我國高鋼級(jí)、大直徑油氣輸送直縫埋弧焊管研究進(jìn)展

陳小偉，王旭，李國鵬，肖福仁

我國高鋼級(jí)、大直徑油氣輸送直縫埋弧焊管研究進(jìn)展

陳小偉1，王旭2，李國鵬2，肖福仁3

（1.巨龍鋼管有限公司，河北青縣062658；2.渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津300457；3.燕山大學(xué)，河北秦皇島066004）

簡要回顧了我國X80鋼級(jí)管線鋼及其Ф1 219 mm直縫埋弧焊管的研制歷程及成就，介紹了X90/ X100高強(qiáng)度直縫埋弧焊管以及X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管等的研制進(jìn)展情況，分析了X90/X100直縫埋弧焊管和X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的技術(shù)成熟度及存在的問題等。

直縫埋弧焊管；油氣輸送；高鋼級(jí)；大直徑；韌性；環(huán)焊

2010—2014年我國天然氣消費(fèi)量年均增長為15.8%；2015年我國天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)1 900億m3；預(yù)計(jì)到2020年，我國天然氣消費(fèi)需求將突破3 000億m3。我國大約60%的天然氣資源集中在西部地區(qū)，主要是塔里木天然氣和新疆煤制氣；進(jìn)口天然氣包括中亞天然氣和俄羅斯西西伯利亞天然氣等。上述天然氣資源均需要通過管道實(shí)現(xiàn)輸送。

我國天然氣管道工程技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了以陜京一線管道工程為代表的第一代（鋼級(jí)低于X65，管徑1 000 mm以下，壓力不大于6.4 MPa，年輸量100億m3以下），以西氣東輸一線/二線管道工程為代表的第二代（鋼級(jí)X70/X80，管徑1 000～1 200 mm，壓力10～12 MPa，年輸量100～300億m3）。隨著對(duì)天然氣資源的巨大需求，第二代天然氣管道工程技術(shù)已經(jīng)不能滿足超大輸量的需求，建設(shè)年輸量450～500億m3的第三代天然氣管道（采用X90/X100鋼級(jí)焊管，或X80鋼級(jí)Ф1 422 mm焊管，壓力大于12 MPa）已成為迫切要求。采用高鋼級(jí)、大直徑、厚壁焊管進(jìn)行高壓大輸量長距離輸送必將成為我國天然氣管道輸送的發(fā)展趨勢(shì)［1－3］。

提高管道輸量、降低建設(shè)成本的途徑有：

（1）提高焊管鋼級(jí)，這是提高管道輸量、降低建設(shè)成本最重要的途徑。據(jù)測(cè)算，在管線的直徑和壓力確定后，鋼級(jí)每提高一個(gè)等級(jí)，用鋼量可以減少8%～12%。以西氣東輸二線管道工程為例，共使用X80鋼級(jí)焊管約280萬t，比X70鋼級(jí)節(jié)約鋼材40萬t；如果采用X90鋼級(jí)焊管，則可節(jié)省鋼材近30萬t，降低經(jīng)濟(jì)成本20億元以上；如采用X100鋼級(jí)焊管，將降低經(jīng)濟(jì)成本達(dá)40億元。

（2）增大焊管直徑。在鋼級(jí)不變的情況下，增大焊管直徑也是提高輸量、降低建設(shè)成本的重要途徑。建設(shè)2條Ф1 422 mm管道比3條Ф1 219 mm管道的經(jīng)濟(jì)性以及今后管道的運(yùn)營管理都要好。

（3）提高設(shè)計(jì)系數(shù)。在相同材質(zhì)和管徑的條件下，保證輸氣壓力即輸量不變的前提下，可以通過減小焊管壁厚來減少用鋼量。根據(jù)計(jì)算，一級(jí)地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)如果從0.72提高到0.80，則管道壁厚可以減小約10%。以西氣東輸二線管道工程為例，其一類地區(qū)管材用量大約為195萬t，如果將設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高到0.80，則節(jié)約用鋼量約19萬t，即便考慮到在較高強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)下焊管技術(shù)條件較為嚴(yán)格，其生產(chǎn)成本會(huì)有所增加的因素，也會(huì)節(jié)約建設(shè)成本至少15億元以上。另外，由于焊管壁厚減薄，現(xiàn)場施工焊接量減少，工程費(fèi)用也將降低。

1 X80鋼級(jí)Ф1 219 mm直縫埋弧焊管的開發(fā)

我國X80鋼級(jí)管線鋼及鋼管研制開發(fā)較晚，但進(jìn)步快。2004年，巨龍鋼管有限公司（簡稱巨龍鋼管）聯(lián)合鞍山鋼鐵集團(tuán)公司（簡稱鞍鋼）在國內(nèi)首次成功開發(fā)出X80鋼級(jí)厚度18.4 mm寬厚板以及Ф1 016 mm直縫埋弧焊管，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)并應(yīng)用于我國首個(gè)X80鋼級(jí)試驗(yàn)段項(xiàng)目——西氣東輸管道工程冀寧聯(lián)絡(luò)線［4］。

1.1 22 mm壁厚直縫埋弧焊管的開發(fā)

