四线2017年、中缅输气管道2014年和中俄东线2019年。

（1）西气东输二线。西气东输二线设计压力12MPa，形成多项X80管线钢管工程应用关键技术：在国际上首次开展X80螺旋埋弧焊管全尺寸爆破试验；制定了西气东输二线管材、管件和弯管标准（螺旋埋弧焊钢管壁厚18.4mm、直缝埋弧焊钢管壁厚26.4mm，弯管壁厚32mm）；采用直缝埋弧焊管基于应变设计方法，促进大应变钢管在地震高发区的应用；

（2）中俄东线。中俄东线是我国输气量最大的管道工程，设计输量380×108m3、设计压力12MPa、管径1422mm，黑河-长岭段737km在高寒冻土区敷设，冬季最低温度-48℃。中石油开展第三代管线钢管应用关键技术研究，在国际上首次开展钢级X80、管径1422mm、设计压力12MPa的天然气管道全尺寸爆破试验，形成钢级X80管道断裂控制技术；制定钢级X80、管径1422mm管材及管件标准（螺旋埋弧焊管壁厚21.4mm、直缝埋弧焊管壁厚25.7/30.8mm）；制定钢级X80、管径1422mm管道焊接技术规范；研发钢级X80、管径1422mm管道施工的配套对口器、坡口机、内/外焊机、机械化补口机等，实现大口径高压输气管道自动化焊接。

2 X80管线钢管关键技术

从2000年开始我国X80管线钢管研发取得积极进展，取得X80管线钢管在组织分析评定、强度试验方法、屈强比控制、断裂与变形控制等关键技术成果，X80管线钢管工程应用处于国际先进水平。我国X80管线钢管生产采用TMCP技术，控制轧制温度、轧制后冷却速度、冷却初始温度和终止温度，调整管材奥氏体组织形态、分布和相变过程，保证管材力学性能。根据国内外全尺寸输气管道爆破试验数据库、Battelle双曲线模型，提出了中俄东线X80管线钢管止裂韧性指标，提出基于管道能量释放率及流变应力修正的止裂预测模型TGRC-1和基于落锤撕裂能量的止裂预测模型TGRC-2。研究了提高强度设计系数对管道安全性及失效风险的影响。确定了0.8设计系数条件下管材关键指标及质量控制要求，制定了西气东输三线0.8设计系数下X80螺旋缝埋弧焊管技术规格书。

3 超高强度钢管研究进展

采用高强钢可以减少管道壁厚，显著降低管道建设投资成本。新日本制铁公司NSC、日本JFE钢铁株式会社和欧洲钢管公司Europipe已研发X100、X120钢管，如表1所示。表1给出了典型高强度钢管力学性能参数。

表1 典型高强度钢管力学性能

（1）欧洲钢管公司Europipe。Europipe通过控制碳当量、碳含量及冷却速率、终冷温度，形成X100管线钢管成分设计。Europipe采用UOE成型、直缝埋弧焊的工艺流制造大口径管线钢管，拥有60000t的O成型，以及11000t预弯机，可对壁厚50mm钢板进行弯边；

（2）新日本制铁公司NSC。NSC核心技术是热影响区（HAZ）细晶粒超高强韧技术，X100管线钢管具备高HAZ韧性和高均匀延伸率。X120管线钢管采用低碳-高锰-钼-铌-钛-硼的成分设计，细晶贝氏体为主的组织结构，具有良好低温韧性和可焊性；

（3）日本JFE钢铁株式会社。JFE在高等级管线钢管进展有以下方面：

a）采用低碳当量、热轧、急冷控制和电焊钢管工艺，实现良好低温韧性X80管线钢管生产；

b）采用加速冷却和在线热处理的制造工艺，研发耐应变时效硬化的X100大变形管线钢管；

c）采用控轧、快速冷却以及冷却后立即在线热处理的工艺技术，研发铁素体-贝氏体双相组织的X120超高强度管线钢管；

（4）国内钢管企业。2010年华油、宝鸡钢管公司已研制X100直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管，巨龙钢管公司采用宝钢研制的X120钢板研制出管径914mm、壁厚16mm直缝埋弧焊管。从2012年中石油组织X90钢管试制试验。我国X90/X100/X120超高强度钢管的技术水平与世界先进水平仍存在差距，例如屈服强度、低温韧性等。

国外还没有X90管线钢管工程应用，欧洲钢管公司进行2次X90全尺寸爆破试验。2014年中石油进行X90直缝埋弧焊管的全尺寸爆破试验。X100管线钢管处于验证阶段，2001年英国BP公司、新日本制铁公司NSC和欧洲钢管公司在美国阿拉斯加气田管道中采用X100管线钢管。2006年加拿大TranCanada公司使用日本JFE公司X100管线钢管建成3条管道试验段。X120管线钢管研究进展缓慢，仅2004年埃克森美孚公司与加拿大TranCanada公司在加拿大-30℃冻土区建成世界上唯一的X120管线钢管输气管道试验段。

表2 大应变钢管力学性能

4 低温环境用钢管

我国在高寒冻土区建设投产中俄原油管道和中俄东线天然气管道，管道低温脆断问题引起关注，并研发低温环境用高强度钢管。针对低温环境钢管的断裂韧性指标，存在较大争议，GB/T 9711-2017《管线输送系统用钢管》（采标ISO 3183和API Spec 5L）规定夏比V型缺口CVN冲击试验温度为0℃，或如果协议可采用较低温度。俄罗斯OJSC公司技术规程STT-08.00-60.30.00-KNT-013-1-05规定操作压力为14MPa的X70和X80钢管CVN试验条件为-40℃，焊缝和热影响区CVN试验温度为管道正常运行温度，但不高于-10℃。美国标准ASME B31.8-2017《输气和配气管道系统》规定管道运行环境温度低于-45℃，DWTT和CVN试验温度为管道服役预期最低温度。应研究管道DWTT和CVN试验温度选定依据。

5 大应变钢管

我国西气东输二线、三线管道沿线有22条活动断层，其中峰值加速度0.3g的强震区地段约96km。地震多发区管道设计应进行应变控制，管道极限屈曲应变应大于地震或地质灾害预期造成的管道最大应变。大应变钢管具有较低屈强比、高韧性的特点，我国中缅油气管道采用了国产X70大应变钢管。大应变钢管制造工艺采用双相钢方法，代表性的大应变钢管是日本JFE钢铁株式会社和新日本制铁株式会社的 TOUGH-ACE。欧洲钢管公司Europipe研发了 X100大应变钢管，应用于North Central Corridor管道。

6 结语

随着极地、高寒区管道建设，管道运行环境条件更为苛刻。我国高性能钢管在制造质量方面，与国际先进水平存在差距。为提高管道输送效率、降低投资成本，应加强高性能油气输送钢管研究及应用，应重点解决的问题是极低温度下管道止裂韧性，通过地震/地质灾害易发区管道应变能力，高强度管线钢管可焊接性等，建立X90管线钢管应用配套技术体系。