石油焊管制造對鋼材要求及發展趨勢我國石油工業近期年需油井管200萬t，干線及支干線輸送管線鋼管160萬t。石油管工況條件惡劣，油氣輸送管輸送大量易燃易爆介質，承受幾十甚至上百個大氣壓的內壓；油管柱和套管柱通常要承受幾百甚至上千個大氣壓的內壓或外壓、幾百噸的拉伸載荷和井下高溫及嚴酷的腐蝕介質作用。石油管的性能和質量對石油工業的安全和發展關系重大。我國石油工業采用的鋼管中，絕大多數輸送鋼管是焊接鋼管；油井管中焊接鋼管僅占10，而世界發達國家油井管中焊管比例已達50。我國自西氣東輸工程開始在輸氣管線大量應用X70鋼級焊管；2005年建設了8km的X80鋼管應用段，2006年首次進行了國產X100直縫埋弧焊管研究。“十一五”期間，我國將建設西氣東輸二線和多條引進國外天然氣的跨國輸氣管道，耗鋼量超過1000萬t。這些管道的設計年輸氣量將從西氣東輸的120億m3/a增加到300億m3/a，鋼管外徑將達到12191422mm，最大壁厚可接近40mm。建設這樣巨大的國家能源命脈，對管線鋼管的強度、可焊性、斷裂韌性和抗腐蝕等性能和鋼管質量都有極為嚴格的要求，對冶煉、軋制、制管和管道建設工藝技術和裝備能力都是巨大的考驗。這對我國鋼鐵工業和制管工業既是難得的機遇，又是比西氣東輸工程更為嚴峻的挑戰。石油焊管制造對鋼板的性能要求1強度和鋼級1）高強度管線鋼的發展和應用為了經濟地將石油和天然氣從遙遠的油氣田輸送到使用地區，油氣長輸管線的工作壓力不斷提高。陸上天然氣管線的工作壓力已提高到15MPa以上，正在建設的墨西哥灣和北海海底輸氣管道的工作壓力達到25MPa；已開工的俄羅斯東西伯利亞太平洋輸油管道最高工作壓力達14MPa。西氣東輸管道建設以來，我國天然氣干線工作壓力從6.4MPa提高到10MPa，“十一五”期間將要建設的西氣東輸二線等天然氣長輸干線可能采用12MPa或更高的工作壓力。采用高鋼級管線管建造長距離管線有著顯著的經濟優勢。這些優勢來自于管線輸送效率的提高和材料成本的下降。較小直徑、薄壁厚的鋼管可以降低材料自身的總重量，并減少環焊材料的消耗。美國2005年建成的夏延輸氣管道是美國首條X80天然氣管道，也是世界上最長的X80輸氣管線，全長612km，干線鋼管外徑914mm，壁厚119mm，穿越段最大壁厚為172mm。美國在夏延管道順利建成的基礎上，又計劃建設更大規模的美國“西氣東輸”管線Rockies Express Pipeline。該管線是美國20年來修建的最大輸氣管線，采用X80鋼級鋼管，管徑1067mm，全長2130km，將于2007年開始建設，第一期工程（1142km）計劃于2008年建成投產，第二、三期工程將在2009年建成。X80將逐漸成為陸上天然氣高壓長輸管線的主流鋼級。更高強度的X100和X120級管線鋼已開發出來，并順利建成了一些試驗段。X90X120超高強度鋼級已列入API和ISO聯合編制的新的管線鋼標準，即將發布。世界上大多數國家均采用API5L或與其等效的管線鋼級，但俄羅斯的管線鋼級則有所不同，如已開工建設的俄羅斯東西伯利亞太平洋輸油管道設計鋼級為K60K70級。