我國高鋼級、大直徑油氣輸送直縫埋弧焊管研究進展

陳小偉，王旭，李國鵬，肖福仁

我國高鋼級、大直徑油氣輸送直縫埋弧焊管研究進展

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，河北秦皇島066004）

簡要回顧了我國X80鋼級管線鋼及其Ф1 219 mm直縫埋弧焊管的研制歷程及成就，介紹了X90/ X100高強度直縫埋弧焊管以及X80鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管等的研制進展情況，分析了X90/X100直縫埋弧焊管和X80鋼級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；大直徑；韌性；環(huán)焊

2010—2014年我國天然氣消費量年均增長為15.8%；2015年我國天然氣表觀消費量達1 900億m3；預計到2020年，我國天然氣消費需求將突破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X70/X80，管徑1 000～1 200 mm，壓力10～12 MPa，年輸量100～300億m3）。隨著對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，建設年輸量450～500億m3的第三代天然氣管道（采用X90/X100鋼級焊管，或X80鋼級Ф1 422 mm焊管，壓力大于12 MPa）已成為迫切要求。采用高鋼級、大直徑、厚壁焊管進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［1－3］。

提高管道輸量、降低建設成本的途徑有：

（1）提高焊管鋼級，這是提高管道輸量、降低建設成本最重要的途徑。據(jù)測算，在管線的直徑和壓力確定后，鋼級每提高一個等級，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鋼級焊管約280萬t，比X70鋼級節(jié)約鋼材40萬t；如果采用X90鋼級焊管，則可節(jié)省鋼材近30萬t，降低經(jīng)濟成本20億元以上；如采用X100鋼級焊管，將降低經(jīng)濟成本達40億元。

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

（3）提高設計系數(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)計算，一級地區(qū)設計系數(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，如果將設計系數(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度設計系數(shù)下焊管技術(shù)條件較為嚴格，其生產(chǎn)成本會有所增加的因素，也會節(jié)約建設成本至少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，工程費用也將降低。

1 X80鋼級Ф1 219 mm直縫埋弧焊管的開發(fā)

我國X80鋼級管線鋼及鋼管研制開發(fā)較晚，但進步快。2004年，巨龍鋼管有限公司（簡稱巨龍鋼管）聯(lián)合鞍山鋼鐵集團公司（簡稱鞍鋼）在國內(nèi)首次成功開發(fā)出X80鋼級厚度18.4 mm寬厚板以及Ф1 016 mm直縫埋弧焊管，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)并應用于我國首個X80鋼級試驗段項目——西氣東輸管道工程冀寧聯(lián)絡線［4］。

1.1 22 mm壁厚直縫埋弧焊管的開發(fā)

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

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、江蘇沙鋼集團有限公司（簡稱沙鋼）等鋼廠開始了X80鋼級鋼板的工業(yè)級研發(fā)制造，并由巨龍鋼管進行X80鋼級Ф1 219 mm直縫埋弧焊管的制造。由于沒有經(jīng)驗可依，X80鋼級鋼板的開發(fā)從一開始就在成分設計和組織設計方面出現(xiàn)了不同技術(shù)路線。在成分設計方面主要有3種體系：

（1）傳統(tǒng)的Mn－Mo－Cr強化合金設計，w（Mo）、w（Cr）均在0.2%左右，w（Nb）低于0.06%；

（2）Mn－Mo－Cr及高Nb合金設計，主要特點是w（Mo）在0.1%左右，w（Nb）在0.06%～0.11%；

（3）高Nb無Mo的合金設計，主要特點是不添加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》標準中也對其w（Nb）做了相應修改，上限由原來的0.06%提高到了0.11%［5］。

X80鋼級鋼板的金相組織主要為兩種：一種是細針狀鐵素體組織，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，并進行了大量的板－管一體化研究工作［6］。文獻［7］研究了拉伸試樣形式對試驗結(jié)果的影響規(guī)律，提出X80鋼級直縫埋弧焊管進行拉伸性能試驗時應采用圓棒試樣。文獻［8］系統(tǒng)研究了各種組織性能的X80鋼級鋼板經(jīng)制管后性能的變化規(guī)律，認為X80鋼級鋼板在制管過程中加工硬化趨勢明顯，屈服強度增大甚至達100 MPa以上，并有針對性地提出鋼板性能要求。此外，文獻［9－12］分析了影響X80鋼級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［9－12］認為，顯微組織是影響X80鋼級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行X80鋼級直縫埋弧焊管的試制，逐步穩(wěn)定了鋼板的性能；同時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Ф1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管千噸級試制，并通過了中國石油天然氣集團公司（簡稱中石油）和中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，隨即轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)供貨［13］。與此同時，X80鋼級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鋼級鋼板及Ф1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管開發(fā)中也進行了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，仍需從成分設計和軋制冷卻工藝等方面進行全面改進優(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Ф1 219 mm×26.4 mm直縫埋弧焊管，并將其應用于西氣東輸二線及三線管道工程中。