我國在成功實(shí)現(xiàn)西氣東輸X70鋼級(jí)管道國產(chǎn)化以及X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管試驗(yàn)段的基礎(chǔ)上，規(guī)劃西氣東輸二線管道工程干線全線采用X80鋼級(jí)Φ1 219 mm直縫埋弧焊管，這在全世界也屬首例，加速了我國X80鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管的研制應(yīng)用進(jìn)程。

自2006年開始，寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）、鞍鋼、首鋼集團(tuán)、江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司（簡稱沙鋼）等鋼廠開始了X80鋼級(jí)鋼板的工業(yè)級(jí)研發(fā)制造，并由巨龍鋼管進(jìn)行X80鋼級(jí)Ф1 219 mm直縫埋弧焊管的制造。由于沒有經(jīng)驗(yàn)可依，X80鋼級(jí)鋼板的開發(fā)從一開始就在成分設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)了不同技術(shù)路線。在成分設(shè)計(jì)方面主要有3種體系：

（1）傳統(tǒng)的Mn－Mo－Cr強(qiáng)化合金設(shè)計(jì)，w（Mo）、w（Cr）均在0.2%左右，w（Nb）低于0.06%；

（2）Mn－Mo－Cr及高Nb合金設(shè)計(jì)，主要特點(diǎn)是w（Mo）在0.1%左右，w（Nb）在0.06%～0.11%；

（3）高Nb無Mo的合金設(shè)計(jì)，主要特點(diǎn)是不添加Mo，w（Cr）∧0.2%，w（Nb）在0.06%～0.11%。

在生產(chǎn)制造西氣東輸二線管道工程用X80鋼級(jí)鋼板的過程中，首次引入高Nb鋼的概念，Q/SY GJX 0104—2007《西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中也對(duì)其w（Nb）做了相應(yīng)修改，上限由原來的0.06%提高到了0.11%［5］。

X80鋼級(jí)鋼板的金相組織主要為兩種：一種是細(xì)針狀鐵素體組織，另一種是粒狀貝氏體組織；這兩類組織都被統(tǒng)稱為針狀鐵素體型組織。

在研制開發(fā)X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管的過程中，鋼廠和管廠投入了巨大的人力物力，并進(jìn)行了大量的板－管一體化研究工作［6］。文獻(xiàn)［7］研究了拉伸試樣形式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律，提出X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用圓棒試樣。文獻(xiàn)［8］系統(tǒng)研究了各種組織性能的X80鋼級(jí)鋼板經(jīng)制管后性能的變化規(guī)律，認(rèn)為X80鋼級(jí)鋼板在制管過程中加工硬化趨勢(shì)明顯，屈服強(qiáng)度增大甚至達(dá)100 MPa以上，并有針對(duì)性地提出鋼板性能要求。此外，文獻(xiàn)［9－12］分析了影響X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管加工硬化程度的主要因素，研究了Mo、Cr和Nb等合金元素對(duì)焊接性能的影響規(guī)律，焊接熱影響區(qū)組織性能及其影響規(guī)律等。文獻(xiàn)［9－12］認(rèn)為，顯微組織是影響X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管加工硬化的第一因素。

通過大量工作和巨大的投入，每家鋼廠均提供了不少于兩批鋼板進(jìn)行X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管的試制，逐步穩(wěn)定了鋼板的性能；同時(shí)制管工藝也得到了優(yōu)化和完善。

2008年年初，巨龍鋼管聯(lián)合國內(nèi)主要鋼廠完成了X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管千噸級(jí)試制，并通過了中國石油天然氣集團(tuán)公司（簡稱中石油）和中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，隨即轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)供貨［13］。與此同時(shí)，X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×22/26.4/32 mm彎管母管和熱煨彎管也被開發(fā)成功并為工程供貨，解決了西氣東輸二線管道工程用彎管的供貨問題。

1.2 26.4 mm及以上壁厚直縫埋弧焊管的開發(fā)

盡管在X80鋼級(jí)鋼板及Ф1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管開發(fā)中也進(jìn)行了26.4 mm厚鋼板及其焊管的試制，但出現(xiàn)了DWTT剪切面積百分比不足的問題，仍需從成分設(shè)計(jì)和軋制冷卻工藝等方面進(jìn)行全面改進(jìn)優(yōu)化。

2009年，26.4 mm厚鋼板的DWTT性能獲得突破，隨后成功開發(fā)了X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×26.4 mm直縫埋弧焊管，并將其應(yīng)用于西氣東輸二線及三線管道工程中。

2012年，針對(duì)中亞天然氣管道C線的需求，巨龍鋼管與沙鋼合作，開發(fā)出了X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×27 mm直縫埋弧焊管，其在0℃條件下的DWTT剪切面積百分比達(dá)到不低于85%的要求。

2014年，針對(duì)規(guī)劃的西氣東輸三線中段、陜京四線和新粵浙等管道工程提出X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×33 mm直縫埋弧焊管的需求，巨龍鋼管聯(lián)合國內(nèi)鋼廠進(jìn)行該產(chǎn)品的開發(fā)。而對(duì)于33 mm厚鋼板的開發(fā)，關(guān)鍵是解決其DWTT性能問題。通過合金強(qiáng)化可確保33 mm厚鋼板強(qiáng)度要求，但添加合金會(huì)增加組織中淬硬組織尤其是馬奧島（MA島），這對(duì)DWTT性能不利，這也是前期大板厚鋼板開發(fā)面臨的突出矛盾。因此，X80鋼級(jí)33 mm厚鋼板采用了較低的合金含量，不含Mo或w（Mo）∧0.1%，通過軋制細(xì)化一次組織，在確保鋼板強(qiáng)度的基礎(chǔ)上獲得了優(yōu)良的DWTT性能，其在0℃條件下的DWTT剪切面積百分比∧85%。

