长输油气管道用管线钢简述

长输油气管道用管线钢简述

张静 苏奎 刘佳南

中国石化管道储运有限公司 江苏徐州 221008

摘要:随着输油输气行业的迅速发展，管线钢作为主流用钢，其经济性、可靠性和稳定性越来越受到关注。本文从常用管线钢类型、发展历史、工程建设使用情况对管线钢的应用趋势进行了系统的分析；从管线钢的金属成分、力学性能、显微组织等方面对常用管线钢进行了对比分析，介绍了高强度管线钢的特点，并肯定了其未来广阔的发展前景。

关键词:管线钢；超高强度；发展趋势

1管线钢的分类

目前国内长输管道采用的钢管类型主要有无缝钢管、直缝电阻焊钢管、直缝埋弧焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管等几种^[1]。钢管类型和材质一般根据使用压力、温度、介质特征、适用地区等因素，经技术经济比较后确定。

无缝钢管承压高、外防腐层质量易于保证，但是椭圆度大，生产成本较高。直缝电阻焊钢管在寒冷的环境中仍能够承受较高的压力，苏联在西伯利亚的天然气输送中，采用直缝电阻焊钢管，输送压力高达9.8Mpa。

螺旋缝埋弧焊钢管是将钢带按一定螺旋线的角度（成型角）卷制，钢管直径大、价格便宜，缺点是边成型边焊接，易产生缺陷，与相同长度的直缝焊管相比，焊缝长度增加30--100%。直逢埋弧焊钢管采用JCO或者UO成型方法卷制，焊缝长度相对较短、整体扩径后残余应力小，缺点是价格高。一般地段管材采用螺旋缝埋弧焊钢管，在维修困难地段、热煨弯头、穿跨越段根据应力核算采用直缝埋弧焊钢管。

2为什么采用高等级钢

2.1建设需求

截至2018年底，国内三大石油公司共有油气主干管道9.6万公里。2018年我国天然气消费同比增长了18%（约增长400亿立方米），而新建成油气管道总里程只有2863千米，同比大幅放缓。从运输能力与消费量的比重看，我国天然气管道密度为19.97千米/亿立方米，世界平均水平为33.73千米/亿立方米。随着国民经济发展和环保要求提高，再加上“十四五”管网规划的要求，需要短期内建设更多的管道以提高输送量。

2.2提高输送量的手段

目前提高输送量主要有三种方案：一是增加输送距离，我国油气资源资源60%集中在偏远地区或从中亚和俄罗斯进口，长距离输送必将成为我国油气管道建设的发展趋势；二是增大管径，由于钢管是由钢板或钢带卷制而成，受到钢板和钢带的尺寸限制，管径的增大幅度受到限制；三是提高输送压力，目前新建设管道的设计压力逐年上升。提高压力可通过增加管线壁厚或提高钢材强度，以及通过两者的合理匹配来实现。

钢管因其用量大，在管道工程材料设备费中要占半数以上，尤其是近几年钢材价格持续飞涨，钢管所占投资比重还将上升。同等管径条件下，增加壁厚将导致建设成本增加，如图1所示。

图1 壁厚变化对管道建设投资费用的影响

壁厚不变，提高钢管的性能，则可以显著的降低建设成本。根据测算，使用X100级别管线钢比使用X70级别管线钢节约投资费用30%。

2.3高级别管线钢特点

2.3.1性能特点

长输管道工作环境恶劣，线路长不易维护，对管线钢的质量要求越来越严格。从油气输送管道的发展趋势、管线铺设条件、主要失效形式和失效原因综合评价看，不仅要求管线钢有良好的力学性能（厚壁、高强度、高韧性、耐磨性），还应具有大口径、可焊接性、耐严寒低温性、耐腐蚀性（CO2）、抗海水和HIC、SSCC性能等。

2.3.2成分控制措施

碳是增加钢的强度的有效元素，但是它对钢的韧性、塑性和焊接性有负面影响。降低含碳量后通过添加锰、铌、钛、钒、钼等微量元素来保证钢的强度。添加微量钛Ti可抑制焊接影响区韧性的下降，达到改善焊接性能的目的。加入适量的铜可以显著改善管线钢抗HIC的能力，有效地防止氢原子渗入钢中，平均裂纹长度明显减少。加入适量的钼能在极低的碳含量下得到很高的强度。

2.3.3典型钢级的显微组织组织

钢的各种强化手段中，晶粒细化是唯一能够既提高强度又提高韧性的。铁素体/珠光体钢和铁素体/针状铁素体钢是目前世界范围内API标准管线钢商业化生产的两种基本组织类型^[5]，近年来发展的高钢级管线钢X100、X120又出现了第三种组织类型，这种组织是在针状铁素体基体上，含有少量马氏体与其它形式的贝氏体组织而构成^[4]。从珠光体、铁素体，到针状铁素体、马氏体、贝氏体，晶粒组织的显著变化对钢材性能产生了巨大的影响，典型钢级的显微组织组织如图2所示：

铁素体/珠光体钢 铁素体/针状铁素体 针状铁素体/马氏体/贝氏体

图2 典型钢级的显微组织组织

3管线钢级的标准与性能

3.1常用标准

目前，石油天然气工业中输送钢管订货技术条件的制定主要依据API Spec 5L、ISO 3183和GB/T 9711进行。3个标准同时存在，也同时有效，彼此间既有联系，又有区别。

管线钢钢级一般用字母+规定最低屈服强度值表示。根据使用的屈服强度单位不同，有两种表示方法，以L开头的钢级牌号采用国际单位Mpa，例如L450，以X开头的钢级牌号采用英制单位Kpsi，例如X65，相同级别的管线钢两者屈服强度相等。

3.2常用管线钢性能对比

常用管线钢力学性能指标，管线钢的屈服强度随着钢级的增加而增加，X80钢的屈服强度是X46钢的1.73倍。

4结束语

在过去的10年里，管线钢向更高的强度、良好的抗止裂性能、抗氢致裂纹能力、良好的焊接和成形性能等发展。如在各种设计温度条件下具有优异韧性的X70、X80，甚至X100更高级别的管线钢等。

目前世界范围内石油和天然气的开发还在继续，由此带动了管线产业的蓬勃发展。而由于增加内径、提高管线的长度与输送压力具有安全便捷、成本低等优势。因此，使用高等级管线用钢已成为发展趋势^[7]。

参考文献

[1] 张振永.长输油气管道的钢管设计选用[J].焊管，2006（3）：56-58.

[2] 孙永喜.ERW钢管在长输管道建设中的应用.油气储运，2001（4）：10-14.

[3] 孙决定.我国管线钢生产现状概述[J].鞍钢技术，2006（6）：10-13.

[4] CITIC-CBMM中信微合金化技术中心.2006年石油天然气管道工程技术及微合金化钢国际研讨会论文集[M].北京：冶金工业出版社，2007，352.

[5] 陈曦.管线钢综述[J].福建质量管理，2019（9）：110.

[6] 李晓旭，孙礼，杜健，等.X系列管线钢的力学性能和显微组织比较[J].管道技术与设备，2015(5):48-51.

[7] 刘西畅,陈震,李喜庆,等.超高强度管线钢的研究现状与展望[J].科学与财富，2018（08）：25.