俄羅斯東西伯利亞太平洋輸油管道K70鋼級管線鋼管的屈服強度下限大大超過了API5LX80鋼級的下限，接近X90的屈服強度下限，而其抗拉強度下限也大大超過了API5LX80鋼級的下限，接近X90的抗拉強度下限，可視為X90鋼級在油氣管線的首次大規模應用。2）鋼板制管前后拉伸性能的變化屈服強度的變化。鋼板制管前后，由于包辛格效應和冷作硬化的綜合作用，焊管管體與板材的屈服強度產生了差異。這種差異與不同鋼種的組織、強度和綜合變形量（管徑、壁厚、擴徑率）以及成型方式有關，主要的差異是由于管體試樣壓平包辛格效應的影響。螺旋焊管一般不采用冷擴徑。由于管體矩形拉伸試樣壓平與成型卷曲時的變形和受力方向相反，因此，管體的屈服強度會降低，同時由于冷作硬化作用又會造成屈服強度上升，最終屈服強度的差異是這兩種因素綜合作用的結果，其程度與鋼級、管徑、厚度和組織相關。針狀鐵素體組織的鋼板包辛格效應較小，制管后管體屈服強度可能上升，但幅度不大。由于直縫埋弧焊管采用了約1的冷擴徑量，當采用UO成型時，擴徑與成型壓縮方向相反，管體的屈服強度略微上升；當采用JCO成型時，由于成型時鋼板沒有壓縮而是發生了延展，擴徑時再次拉伸，因此，管體的屈服強度上升較明顯。應該指出，采用管體母材屈服強度差異平均值評估鋼板制管前后屈服強度變化的方法是有缺欠的。更值得注意的是屈服強度低端和高端板材制管前后屈服強度的變化，而平均值可能掩蓋了這種變化，應分別統計屈服強度近低端和近高端板材制管時的變化值，留出適當余地，以保證鋼管最終屈服強度既不低于下限，又不超過上限。為了準確測定鋼管的屈服強度，應盡量減少試樣壓平的誤差。一些制管廠和研究機構還采用環脹裝置測定真實的管體屈服強度，或與靜水壓爆破試驗的管體測試屈服強度相比較，以修正和補償屈服強度測試造成的誤差。抗拉強度、屈強比和伸長率的變化。制管后管體板材抗拉強度也會發生類似變化，但相對屈服強度要小。螺旋焊管制管后一般屈強比下降，而直縫埋弧焊管屈強比上升。由于加工硬化，制管后鋼管的延伸率都出現了不同程度的下降。下降程度與加工硬化程度有關，其因素有制管工藝（如預彎、成型和機械擴徑等）、厚度、直徑和鋼級等。抗大變形鋼管與應變時效。近年來，高鋼級管線基于應變的設計是一個熱點。為了克服地震活動區和凍土地帶等條件對管線造成的大位移變形，保證管線的安全，要求鋼管有較大的抗大變形能力，日本JFE公司采用鋼板在線熱處理工藝開發了抗大變形鋼管。據稱此類鋼管具有圓屋頂狀的拉伸應力應變曲線、高均勻延伸率和低屈強比，可在較大的應變條件下安全工作。許多管廠對鋼管經過外防腐加熱所產生的力學性能變化進行了研究，發現了鋼管防腐處理時經過短時中頻加熱（溫度為230左右），其管體的拉伸曲線的形狀發生變化，屈服強度和屈強比有比較顯著的上升，這對基于應變的管線設計結果有很大影響，可能導致環焊的強度匹配從過匹配轉為欠匹配。據JFE公司的報導，抗大變形鋼管的應變時效較小。2鋼板與焊管的斷裂韌性1）夏比沖擊韌性由于加工硬化，制管后鋼管的夏比沖擊韌性與板材相比都出現了不同程度的下降。下降程度與加工硬化的程度有關，如機械擴徑等制管工藝、厚度、直徑和鋼級等。鋼板的夏比沖擊性能應留有適當的余地，以保證管體在管線最低工作溫度下的斷裂韌性。2）DWTT性能板材制管后，落錘撕裂（DWTT）試驗性能會發生比較顯著的變化。