在X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×33 mm直縫埋弧焊管的焊接方面，針對(duì)低合金含量、大熱輸入條件下焊接影響區(qū)軟化及厚壁直縫埋弧焊管焊縫缺陷控制難題，開發(fā)出了低合金厚壁直縫埋弧焊管焊接技術(shù)。2014年年底到2015年年初，國內(nèi)多個(gè)鋼廠成功開發(fā)出X80鋼級(jí)33 mm厚鋼板，并由巨龍鋼管、南京巨龍鋼管有限公司（簡稱南京巨龍）和中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司（簡稱中油寶世順）完成了X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×33 mm直縫埋弧焊管的千噸級(jí)試制，其性能完全達(dá)到CDP－S－NGP－PL－006－2014－3《天然氣管道工程用鋼管技術(shù)規(guī)格書》要求［14－15］。

針對(duì)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)地區(qū)所需的大應(yīng)變直縫埋弧焊管，國內(nèi)在2011年成功開發(fā)出基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)地區(qū)用X70鋼級(jí)大應(yīng)變直縫埋弧焊管［16］；并在此基礎(chǔ)上，巨龍鋼管、中油寶世順聯(lián)合鞍鋼、沙鋼等，于2012年成功開發(fā)出X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×26.4 mm大應(yīng)變直縫埋弧焊管，完成了千噸級(jí)試制，并通過了中石油組織的專家鑒定，產(chǎn)品各項(xiàng)性能達(dá)到了Q/SY GJX 118—2012《X80天燃?xì)夤艿拦こ袒趹?yīng)變?cè)O(shè)計(jì)地區(qū)用直縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求［17］。

我國已在西氣東輸二線、西氣東輸三線、中衛(wèi)—貴州天然氣管線、中緬管線和中亞天然氣管道C線等管道項(xiàng)目中大量應(yīng)用X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管，且管道項(xiàng)目所需直縫埋弧焊管產(chǎn)品已經(jīng)能夠全部自主生產(chǎn)。

2 X90/X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管的開發(fā)

2.1 X100鋼級(jí)鋼及其直縫埋弧焊管的開發(fā)

國際上，X100鋼級(jí)與X80鋼級(jí)的開發(fā)幾乎是同時(shí)開始的，但研制及應(yīng)用結(jié)果卻大相徑庭。X80鋼級(jí)管道在20世紀(jì)就已經(jīng)開始鋪設(shè)，而X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管管道至今仍停留在試驗(yàn)階段。加拿大TransCanada公司是高鋼級(jí)管線鋼應(yīng)用的主要推動(dòng)者，先后與日本JFE、新日鐵、住友及歐洲鋼管、英國石油（BP）公司等合作，進(jìn)行了X100鋼級(jí)焊管的研究與開發(fā)，并在21世紀(jì)初鋪設(shè)了數(shù)條X100鋼級(jí)焊管試驗(yàn)段，主要采用直縫埋弧焊管，也有少量的螺旋縫焊管。

我國高鋼級(jí)管線鋼及直縫埋弧焊管的研制開發(fā)起步較晚，X100鋼級(jí)管線鋼的研制始于2006年，幾乎與X80鋼級(jí)管線鋼的研制同步，到目前為止大致經(jīng)歷了3個(gè)階段。

（1）第一階段。2006—2007年，在西氣東輸管道工程用X70鋼級(jí)管線鋼成功開發(fā)所積累的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)主要鋼廠在開發(fā)X80鋼級(jí)管線鋼的同時(shí)，在開發(fā)X100鋼級(jí)方面也躍躍欲試。鞍鋼、寶鋼股份和南京鋼鐵集團(tuán)有限公司（簡稱南鋼）等率先進(jìn)行了X100鋼級(jí)寬厚板的開發(fā)，巨龍鋼管開展了X100鋼級(jí)管線鋼的JCOE制管工藝技術(shù)研究，進(jìn)行了X100鋼級(jí)Ф813 mm×12.5/14.3/ 16 mm等規(guī)格直縫埋弧焊管的試制，試制過程中同時(shí)進(jìn)行了焊接材料以及焊接工藝的相關(guān)試驗(yàn)，并取得了一些的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)［18－19］。