2012年，針對中亞天然氣管道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剪切面積百分比達到不低于85%的要求。

2014年，針對規(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)鋼廠進行該產(chǎn)品的開發(fā)。而對于33 mm厚鋼板的開發(fā)，關鍵是解決其DWTT性能問題。通過合金強化可確保33 mm厚鋼板強度要求，但添加合金會增加組織中淬硬組織尤其是馬奧島（MA島），這對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%，通過軋制細化一次組織，在確保鋼板強度的基礎上獲得了優(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Ф1 219 mm×33 mm直縫埋弧焊管的焊接方面，針對低合金含量、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)多個鋼廠成功開發(fā)出X80鋼級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Ф1 219 mm×33 mm直縫埋弧焊管的千噸級試制，其性能完全達到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］。

針對基于應變設計地區(qū)所需的大應變直縫埋弧焊管，國內(nèi)在2011年成功開發(fā)出基于應變設計地區(qū)用X70鋼級大應變直縫埋弧焊管［16］；并在此基礎上，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Ф1 219 mm×26.4 mm大應變直縫埋弧焊管，完成了千噸級試制，并通過了中石油組織的專家鑒定，產(chǎn)品各項性能達到了Q/SY GJX 118—2012《X80天燃氣管道工程基于應變設計地區(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線等管道項目中大量應用X80鋼級直縫埋弧焊管，且管道項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鋼級直縫埋弧焊管的開發(fā)

2.1 X100鋼級鋼及其直縫埋弧焊管的開發(fā)

國際上，X100鋼級與X80鋼級的開發(fā)幾乎是同時開始的，但研制及應用結(jié)果卻大相徑庭。X80鋼級管道在20世紀就已經(jīng)開始鋪設，而X100鋼級直縫埋弧焊管管道至今仍停留在試驗階段。加拿大TransCanada公司是高鋼級管線鋼應用的主要推動者，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，進行了X100鋼級焊管的研究與開發(fā)，并在21世紀初鋪設了數(shù)條X100鋼級焊管試驗段，主要采用直縫埋弧焊管，也有少量的螺旋縫焊管。

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

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

盡管各鋼廠對X100鋼級管線鋼的化學成分設計各有不同，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)在強度偏低或者屈強比偏高，－20℃時管體的夏比沖擊功最大可達到200 J以上，但由于沒有具體的項目標準可參考，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以及焊接工藝試驗，能夠基本實現(xiàn)焊接接頭的強度以及焊縫、熱影響區(qū)的韌性達到API相關標準的要求。

（2）第二階段。在西氣東輸二線管道工程用X80鋼級管線鋼及其直縫埋弧焊管成功開發(fā)后，中石油設立了研制X100鋼級直縫埋弧焊管的相關課題，推進了X100鋼級直縫埋弧焊管的研發(fā)制造。2010—2011年，國內(nèi)多個廠家又進行了X100鋼級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一步增加，主要是Ф1 016 mm× 14.3～21.0 mm。

與X80鋼級管線鋼相比，X100鋼級管線鋼在化學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步和成熟。盡管有些X100鋼級鋼板的強度仍出現(xiàn)偏低的情況，但從整體上看，獲得滿足X100鋼級的強度已經(jīng)不是實質(zhì)性難題，甚至有些直縫埋弧焊管的強度接近X120鋼級的水平。大部分X100鋼級直縫埋弧焊管母材的夏比沖擊功可達到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》標準和加拿大CSA Z245.1規(guī)范。這些標準中只是對X100鋼級管線鋼的基本性能進行了要求，但由于最重要的指標——夏比沖擊功與管道設計壓力及止裂要求密切相關，因此沒有參考標準。