由于加工硬化，管體的DWTT剪切面積都出現了不同程度的下降。下降程度與加工硬化的程度有關，如機械擴徑等制管工藝、厚度、直徑和鋼級等。為此鋼板和鋼管采用不同的試驗溫度以保證管體DWTT性能。我國管線標準一般取鋼板試驗溫度比管體試驗溫度低10。在陜京二線厚規格（175mm）螺旋焊管的試制時，出現了卷板15DWTT試驗剪切面積合格，而管體5DWTT試驗剪切面積不合格的問題。表明變形量增加后，加工硬化程度加大，韌性損失增加。如果要保證卷板和鋼管的DWTT剪切面積要求相同，則試驗溫差要相應增加，如卷板厚度為175mm或鋼板的厚度為254mm時，鋼管與鋼板試驗溫度差值宜為15。厚規格高強度鋼板DWTT試驗還常常出現逆向異常斷口，造成試驗無效。為此制定了逆向異常斷口的評價方法，基本解決了這一問題。3鋼板與焊管的硬度由于加工硬化，制管后管體出現了不同程度的硬度上升。硬度上升的程度與加工硬化的程度有關，如：機械擴徑等制管工藝，同時硬度上升還與鋼板厚度、直徑和鋼級等因素有關。焊縫和熱影響區的硬度與焊管工藝（焊材及參數等）和鋼板的化學成分有關。一般焊接接頭硬度最大值和平均值比鋼板升高。為保證鋼管最高硬度不超過標準要求，板材硬度應比鋼管允許最高硬度低2030HV10。4組織和化學成分1）組織西氣東輸工程之前，我國油氣管線最高鋼級為X60，采用鐵素體少珠光體組織，自西氣東輸工程以來，針狀鐵素體組織在我國X70X80高鋼級管線獲得了廣泛的應用。墨西哥灣的卡特萊爾海底管線（X70）和美國夏延輸氣管線（X80）采用超低碳高鈮、以鉻代鉬和高溫軋制的工藝（HTP），同樣獲得了高性能的針狀鐵素體管線鋼，成為新一代高性能低成本管線鋼的范例。為了保證鋼管的抗酸性腐蝕性能，應控制硫含量低于0002，采用鈣處理改善硫化物的形態，減少C和Mn偏析，控制鋼管的硬度，要求HRC22，或HV260280。由于HTP鋼的C和Mn含量很低，減少了偏析的危險和帶狀組織的形成，對抗腐蝕十分有利。2）化學成分即使鋼級相同，也應考慮不同管型的制管工藝對板材的性能的不同要求。管線鋼的化學成分既要適應焊管制造中的自動焊和補焊工藝對焊接性能的要求，還要兼顧管道施工環縫對接焊的要求。螺旋埋弧焊管。螺旋焊管的壁厚介于ERW焊管和直縫埋弧焊管之間，采用單絲或雙絲埋弧焊接方式，少數特厚規格也采用內焊3絲，外焊雙絲的焊接工藝，線能量較低。要求卷板具有適當低的碳當量，適度減少C、S、P、N、H、O等有害元素，適當添加Mn、Si、Ti、Ni等有利于提高焊接性的元素。天然氣輸送用SSAW管化學成分的某些標準值和管廠期望值除了與鋼級有關外，化學成分還與板厚和輸送介質有關，原油和成品油相對天然氣可以放松一些。直縫埋弧焊管。直縫埋弧焊管的壁厚一般較大，采用4絲雙面埋弧焊接。因為要進行機械擴徑，使得管體和焊縫的韌性下降，管體的強度升高。因此更加要求鋼板的碳當量盡可能低，C、S、P、N、H、O等有害元素盡可能少，適當添加Mn、Si、Ti、Ni等有利于提高焊接性的元素。ERW管。ERW管與埋弧焊管的焊接方式有顯著的不同，采用的是無填充金屬的壓力焊接方式，焊縫中沒有填充其他成分，靠高頻電流的集膚效應和臨近效應，使板邊瞬間加熱到焊接溫度，由擠壓輥擠壓形成鍛造組織的焊縫。