盡管各鋼廠對(duì)X100鋼級(jí)管線鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)各有不同，但均采用了低碳以及Mn－Mo－Cr－Ni－Cu的合金體系：w（C）控制在0.6%左右，碳當(dāng)量Ceq根據(jù)壁厚控制在0.46%～0.56%；顯微組織主要由針狀鐵素體和板條狀貝氏體構(gòu)成。各廠家產(chǎn)品以及試制直縫埋弧焊管的性能水平也參差不齊，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度偏低或者屈強(qiáng)比偏高，－20℃時(shí)管體的夏比沖擊功最大可達(dá)到200 J以上，但由于沒有具體的項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)可參考，無法說明是否能夠滿足要求。在焊接方面，通過焊接材料的匹配試驗(yàn)以及焊接工藝試驗(yàn)，能夠基本實(shí)現(xiàn)焊接接頭的強(qiáng)度以及焊縫、熱影響區(qū)的韌性達(dá)到API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）第二階段。在西氣東輸二線管道工程用X80鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管成功開發(fā)后，中石油設(shè)立了研制X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管的相關(guān)課題，推進(jìn)了X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研發(fā)制造。2010—2011年，國內(nèi)多個(gè)廠家又進(jìn)行了X100鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管的多次試制，試制產(chǎn)品的直徑和壁厚也進(jìn)一步增加，主要是Ф1 016 mm× 14.3～21.0 mm。

與X80鋼級(jí)管線鋼相比，X100鋼級(jí)管線鋼在化學(xué)成分體系方面基本沒有變化，但在鋼板壁厚增加的情況下合金含量稍有降低，這得益于控制軋制和加速冷卻工藝的進(jìn)步和成熟。盡管有些X100鋼級(jí)鋼板的強(qiáng)度仍出現(xiàn)偏低的情況，但從整體上看，獲得滿足X100鋼級(jí)的強(qiáng)度已經(jīng)不是實(shí)質(zhì)性難題，甚至有些直縫埋弧焊管的強(qiáng)度接近X120鋼級(jí)的水平。大部分X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管母材的夏比沖擊功可達(dá)到250 J以上，但仍有部分母材沖擊功偏小。由于試制直縫埋弧焊管的壁厚較薄，因此DWTT性能基本沒有問題。

第一階段與第二階段的開發(fā)主要還是基于基礎(chǔ)研究和可行性研究，而且都是寬厚板以及直縫埋弧焊管的開發(fā)，主要參考了API Spec 5L《管線鋼管》標(biāo)準(zhǔn)和加拿大CSA Z245.1規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)中只是對(duì)X100鋼級(jí)管線鋼的基本性能進(jìn)行了要求，但由于最重要的指標(biāo)——夏比沖擊功與管道設(shè)計(jì)壓力及止裂要求密切相關(guān)，因此沒有參考標(biāo)準(zhǔn)。

（3）第三階段。2012年，隨著超大輸量管道建設(shè)需求的提出，中石油再次加快推進(jìn)X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管的開發(fā)研究，也開啟了我國X100鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管研制的第三階段。中國石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部也推出了《天然氣輸送管道用X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管技術(shù)條件》以及《天然氣輸送管道用X100鋼級(jí)螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》，進(jìn)一步明確了基于項(xiàng)目的焊管規(guī)格和性能要求等指標(biāo)，使試制工作的目標(biāo)更明確。在此背景下，渤海石油裝備制造有限公司（簡稱渤海裝備）以及寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡稱寶雞鋼管）積極開展X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研制工作。

2012年底，巨龍鋼管聯(lián)合國內(nèi)6家鋼廠進(jìn)行了X100鋼級(jí)鋼板及其Ф1 219 mm×14.8/17.8 mm直縫埋弧焊管的試制。從試制鋼板的理化性能來看，經(jīng)過幾輪的摸索，各廠家在合金元素設(shè)計(jì)方面基本一致，w（C）在0.04%～0.06%，w（Mn）在1.76%～1.96%，添加0.3%左右的w（Mo）、0.2%～0.3%的w（Cr）、0.3%～0.4%的w（Ni），以及一定量的Cu、Nb、Ti等元素，碳當(dāng)量Ceq在0.47%～0.53%，冷裂紋敏感系數(shù)Pcm在0.18%～0.21%；金相組織均由針狀鐵素體基體和細(xì)小分散的MA島組成；鋼板的強(qiáng)度均能夠達(dá)到訂貨要求，但個(gè)別鋼板存在夏比沖擊功偏小的問題；制管后，一半以上直縫埋弧焊管的各項(xiàng)性能均達(dá)到了技術(shù)條件要求。

2.2 X90鋼級(jí)鋼及其直縫埋弧焊管開發(fā)

在管線鋼系列中，X90是一個(gè)新鋼種，2007年發(fā)布的API Spec 5L—2007開始將X90列入管線鋼序列。因此，全世界對(duì)X90鋼級(jí)管線鋼的研制非常少，僅歐洲鋼管公司進(jìn)行過少量開發(fā)，并進(jìn)行過2次全尺寸氣體爆破試驗(yàn)?，F(xiàn)在仍有很多專家對(duì)X90鋼級(jí)管線鋼存在的意義持懷疑態(tài)度，主要認(rèn)為與X100鋼級(jí)相比，X90鋼級(jí)相對(duì)于X80鋼級(jí)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)并不明顯。然而從X100鋼級(jí)管線鋼研制的歷史和現(xiàn)狀可以看出，X100鋼級(jí)管線鋼的研制難度相對(duì)于X80鋼級(jí)大大增加，難在一段時(shí)間內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用。相反，正如從X60鋼級(jí)跨越到X70鋼級(jí)、再到X80鋼級(jí)一樣，不可以否認(rèn)從X80鋼級(jí)到X90鋼級(jí)無論從技術(shù)可行性還是經(jīng)濟(jì)性、安全性方面都具有重大意義。相對(duì)于X80和X100鋼級(jí)，我國X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研制起步相對(duì)較早。

