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高等级管线用钢及其生产技术

时间:2021-03-12 08:59:38  来源:  作者:博士 教授级高工 刘东风
 

1, 管线钢的发展历史

 

 美国在19世纪下半叶,随着油田的开发,出现了输油管线系统,最早的输油管线是木制,但很快就被铁质管道取代。 在焊接技术于20世纪20年代诞生后,长距离输油管线系统进入了大发展时期。到了二战期间,由于纳粹德国无限制潜艇战对美国油轮的打击,迫使美国建立了德克萨斯油田到新泽西炼油厂的长输管道系统;苏联也建设了输油管线,以便把高加索的石油绕过德占区运往莫斯科。这些输油管线成为现代油气长输管线系统的开端。 战后至今,随着石油天然气开采、消费量的快速上升,油气长输管线系统的建设掀起了一轮又一轮的高潮,目前世界油气长输管线(见图1)(包括原油管线、成品油管线、天然气管线)总长度达到200万公里以上。 
 
pipe construction august 2004IMAGE19

 

1 寒冷地区建设中的管线

 

而在1959年,我国第一条油气长输管线——克拉玛依到独山子管线开始建设。至今已建设完成总长度14万公里的油气长输管网,形成了“北油南运”、“西油东进”、“西气东输”、“海气登陆”的输送格局;并建设了哈萨克斯坦到新疆,俄罗斯到东北、新疆,缅甸到西南等国际油气输送管道。还有设想巴基斯坦瓜达尔港到喀什的线路。

 

2019129日,国家油气管网集团公司成立,接管整合三桶油所属全部长输管网资产。 统筹规划在2025年前,我国油气长输管网总长度将达到24万公里。天然气、原油、成品油管道里程数分别达到16.3万公里、3.7万公里、4万公里。届时,全国省区市成品油、天然气主干管网将全部实现联通。 具估算天然气管道、成品油管道、原油管道单公里投资规模分别约为1500万元/公里、600万元/公里、800万元/公里。总体预计油气长输管道规划投资规模约1.68万亿元。 

 

而当前美国、俄罗斯管网总长度分别为68万公里、25万公里,我国与之差距较大。另外,从2019年我国一次能源消费结构占比分析,其中煤炭:57.7% 石油:18.9% 水电、核电、风电、天然气等清洁能源:23.4%(其中:天然气占 8.1%。消费3100亿立方米,年增长10%,包括液化天然气LNG进口9039万吨)。由此可见输送天然气需管道发展较快,故预计未来建设投资规模将继续提速,十四五期间待建规模空间巨大。

 

  从上世纪50年代提高钢的强度是采用淬火回火的方法,到60-70年代开始使用金属铌配合控制轧制和控制冷却,通过细化晶粒和析出强化机制显著提高材料的性能,使焊接管线钢有了飞速的发展,其强度和韧性均得到极大提高,从初期的X42X80的批量应用,钢的强度在不断提高。

 

2,管线钢的技术要求

 

 美国石油协会(API)最新公布的API标准为第45版。其钢级为:

 

X42X46X52X56X60X65X70X80X100X120,其数字代表最小屈服强度,为英制单位psi(/英寸2),换算为国标的方法为:乘75

 

即: X70最小屈服强度为:70×75485MPa

 

 X80最小屈服强度为:80×75555MPa 

 

此外,还有AB级管线钢,其最小屈服强度为215MPa245MPa  

 

相应的我国也等效采用国际先进标准,颁布了管线用钢标准GBT14164, GB2123等。

 

除强、塑、和低温韧性要求之外,重要用途管线钢还提出较低屈强比、高的动态撕裂剪切面积、高的抗H2S腐蚀性能、低的“分离”断口倾向和良好的焊接性能等特殊技术要求。这些要求均与钢的匀质、洁净化冶金与热机械控制轧制密切相关。

 

3,管线钢制管工艺分类

 