高質量的鋼管要求采用焊縫在線或離線熱處理，使焊區組織細化，優質ERW焊管的焊縫可以達到與母材相同的韌性水平，這是埋弧焊接工藝無法達到的。但是，由于焊接是在高速下瞬間完成，保證焊接質量的難度大大高于埋弧焊接方式。ERW焊管最危險的缺陷是由于冷焊和回流夾雜形成的灰斑缺陷。為了減少焊縫灰斑，保證焊縫的沖擊韌性，對母材的硫含量要求特別高，最好S0005，同時控制Si035，MnSi5。為滿足ERW油井套管的螺紋加工要求，要適度增加C。5制管用鋼板的幾何尺寸要求1）螺旋焊管螺旋焊管一般采用熱軋板卷為原料。按API5L要求，板寬范圍應是管徑的083倍。為了獲得良好的成型和焊接質量，板寬最好選擇在1324倍管徑。實際板寬要兼顧焊管的生產效率、質量以及鋼廠和制管廠設備能力。卷板切邊要去除34倍板厚的板邊，主要是獲得精確的板寬、減少月形彎和去除影響焊管質量的板邊夾雜物。去除量對成材率有影響，有些制管標準對此值提出限制，要求板邊加工去除量不小于板厚的15倍。近年來由于板卷質量的提高和銑邊工藝的采用，板邊去除量已減少到小于板厚。應加強板邊超聲波分層檢測，防止板邊分層對焊接的危害。未切邊板卷的寬度偏差通常為020mm。板卷展開的月形彎對焊管周長和錯邊質量有很大影響，通常要求不大于15mm10m。除考慮板厚偏差外，板厚控制還要考慮劃傷、壓坑和銹蝕的修磨量。板厚公差通常小于1mm。鋼卷重量越大對焊管生產的效率和質量越有利，但受設備能力限制。高質量要求的管線常要求切除丁字接頭，因此卷板的總長度直接影響焊管的平均長度和最小長度，嚴重影響大口徑厚壁焊管的生產成本。需要對板卷的總長度（總重量）進行控制，避免出現短管，這是螺旋焊管的特殊要求。2）直縫埋弧焊管板寬是按成品焊管的直徑、壁厚、擴徑率、成型塑性變形量、板邊加工量、鋼板的實際寬度和直度，兼顧材料消耗和板邊加工量對生產效率的影響確定的。去除715mm的板邊是兼顧加工出精確的板寬、直的板邊和滿足生產節拍的板邊加工量。消除板邊不直度，需要去除2倍板邊不直度的板邊。鋼板直度、平度、端頭切斜對焊管生產效率和質量都有影響，超過設備能力時，還會導致鋼板報廢。通常要求板寬偏差為010mm，直度小于等于10mm，平度小于等于10mm2m，端頭切斜小于等于5mm，長度偏差為0100mm。板厚控制除考慮板厚偏差外，還要考慮擴徑引起的減薄，劃傷、壓坑和銹蝕的修磨量。板厚公差通常小于1mm。3）ERW管ERW管使用的原料是卷板，但生產的是直縫焊管，因此，對板材的要求兼有上述兩種焊管的特點。其板寬是按成品焊管的直徑、壁厚、成型變形量和擠壓量、板邊加工量，兼顧材料消耗和板邊加工量對生產效率的影響確定的。壁厚較小時未切邊卷板需去除34倍板厚的板邊，以獲得精確的板寬和去除影響焊管質量的板邊夾雜物。去除量對成材率有影響。未切邊板寬偏差通常為020mm。月形彎對焊管周長和錯邊質量有影響。通常要求不大于15mm10m。板厚控制除考慮板厚偏差外，還要考慮劃傷、壓坑和銹蝕的修磨量。板厚公差通常小于1mm。鋼卷重量越大對焊管生產的效率和質量越有利，但受設備能力限制。6制管用鋼板的表面質量要求現代的油氣輸送鋼管均需進行精心的防腐涂層處理，輸氣鋼管往往還要求涂敷內減阻涂層，在涂層前需對鋼管進行內外拋丸處理，這對制管用板材的表面和近表面質量是一個嚴格的檢驗。