2007年，巨龍鋼管成功開發(fā)出我國首根X90鋼級(jí)Ф813 mm×16 mm直縫埋弧焊管，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比分別為660 MPa、730 MPa和0.92，－20℃時(shí)3個(gè)管體試樣的夏比沖擊功為255 J、395 J、338 J，其他性能指標(biāo)均達(dá)到了API Spec 5L—2007標(biāo)準(zhǔn)要求［19］。試制過程中，同時(shí)進(jìn)行了焊接試驗(yàn)和理化性能變化對(duì)比試驗(yàn)等，對(duì)X90鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管的性能有了初步了解。

西氣東輸二線管道工程用X80鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管的研制成功，促進(jìn)了我國管線鋼及直縫埋弧焊管制造水平的巨大飛躍。在X80鋼級(jí)管線鋼及其直縫埋弧焊管的研制及批量生產(chǎn)過程中，無論是鋼廠還是管廠都進(jìn)行了成分、工藝、組織、性能、理化試驗(yàn)、焊接試驗(yàn)和無損檢測(cè)等方面的系統(tǒng)研究，制造工藝技術(shù)逐步成熟、穩(wěn)定。在此期間，巨龍鋼管也進(jìn)行了X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的相關(guān)研究。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在西氣東輸二線管道工程用X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管中，約半數(shù)焊管的強(qiáng)度達(dá)到了X90鋼級(jí)的要求，但抗拉強(qiáng)度偏低；管體夏比沖擊功平均值達(dá)325 J，最大可達(dá)500 J以上。由此可見，生產(chǎn)X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管的過程中，只需適當(dāng)提高整體強(qiáng)度便可完全滿足X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的強(qiáng)度要求。

2011年，南京巨龍依托X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管項(xiàng)目，進(jìn)行了X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的小批量試制。檢測(cè)結(jié)果顯示：在試制的1 000多噸Φ1 016 mm×22.9 mm直縫埋弧焊管中，90%以上的直縫埋弧焊管性能達(dá)到了API Spec 5L—2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的要求，－5℃時(shí)母材夏比沖擊功在320～380 J［20］。

我國管道建設(shè)市場需求巨大，規(guī)劃建設(shè)的西氣東輸四線和西氣東輸五線等管道工程，都是數(shù)千公里、用鋼量數(shù)百萬噸的大工程，每提高一個(gè)鋼級(jí)帶來的經(jīng)濟(jì)效益都是巨大的。在這種情況下，我國開始積極推進(jìn)X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的開發(fā)。2012年，中石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部正式立項(xiàng)推進(jìn)X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研制及小批量試制，并推出了《天然氣輸送管道用X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管技術(shù)條件》，進(jìn)一步明確了基于項(xiàng)目的直縫埋弧焊管規(guī)格和性能要求等指標(biāo)。

2012年年底，渤海裝備和寶雞鋼管分別完成了X90鋼級(jí)Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管的單爐試制，以及X90鋼級(jí)Φ1 219 mm×19.6 mm直縫埋弧焊管的單爐試制；大部分直縫埋弧焊管的性能達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過了中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院（簡稱管研院）的檢測(cè)評(píng)價(jià)。后來經(jīng)過對(duì)制造工藝和鋼板性能的優(yōu)化，400 t級(jí)X90鋼級(jí)Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管的小批量試制工作于2013年6月完成。整體試制結(jié)果良好，試制合格率較高。試制所用X90鋼級(jí)厚度16.3 mm寬厚板采用了低C、Mn－Mo－Cr－Ni－Cu的合金設(shè)計(jì)，Ceq為0.46%，Pcm為0.18%，與現(xiàn)在的X80鋼級(jí)管線鋼相比只是個(gè)別合金元素的含量有所差別，尤其是Mo元素含量；鋼板的顯微組織主要由針狀鐵素體和塊狀鐵素體組成，呈現(xiàn)出了雙相鋼的形態(tài)，晶粒尺寸非常細(xì)小。

試制的X90鋼級(jí)Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管拉伸性能合格率達(dá)到了98.5%，平均屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比分別為694 MPa、781 MPa和0.89，不合格項(xiàng)主要為屈強(qiáng)比超標(biāo)。同時(shí)，焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為763 MPa，熱影響區(qū)發(fā)生了明顯的軟化。對(duì)部分直縫埋弧焊管進(jìn)行了（200± 5）℃下的時(shí)效試驗(yàn)，經(jīng)過時(shí)效后的屈服強(qiáng)度平均升高了51 MPa，抗拉強(qiáng)度平均升高了9 MPa，屈強(qiáng)比平均升高了0.05。母材夏比沖擊功最小值、最大值、平均值分別為185 J、428 J、304 J，總體來說效果不錯(cuò)，但與標(biāo)準(zhǔn)最初設(shè)計(jì)的爐平均最小值305 J相比，顯然沒有余量。焊材匹配試驗(yàn)取得了顯著的效果，包括合作開發(fā)的兩種焊絲的試驗(yàn)結(jié)果也比較理想。－10℃條件下焊縫夏比沖擊功平均值達(dá)到了188 J，未出現(xiàn)不合格項(xiàng)；焊接熱影響區(qū)沖擊功整體效果較好，平均值達(dá)到了257 J，但有一根出現(xiàn)了最小值（47 J）。DWTT試驗(yàn)沒有出現(xiàn)任何異常情況，所有試驗(yàn)直縫埋弧焊管的DWTT剪切面積百分比均在95%以上。由此可見，X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的小批量試制整體上取得了成功；但母材的沖擊韌性仍需進(jìn)一步提高；同時(shí)，熱影響區(qū)整體強(qiáng)度偏低，存在軟化問題。