（3）第三階段。2012年，隨著超大輸量管道建設需求的提出，中石油再次加快推進X100鋼級直縫埋弧焊管的開發(fā)研究，也開啟了我國X100鋼級管線鋼及其直縫埋弧焊管研制的第三階段。中國石油管道建設項目經(jīng)理部也推出了《天然氣輸送管道用X100鋼級直縫埋弧焊管技術(shù)條件》以及《天然氣輸送管道用X100鋼級螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》，進一步明確了基于項目的焊管規(guī)格和性能要求等指標，使試制工作的目標更明確。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任公司（簡稱寶雞鋼管）積極開展X100鋼級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家鋼廠進行了X100鋼級鋼板及其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計方面基本一致，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小分散的MA島組成；鋼板的強度均能夠達到訂貨要求，但個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性能均達到了技術(shù)條件要求。

2.2 X90鋼級鋼及其直縫埋弧焊管開發(fā)

在管線鋼系列中，X90是一個新鋼種，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X90鋼級管線鋼的研制非常少，僅歐洲鋼管公司進行過少量開發(fā)，并進行過2次全尺寸氣體爆破試驗。現(xiàn)在仍有很多專家對X90鋼級管線鋼存在的意義持懷疑態(tài)度，主要認為與X100鋼級相比，X90鋼級相對于X80鋼級的經(jīng)濟優(yōu)勢并不明顯。然而從X100鋼級管線鋼研制的歷史和現(xiàn)狀可以看出，X100鋼級管線鋼的研制難度相對于X80鋼級大大增加，難在一段時間內(nèi)大規(guī)模應用。相反，正如從X60鋼級跨越到X70鋼級、再到X80鋼級一樣，不可以否認從X80鋼級到X90鋼級無論從技術(shù)可行性還是經(jīng)濟性、安全性方面都具有重大意義。相對于X80和X100鋼級，我國X90鋼級直縫埋弧焊管的研制起步相對較早。

2007年，巨龍鋼管成功開發(fā)出我國首根X90鋼級Ф813 mm×16 mm直縫埋弧焊管，其屈服強度、抗拉強度和屈強比分別為660 MPa、730 MPa和0.92，－20℃時3個管體試樣的夏比沖擊功為255 J、395 J、338 J，其他性能指標均達到了API Spec 5L—2007標準要求［19］。試制過程中，同時進行了焊接試驗和理化性能變化對比試驗等，對X90鋼級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鋼級管線鋼及其直縫埋弧焊管的研制成功，促進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行了成分、工藝、組織、性能、理化試驗、焊接試驗和無損檢測等方面的系統(tǒng)研究，制造工藝技術(shù)逐步成熟、穩(wěn)定。在此期間，巨龍鋼管也進行了X90鋼級直縫埋弧焊管的相關研究。統(tǒng)計結(jié)果表明，在西氣東輸二線管道工程用X80鋼級Φ1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管中，約半數(shù)焊管的強度達到了X90鋼級的要求，但抗拉強度偏低；管體夏比沖擊功平均值達325 J，最大可達500 J以上。由此可見，生產(chǎn)X80鋼級直縫埋弧焊管的過程中，只需適當提高整體強度便可完全滿足X90鋼級直縫埋弧焊管的強度要求。

2011年，南京巨龍依托X80鋼級直縫埋弧焊管項目，進行了X90鋼級直縫埋弧焊管的小批量試制。檢測結(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到了API Spec 5L—2007標準對X90鋼級直縫埋弧焊管的要求，－5℃時母材夏比沖擊功在320～380 J［20］。

我國管道建設市場需求巨大，規(guī)劃建設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，每提高一個鋼級帶來的經(jīng)濟效益都是巨大的。在這種情況下，我國開始積極推進X90鋼級直縫埋弧焊管的開發(fā)。2012年，中石油管道建設項目經(jīng)理部正式立項推進X90鋼級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鋼級直縫埋弧焊管技術(shù)條件》，進一步明確了基于項目的直縫埋弧焊管規(guī)格和性能要求等指標。

2012年年底，渤海裝備和寶雞鋼管分別完成了X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管的單爐試制，以及X90鋼級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到了技術(shù)標準要求，并通過了中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院（簡稱管研院）的檢測評價。后來經(jīng)過對制造工藝和鋼板性能的優(yōu)化，400 t級X90鋼級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鋼級厚度16.3 mm寬厚板采用了低C、Mn－Mo－Cr－Ni－Cu的合金設計，Ceq為0.46%，Pcm為0.18%，與現(xiàn)在的X80鋼級管線鋼相比只是個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)，晶粒尺寸非常細小。