西氣東輸鋼管生產初期，在內外拋丸后發現了重皮、折疊和表面凹坑和異物壓入等類型的缺陷，經過鋼廠的努力，已經有效地解決了這些問題，使鋼管的質量得到進一步提升。HTP鋼的制造工藝與傳統TMCP工藝不同，如何保證板材制造過程的表面質量是一個需要認真研究的新問題。鋼板的表面污染是另一類問題。油脂類污染會污染拋丸材料，降低涂層附著力，應防止鋼板在制造和運輸過程受到油脂類污染。用于彎管制造的板材還應避免銅、錫等低熔點金屬污染，防止彎管制造過程產生開裂。發展趨勢1螺旋埋弧焊管用板材目前國內已大批量生產1016mm螺旋焊管，采用板卷寬度一般為1550mm，厚度從146mm發展到153mm（X80）175mm（X70）。將要建設的西氣東輸二線和中俄、中哈等跨國輸氣管道干線設計輸氣量大，韌性要求高。目前已大批量使用的X70板材的韌性要求為CVN（20）單個最小140J、平均最小190J，今后X80管線可能要達到單個不小于150J、平均不小于200J。管徑可能為12191422mm，最大板寬可能達1800mm，但伴隨著大管徑而來的是大壁厚，即使1級地區用管的壁厚也在18mm左右。厚板卷的DWTT性能是否能夠滿足要求是其能否用于這些管線的關鍵指標，需要進行艱苦的攻關。2直縫埋弧焊管用板材1）輸氣干線鋼管目前國內已大批量生產的1016mm直縫埋弧焊管，采用板寬約為3100mm。厚度從175mm發展到184mm（X80）21mm（X70）以上，最大壁厚達到304mm。將要建設的西氣東輸二線和中俄、中哈等跨國輸氣管道干線直徑可能為12191422mm，最大板寬可能達4400mm。大壁厚鋼板的DWTT性能是否能夠滿足要求也是其能否用于這些管線的關鍵指標，也需要進行艱苦的攻關。目前已大批量使用的X70板材的韌性要求為CVN（20）單個最小140J、平均最小190J，今后X80管線可能要達到單個不小于150J，平均不小于200J。2）抗腐蝕管目前只有國際發達的少數國家的幾個管廠能夠生產抗酸性鋼管。主要是控制降低C004、S0002、P0010，低Mn，適度添加Ni022和Cu022，鈣化處理，CaS15，低硬度，250HV10，優化夾雜物15級和帶狀組織15級，裂紋敏感率（CSR）15，裂紋長度率（CLR）15，裂紋厚度率（CTR）5。3抗大變形焊管地震區和凍土帶地區的埋地管線管可能發生大的塑性變形。管線管需要更高的抗壓彎能力，高的縱向強度、均勻伸長率、形變強化指數和低的屈強比。管材屈服強度范圍的嚴格控制對保持環焊的過匹配同樣重要。目前只有少數發達國家的幾個管廠能夠生產。4超低碳高鈮HTP管線鋼板HTP管線鋼不僅減少了昂貴的Mo、V等元素的添加量，顯著降低了成本，而且對鋼管的防腐蝕性能、熱影響區性能和DWTT性能都有好處。但是HTP管線鋼還不為管道業主熟悉，最近建設的一些重要管道還沒有采用，如中石化最近建設的川滬輸氣管線和俄羅斯東西伯利亞太平洋輸油管線等都沒有采用HTP管線鋼。“十一五”期間，我國將建設西氣東輸二線等更大規模的輸氣干線，應超前進行HTP管線鋼的開發和應用研究。2006年，南鋼研制出CrNb微合金系無鉬成分的X80HTP熱軋鋼板，獲得了針狀鐵素體組織，帶狀組織為1級，晶粒度116級。