3 X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的開發(fā)

作為超大輸量管道建設(shè)的重要選擇，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管及其鋼板的開發(fā)研究也受到了同樣的重視［21］。從技術(shù)方面來看，增大直徑主要帶來了寬厚板寬度的增加，這對(duì)確保軋制過程的壓縮比不利，可能會(huì)影響細(xì)晶效果，進(jìn)而影響DWTT性能。同時(shí)，增大直徑往往與增大壁厚是相輔相成的，增大壁厚也會(huì)對(duì)鋼板的強(qiáng)韌性以及制管過程的焊接性等產(chǎn)生影響。

國內(nèi)X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管及寬厚板的開發(fā)開始于2011年年底。巨龍鋼管與沙鋼合作開發(fā)了X80鋼級(jí)22 mm×4 360 mm×12 000 mm及25.7 mm×4 360 mm×12 000 mm鋼板，并在巨龍鋼管完成了X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×22/25.7 mm直縫埋弧焊管的制造。從化學(xué)成分設(shè)計(jì)來看，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管用鋼板與Φ1 219 mm直縫埋弧焊管的沒有差別，保持了較低的碳當(dāng)量；金相組織也沒有明顯差別，主要為針狀鐵素體以及粒狀貝氏體組織。這些都使以往對(duì)X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管的相關(guān)規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虻玫胶芎脩?yīng)用。由于還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《西氣東輸三線直縫埋弧焊管技術(shù)條件要求》對(duì)試制的X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×22/25.7 mm直縫埋弧焊管進(jìn)行全面檢測(cè)評(píng)價(jià)。檢測(cè)結(jié)果表明：試制的6根X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×22.0 mm直縫埋弧焊管全部符合要求；試制的6根X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×25.7 mm直縫埋弧焊管，除兩根一端（所有焊管均兩端取樣）屈強(qiáng)比偏高外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求；母材具有高韌性，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×25.7 mm直縫埋弧焊管母材在－10℃的沖擊功最小值達(dá)到328 J，平均值達(dá)到427 J；DWTT剪切面積百分比也達(dá)到了95%。

2012年，中國石油西部管道公司正式立項(xiàng)推進(jìn)X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的研制工作?！短烊粴廨斔凸艿烙肙D1 422 mm X80直縫埋弧焊管技術(shù)條件》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)初稿也相繼推出，使產(chǎn)品的研制開發(fā)目標(biāo)更明確。

2013年1月，渤海裝備進(jìn)行了X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×30.8 mm直縫埋弧焊管、X80鋼級(jí)Φ1 422 mm ×25.7/30.8/33.8 mm熱煨彎管母管及熱煨彎管的試制。其中，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×30.8 mm直縫埋弧焊管的試制取得了較好效果，其屈服強(qiáng)度在650 MPa左右，抗拉強(qiáng)度在700 MPa左右，屈強(qiáng)比偏高（在0.92～0.93）；管體－10℃的夏比沖擊功在400 J左右；DWTT剪切面積百分比基本處于下限，但最低值也能達(dá)到75%左右。此外，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×33.8 mm熱煨彎管母管的試制也取得了較好效果。由于壁厚33.8 mm母管比西氣東輸三線管道工程用壁厚33 mm母管的壁厚更大，因此從成分設(shè)計(jì)上應(yīng)適當(dāng)再添加一些合金元素，以確保X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×33.8 mm熱煨彎管母管的強(qiáng)度及淬透性。X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×33.8 mm熱煨彎管母管的Ceq達(dá)到0.47左右；制管后，獲得了高的強(qiáng)度，這對(duì)于彎管的制造有利；在夏比沖擊功方面，個(gè)別焊管的母材以及焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了低值，但由于熱處理會(huì)改善母材和焊接熱影響區(qū)的韌性，因此經(jīng)熱模擬試驗(yàn)后夏比沖擊功都達(dá)到了相關(guān)要求。

2015年，針對(duì)中俄東線天然氣管道，國內(nèi)開始開發(fā)X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm直縫埋弧焊管。其中，鋼板的開發(fā)較為順利，性能優(yōu)良，－20℃的夏比沖擊功均在400 J以上，－15℃條件下DWTT剪切面積百分比平均值達(dá)到了90%。巨龍鋼管完成了X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm直縫埋弧焊管小批量試制工作，試制焊管的各項(xiàng)性能完全滿足Q/SY GJX 149—2015《中俄東線天然氣管道工程用X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求，并通過了國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)評(píng)價(jià)。X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm直縫埋弧焊管在－10℃條件下焊縫及熱影響區(qū)的夏比沖擊功均大于200 J，焊接合格率達(dá)到100%；0℃條件下DWTT剪切面積百分比平均值達(dá)到了95%以上。