試制的X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管拉伸性能合格率達到了98.5%，平均屈服強度、抗拉強度和屈強比分別為694 MPa、781 MPa和0.89，不合格項主要為屈強比超標。同時，焊接接頭的平均抗拉強度為763 MPa，熱影響區(qū)發(fā)生了明顯的軟化。對部分直縫埋弧焊管進行了（200± 5）℃下的時效試驗，經(jīng)過時效后的屈服強度平均升高了51 MPa，抗拉強度平均升高了9 MPa，屈強比平均升高了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，但與標準最初設計的爐平均最小值305 J相比，顯然沒有余量。焊材匹配試驗取得了顯著的效果，包括合作開發(fā)的兩種焊絲的試驗結(jié)果也比較理想。－10℃條件下焊縫夏比沖擊功平均值達到了188 J，未出現(xiàn)不合格項；焊接熱影響區(qū)沖擊功整體效果較好，平均值達到了257 J，但有一根出現(xiàn)了最小值（47 J）。DWTT試驗沒有出現(xiàn)任何異常情況，所有試驗直縫埋弧焊管的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一步提高；同時，熱影響區(qū)整體強度偏低，存在軟化問題。

3 X80鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的開發(fā)

作為超大輸量管道建設的重要選擇，X80鋼級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，這對確保軋制過程的壓縮比不利，可能會影響細晶效果，進而影響DWTT性能。同時，增大直徑往往與增大壁厚是相輔相成的，增大壁厚也會對鋼板的強韌性以及制管過程的焊接性等產(chǎn)生影響。

國內(nèi)X80鋼級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Φ1 422 mm×22/25.7 mm直縫埋弧焊管的制造。從化學成分設計來看，X80鋼級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X80鋼級直縫埋弧焊管的相關規(guī)律及經(jīng)驗能夠得到很好應用。由于還沒有相關的標準，依據(jù)《西氣東輸三線直縫埋弧焊管技術(shù)條件要求》對試制的X80鋼級Φ1 422 mm×22/25.7 mm直縫埋弧焊管進行全面檢測評價。檢測結(jié)果表明：試制的6根X80鋼級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）屈強比偏高外，其余各項指標均符合要求；母材具有高韌性，X80鋼級Φ1 422 mm×25.7 mm直縫埋弧焊管母材在－10℃的沖擊功最小值達到328 J，平均值達到427 J；DWTT剪切面積百分比也達到了95%。

2012年，中國石油西部管道公司正式立項推進X80鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的研制工作。《天然氣輸送管道用OD1 422 mm X80直縫埋弧焊管技術(shù)條件》等技術(shù)標準初稿也相繼推出，使產(chǎn)品的研制開發(fā)目標更明確。

2013年1月，渤海裝備進行了X80鋼級Φ1 422 mm×30.8 mm直縫埋弧焊管、X80鋼級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，其屈服強度在650 MPa左右，抗拉強度在700 MPa左右，屈強比偏高（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，但最低值也能達到75%左右。此外，X80鋼級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，因此從成分設計上應適當再添加一些合金元素，以確保X80鋼級Φ1 422 mm×33.8 mm熱煨彎管母管的強度及淬透性。X80鋼級Φ1 422 mm×33.8 mm熱煨彎管母管的Ceq達到0.47左右；制管后，獲得了高的強度，這對于彎管的制造有利；在夏比沖擊功方面，個別焊管的母材以及焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了低值，但由于熱處理會改善母材和焊接熱影響區(qū)的韌性，因此經(jīng)熱模擬試驗后夏比沖擊功都達到了相關要求。

2015年，針對中俄東線天然氣管道，國內(nèi)開始開發(fā)X80鋼級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到了90%。巨龍鋼管完成了X80鋼級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)督檢驗中心的檢測評價。X80鋼級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，焊接合格率達到100%；0℃條件下DWTT剪切面積百分比平均值達到了95%以上。

4 存在的主要問題及建議

4.1 X90/X100鋼級直縫埋弧焊管

止裂問題是高鋼級、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，要求強度和韌性同時增加，而管線鋼的強度和韌性本身就是一對矛盾。對X90/X100鋼級管線鋼而言，獲得高強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，強度提高，夏比沖擊韌性卻呈減小趨勢，尤其是當Ceq∧0.44%或Pcm∧0.17%時，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部分成分導致的韌性降低，但合金元素含量的增加將導致高鋼級焊管獲得高韌性極具難度，同時也給環(huán)焊焊接帶來挑戰(zhàn)。碳當量及冷裂紋敏感系數(shù)對熱影響區(qū)沖擊功的影響如圖1～2所示。