巨龍鋼管公司采用這種鋼板進行了國內首次X80HTP直縫埋弧焊管試制，制成的鋼管性能全面滿足冀寧聯絡線X80級鋼管性能要求，證實了HTP管線鋼用于X80輸氣管線的技術可行性。5熱煨彎管母管用鋼材石油管道采用感應加熱彎管工藝制造大角度彎管。感應加熱彎管的工藝過程實際是淬火高溫回火。通過中頻加熱方法將鋼迅速加熱到Ac3以上，并通過短時保溫后迅速冷卻得到淬火組織，它的金相組織不可避免有所粗化，細晶強化效果減弱，降低終軋溫度獲得的大量位錯強化效果減弱。因此，要保證感應加熱彎管強韌性，需提高鋼的固溶強化和沉淀強化作用。感應加熱彎管用母管化學成分與直管化學成分不同。C是固溶強化作用最強的元素，過低的C使其固溶強化作用不足，導致彎管強度不足，C含量006009較合適。控制主要合金元素Mn、Mo、Ni和Nb成分也是非常關鍵的，它們在彎管煨制和回火提高鋼的強韌性作用有以下幾方面：一是提高鋼的淬透性；二是固溶強化作用；三是合金化合物的沉淀強化作用；四是細化晶粒作用。適當提高Mo和Ni含量，降低Mn含量以保證在低的Pcm和Ceq的基礎上保障感應加熱彎管強韌性指標。熱煨彎管母管用鋼板通常有兩種方案保持與直管的承載能力相同。一種是為補償熱煨過程中焊管強度降低和外側壁厚減薄增加鋼板厚度。另一種是用提高強度來補償。目前已大批量使用的熱煨彎管母管用X70鋼板厚度為304mm。今后發展趨勢可能是X70406mm，X80356mm和X100286mm。3ERW管用卷板澳大利亞大量采用X70鋼級中等口徑ERW管（508mm及以下）作為油氣輸送管，并建設了X80中等口徑ERW管。我國目前ERW輸送鋼管批量生產的最大管徑到了610mm，板寬為1935mm，已大批量使用的鋼級和壁厚為X60159mm，X65143mm。今后發展可能要達到X6020mm，X65184mm，X70175mm。目前已大批量使用的X60鋼級韌性達到單個最小45J、平均最小60J；X65級單個最小60J、平均最小90J。今后發展可能要達到X60單個最小90J、平均最小120J，X65單個最小120J、平均最小160J，X70單個最小140J、平均最小190J。目前只有少數發達國家的幾個管廠能夠生產抗腐蝕ERW管。主要是控制降低C004、S0002、P0010，適度添加Ni022和Cu022，低Mn，鈣化處理，CaS15，低硬度，250HV10，優化夾雜物15級和帶狀組織15級，裂紋敏感率（CSR）15，裂紋長度率（CLR）15，裂紋厚度率（CTR）5。ERW焊管的另一個重要用途是制造高性能油井管。我國目前只能生產J55級套管，大部分為油井表層套管，較高鋼級的套管如K55、N80已試制成功，但實際生產和應用很少，致使我國油井管用量中ERW油井管只占10左右，絕大部分還是使用無縫管。這種現象與國際上ERW油井管占50左右形成了強烈反差。近年來國際上大量采用連續管和可膨脹管作為小井眼鉆井和采油作業。連續管是一種特殊的小直徑ERW焊管，在分支井和小井眼鉆井方面有著廣泛的應用前景。采用連續管鉆井技術可以節約2540的鉆井成本，已在美國和加拿大得到廣泛應用。可膨脹套管也是一種特殊的ERW焊管，