4 存在的主要問題及建議

4.1 X90/X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管

止裂問題是高鋼級(jí)、大直徑、高壓輸氣管道首先要解決的難題。隨著管道輸送壓力的增加以及焊管壁厚的減小，要求強(qiáng)度和韌性同時(shí)增加，而管線鋼的強(qiáng)度和韌性本身就是一對(duì)矛盾。對(duì)X90/X100鋼級(jí)管線鋼而言，獲得高強(qiáng)度需要添加更多的合金元素并匹配合理的控軋控冷工藝，而提高合金含量是最直接、最有效的方法。但是，筆者基于大批量X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著合金元素含量的提高，強(qiáng)度提高，夏比沖擊韌性卻呈減小趨勢(shì)，尤其是當(dāng)Ceq∧0.44%或Pcm∧0.17%時(shí)，韌性顯著降低。雖然可以通過優(yōu)化軋制工藝及冷卻工藝來彌補(bǔ)部分成分導(dǎo)致的韌性降低，但合金元素含量的增加將導(dǎo)致高鋼級(jí)焊管獲得高韌性極具難度，同時(shí)也給環(huán)焊焊接帶來挑戰(zhàn)。碳當(dāng)量及冷裂紋敏感系數(shù)對(duì)熱影響區(qū)沖擊功的影響如圖1～2所示。

圖1 碳當(dāng)量對(duì)熱影響區(qū)沖擊功的影響

圖2 冷裂紋敏感系數(shù)對(duì)熱影響區(qū)沖擊功的影響

X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管難以依靠自身韌性止裂，必須借助止裂器。關(guān)于止裂器的研究在國外有所進(jìn)展，但在國內(nèi)還處于研發(fā)階段。所謂止裂器就是能夠阻止裂紋通過的管道的加強(qiáng)部分。止裂器可以由金屬材料制成，也可以由無機(jī)材料（如玻璃纖維）制成，包裹在正常焊管的外部；也可以在幾根常規(guī)壁厚焊管中插入一根較大壁厚的低鋼級(jí)高韌性鋼管作為止裂器。止裂器的安裝距離和具體要求與管道輸送壓力、介質(zhì)以及期望的止裂距離等參數(shù)有關(guān)。借助止裂器，建設(shè)X100鋼級(jí)管道的現(xiàn)實(shí)意義大大增加。但是，還有很多系統(tǒng)的研究工作需要開展，比如止裂方案的策劃、止裂器的開發(fā)；同時(shí)，即使不考慮止裂韌性，X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管力學(xué)性能的穩(wěn)定性、焊接熱影響區(qū)的弱化及現(xiàn)場環(huán)焊等方面還需深入研究。此外，止裂器的使用也會(huì)增加管道建設(shè)成本，其經(jīng)濟(jì)性還需重新考量。在近期的管道工程中大量使用X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管難度大，但應(yīng)盡快開展相關(guān)研究。

與X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管相比，X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的開發(fā)技術(shù)跨度小。從試制結(jié)果來看，X90鋼級(jí)Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管的強(qiáng)度較好，而且平均夏比沖擊功達(dá)到了304 J，幾乎達(dá)到了保守估計(jì)的平均沖擊功305 J，但其具體的止裂韌性還需要通過全尺寸氣體爆破試驗(yàn)予以驗(yàn)證。如果氣體爆破試驗(yàn)?zāi)軌蜃C明不需要如此高的韌性值，比如降至高于265 J，則X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的現(xiàn)實(shí)意義將大大增加。同時(shí)，從目前的試制結(jié)果來看，X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的韌性還有提升空間。西氣東輸二線管道工程用X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管管體的夏比沖擊功平均值也達(dá)到了325 J，試制的X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×30.8 mm直縫埋弧焊管管體在-10℃條件下的夏比沖擊功保持在400 J左右；而X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的壁厚要薄很多，通過進(jìn)一步優(yōu)化化學(xué)成分和工藝，可以使其管體的夏比沖擊韌性進(jìn)一步提高，但仍需要在這一方面開展大量研究工作。即使通過氣體爆破試驗(yàn)證明X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管自身止裂存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但通過適當(dāng)采用止裂器，X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的使用仍具有現(xiàn)實(shí)意義。目前，雖然對(duì)X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研究取得了一些顯著的成績，但焊接熱影響區(qū)的軟化、現(xiàn)場環(huán)焊匹配和性能穩(wěn)定性等問題仍需深入研究。國外對(duì)于高鋼級(jí)管道的研究主要集中在環(huán)焊焊接方面，這也表明環(huán)焊焊接具有相當(dāng)?shù)碾y度。環(huán)焊技術(shù)及工藝的穩(wěn)定性可能最終會(huì)成為決定X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管能否被應(yīng)用的主要因素。

4.2 X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管

與X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管相比，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的研制取得了較好的效果。關(guān)于鋼板寬度增加后造成壓縮比的降低從而對(duì)DWTT性能的影響，沒有預(yù)計(jì)的嚴(yán)重，25.7 mm及以下X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管的DWTT性能不存在實(shí)質(zhì)的問題，30.8 mm及以上壁厚直縫埋弧焊管的DWTT性能通過改進(jìn)和優(yōu)化后也會(huì)得到較好的保證，保證單爐試制單個(gè)值不小于60%、平均值不小于75%的難度不大。