管线钢制管主要分为焊接钢管和无缝钢管。其中焊接成型的又分为埋弧螺旋焊和直缝焊。而由板宽和加工方式比较可见:直缝焊管 (LSAW)用中厚板厚通常20mm-40mm,适宜制作高压输气管、海底管线等。由于单张钢板制管,钢管长度有限;且钢管直径受到钢板宽度的限制,所以不能做大口径的钢管(见图2)。而螺旋埋弧焊工艺(见图3)对原料钢板尺寸要求较低,生产速度快,一般作为长输管道。所用热轧卷板壁厚通常小于20mm,制成的螺旋焊管(SSAW)输气压力相对稍低。在焊接成型过程可根据螺旋角、板宽的不同,制造大口径钢管,如钢管直径可达2m以上。

 

 

 

 

2 直缝焊接

 

 

 3 螺旋埋弧焊 

  4.高等级管线钢的成分和性能特

下表列出管线钢的化学成分和性能见表1和表2

由此可见,随着强度级别的提高,降碳,提高锰含量,减少钢中有害元素。而提高耐腐蚀性加入了鉻和铜等元素,也为随后的中温转变获得所需组织提供了基础。

   5.管线钢制备工艺特征 

管线钢冶炼和轧制工艺流程如下图4-5

 

 

 

 

4 炉外预处理 LD转炉 炉外精炼 连铸

 

 

5低温加热  控轧、控冷 低温卷曲

 

 

 

从技术角度分析,无论采取何种冶金和热加工工艺,其要达到的最终目标和效果如下: 1)通过炉外处理和各种精炼方法组合以及结晶组织控制技术,获得钢质洁净、组织致密、细小而均匀的铸态组织。 2)利用控制轧制和控制冷却工艺,充分发挥合金元素对钢的强化和韧化作用,通过钢的细化组织形态与析出强化机制,满足不同钢级的要求。

  6.管线钢组织控制的理论基础 

  利用变形和相变相结合的原理细化微合金钢的最终组织是热变形控轧控冷工艺(TMCP)要达到的主要目的。其本质即将变形细化的组织保持到随后的冷却相变中,最终获得细化的显微组织,这种显微组织有三种类型:铁素体+珠光体(照片1)、针状铁素体(照片2)、铁素体+马氏体(照片3)。

 

现代管线钢(尤其高级别)的组织控制均是以针状铁素体为最终组织特征,并且是细化了的针状组织。这是因为制管弯曲成型过程造成钢的屈服强度下降是两相组织金属材料的特征,其机制是基体受力发生的形变主要在软相,而硬项仅有弹性变形,两相之间形成的内应力,使宏观屈服的下降称为包辛格效应。而不规则非等轴状针状铁素体钢不发生屈服强度下降效应,所以无需考虑钢板强度余量。

 

针状组织的特点还表现为带状组织不明显,材料各向异性小,具有相当高的韧性和焊接性能,具体表现为焊接裂纹敏感指数低(Pcm小于0.2)。针状铁素体组织是连续冷却过程中形成的具有高亚结构和位错密度的非等轴项,具有切变和扩散混合相变机制,形成温度略高于上贝氏体,它与贝氏体的最大区别在于贝氏体铁素体具有原奥氏体晶界网的特征,而针状铁素体没有这种原奥氏体晶界网。

 

    

 

 组织照片1-3

   7.管线钢的发展趋势 

管线钢一直伴随着微合金的发展而得到不断提高。在激烈的市场竞争下,各国均在不断寻求降低管线铺设的成本。而在管线投资中钢管的成本占40%左右,故采用高钢级管线钢可以减少壁厚,高压输送可以不改变输量而减少管径。而管径和壁厚的减少就可带来工程费用的降低,这就是天然气管线钢钢级越来越高,输送压力越来越大的主要原因。而冶金行业的技术装备水平的不断提高又为满足天然气输送管线钢强度级别的不断增加和输送压力的提高提供了技术保障。如此看来高钢级、耐腐蚀、大管径已成管线钢发展的总趋势。

 

下图6给出不同钢级的高强度管线钢在相同管径和输送压力时所需的壁厚和重量之间的关系。

 

 

6

 
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