圖1 碳當量對熱影響區(qū)沖擊功的影響

圖2 冷裂紋敏感系數(shù)對熱影響區(qū)沖擊功的影響

X100鋼級直縫埋弧焊管難以依靠自身韌性止裂，必須借助止裂器。關于止裂器的研究在國外有所進展，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部分。止裂器可以由金屬材料制成，也可以由無機材料（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。借助止裂器，建設X100鋼級管道的現(xiàn)實意義大大增加。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，即使不考慮止裂韌性，X100鋼級直縫埋弧焊管力學性能的穩(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，止裂器的使用也會增加管道建設成本，其經(jīng)濟性還需重新考量。在近期的管道工程中大量使用X100鋼級直縫埋弧焊管難度大，但應盡快開展相關研究。

與X100鋼級直縫埋弧焊管相比，X90鋼級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Φ1 219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管的強度較好，而且平均夏比沖擊功達到了304 J，幾乎達到了保守估計的平均沖擊功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予以驗證。如果氣體爆破試驗能夠證明不需要如此高的韌性值，比如降至高于265 J，則X90鋼級直縫埋弧焊管的現(xiàn)實意義將大大增加。同時，從目前的試制結(jié)果來看，X90鋼級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Φ1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管管體的夏比沖擊功平均值也達到了325 J，試制的X80鋼級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鋼級直縫埋弧焊管的壁厚要薄很多，通過進一步優(yōu)化化學成分和工藝，可以使其管體的夏比沖擊韌性進一步提高，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證明X90鋼級直縫埋弧焊管自身止裂存在一定風險，但通過適當采用止裂器，X90鋼級直縫埋弧焊管的使用仍具有現(xiàn)實意義。目前，雖然對X90鋼級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。國外對于高鋼級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?shù)碾y度。環(huán)焊技術(shù)及工藝的穩(wěn)定性可能最終會成為決定X90鋼級直縫埋弧焊管能否被應用的主要因素。

4.2 X80鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管

與X90鋼級直縫埋弧焊管相比，X80鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管的研制取得了較好的效果。關于鋼板寬度增加后造成壓縮比的降低從而對DWTT性能的影響，沒有預計的嚴重，25.7 mm及以下X80鋼級直縫埋弧焊管的DWTT性能不存在實質(zhì)的問題，30.8 mm及以上壁厚直縫埋弧焊管的DWTT性能通過改進和優(yōu)化后也會得到較好的保證，保證單爐試制單個值不小于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鋼級直縫埋弧焊管夏比沖擊功達到了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鋼級直縫埋弧焊管環(huán)焊試驗方面出現(xiàn)了一些問題，但研究已經(jīng)取得了較大進展，X80鋼級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Φ1 422 mm直縫埋弧焊管所需鋼板寬度已達4.4 m，需要5 m及以上軋機才能生產(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，運輸以及施工設備方面可能成為制約X80鋼級Φ1 422 mm直縫埋弧焊管使用的因素。以火車運輸來看，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，這將導致運費增加。

盡管X80鋼級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Φ1 422 mm×30.8 mm單爐試制也獲得了成功，但仍應高度關注X80鋼級厚壁直縫埋弧焊管的DWTT性能，應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，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鋼級直縫埋弧焊管在-45℃條件下進行夏比沖擊試驗，在-20℃條件下進行DWTT試驗，這無疑使X80鋼級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鋼級及直縫埋弧焊管的開發(fā)和應用方面取得了顯著成績，開發(fā)出了X80鋼級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需求。

（2）X90鋼級直縫埋弧焊管的研制取得了階段性進展，小批量試制結(jié)果表明其強度沒有實質(zhì)問題，獲得自身止裂是可行的。應盡快通過全尺寸爆破試驗確定X90鋼級直縫埋弧焊管所需的止裂韌性，同時通過工藝優(yōu)化進一步提高管體韌性。X90鋼級直縫埋弧焊管用于管道建設具有可行性，但仍需加快焊接以及提高韌性等問題的研究步伐。

（3）X100鋼級直縫埋弧焊管無法依靠自身止裂，必須使用止裂器。X100鋼級直縫埋弧焊管的生產(chǎn)離技術(shù)成熟仍有很大距離，還需針對力學性能的穩(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Φ1 422 mm直縫埋弧焊管技術(shù)可行性強，雖然X80鋼級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鋼級直縫埋弧焊管、低溫用管的進一步研究工作，以滿足未來管道建設需求。

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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，工學博士，高級工程師，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。