止裂所需的韌性不存在問題，壁厚25.7 mm、30.8 mm的X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管夏比沖擊功達(dá)到了400 J以上。從現(xiàn)場環(huán)焊方面看，經(jīng)歷了西氣東輸二線、三線等管道工程，環(huán)焊工藝基本成熟。盡管近期X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管環(huán)焊試驗(yàn)方面出現(xiàn)了一些問題，但研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管環(huán)焊問題能夠得到較好解決。

從制造能力看，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管所需鋼板寬度已達(dá)4.4 m，需要5 m及以上軋機(jī)才能生產(chǎn)。目前我國主要管線鋼生產(chǎn)企業(yè)擁有5 m及以上軋機(jī)產(chǎn)線5條以上，滿足需求。中石油及寶鋼股份都具有制造X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管所需鋼板的能力，供貨不成問題。

與制造技術(shù)難度相比，運(yùn)輸以及施工設(shè)備方面可能成為制約X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管使用的因素。以火車運(yùn)輸來看，每節(jié)車廂可裝5根Φ1 219 mm直縫埋弧焊管，而只能裝3根Φ1 422 mm直縫埋弧焊管，這將導(dǎo)致運(yùn)費(fèi)增加。

盡管X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm直縫埋弧焊管的小批量試制取得了較好的效果，X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×30.8 mm單爐試制也獲得了成功，但仍應(yīng)高度關(guān)注X80鋼級(jí)厚壁直縫埋弧焊管的DWTT性能，應(yīng)盡快通過小批量試制穩(wěn)定30.8 mm鋼板的DWTT剪切面積百分比。同時(shí)，近期中俄東線天然氣管道工程提出了低溫問題，要求部分區(qū)域使用的X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管在-45℃條件下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，在-20℃條件下進(jìn)行DWTT試驗(yàn)，這無疑使X80鋼級(jí)鋼板及其直縫埋弧焊管的制造難度增加。

5 結(jié)論

（1）自2004年起，尤其是西氣東輸二線管道工程以來，我國在X80鋼級(jí)及直縫埋弧焊管的開發(fā)和應(yīng)用方面取得了顯著成績，開發(fā)出了X80鋼級(jí)Ф1 219 mm直縫埋弧焊管及彎管全系列產(chǎn)品，滿足了我國管道建設(shè)需求。

（2）X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管的研制取得了階段性進(jìn)展，小批量試制結(jié)果表明其強(qiáng)度沒有實(shí)質(zhì)問題，獲得自身止裂是可行的。應(yīng)盡快通過全尺寸爆破試驗(yàn)確定X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管所需的止裂韌性，同時(shí)通過工藝優(yōu)化進(jìn)一步提高管體韌性。X90鋼級(jí)直縫埋弧焊管用于管道建設(shè)具有可行性，但仍需加快焊接以及提高韌性等問題的研究步伐。

（3）X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管無法依靠自身止裂，必須使用止裂器。X100鋼級(jí)直縫埋弧焊管的生產(chǎn)離技術(shù)成熟仍有很大距離，還需針對(duì)力學(xué)性能的穩(wěn)定性、焊接熱影響區(qū)的弱化及現(xiàn)場環(huán)焊等方面開展深入研究，在近期的管道工程中大量使用X100直縫埋弧焊管難度很大。

（4）X80鋼級(jí)Φ1 422 mm直縫埋弧焊管技術(shù)可行性強(qiáng)，雖然X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm直縫埋弧焊管的小批量試制取得了成功，但仍需開展該直徑下更大壁厚X80鋼級(jí)直縫埋弧焊管、低溫用管的進(jìn)一步研究工作，以滿足未來管道建設(shè)需求。

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［19］李延豐，鄭磊，陳小偉.X90和X100鋼級(jí)Φ813 mm× 16 mm直縫埋弧焊管制造技術(shù)的研究［J］.鋼管，2008，37（5）：30-35.

［20］蘇志，張志明，孫愛玢，等.X90直縫埋弧焊管的研制［J］.焊管，2012，35（3）：66-70.

［21］王國麗，趙樂晉，管偉.直徑1 422 mm、壓力12 MPa、鋼級(jí)X80管道輸氣方案可行性［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33（8）：799-806.

Development of Domestic High-grade Large-sized SAWL Pipes for Oil&Gas Pipeline Service

CHEN Xiaowei1，WANG Xu2，LI Guopeng2，XIAO Furen3
（1.Julong Steel Pipe Co.，Ltd.，Qingxian 062658，China；2.Research Institute，CNPC Bohai Petroleum Equipment Manufacture Corp.，Tianjin 300457，China；3.Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

Summarized in the essay are the development course and achievements of X80 linepipe-purpose steel andФ1 219 mm SAWL pipe.Elaborated is the progress of R&D of X90/X100 high-strength SAWL pipe and X80 Φ1 422 mm SAWL pipe.Also analyzed are the maturity of the technology of X90/X100 and X80Φ1 422 mm SAWL pipe and the existing problems etc.

SAWL pipe；oil&gas pipeline service；high steel grade；large-sized；toughness；girth welding

TG113.25；T－1

A

1001－2311（2016）05－0001－08

2016-07-14）

陳小偉（1977－），男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，技術(shù)專家，科技質(zhì)量中心主任，主要從事直縫埋弧焊管的制造工藝技術(shù)研究及金屬材料的焊接研究工作。