我国管材及制管工业的发展趋势

我国管材及制管工业正处于快速发展的大好时期，是朝阳工业。在当前的大好形势下，我们必须以市场为导向，既看到近期的需求，更要看到远期，避免盲目性，把资金、技术力量用在 " 刀刃上 " ，决不能一哄而上。
    我国的管道工业在近十年必定处于快速发展的时期，这是由以下三个因素决定的：
    1 、我国国民经济将会继续保持快速发展的势头，这是国内、外绝大多数经济专家所预测的；
    2 、在经济快速发展的进程中，就像所有的发达国家一样，我国必定会经历一场能源结构的变，即以煤为主逐步转向以石油、天然气为主，而后者均是由管道运输的；
    3 、成品油运输方式的转变。我国早期成品油几乎全部用火车运输，除军用的 " 格拉 " 管线外，成品油管线几乎为零。从安全考虑及经济效益的趋动，相信未来十年管道输送将全部代替火车运送成品油。经济发达国家在七十年代已逐步取消火车运送成品油，在这些国家的油管道中，就长度而言，成品油管道远远超过原油管道。
    在管道的建设投资中，钢管大致可占到 30-40 ％左右，由此看出在管材和制管行业的投资有可能获得较高的效益。但由另一方面看，由于人们愈来愈深的对 HSE 的关切，所以对管材和制管的质量要求愈来愈高，亦即对管道用钢管的可靠性要求越来越高。再者由于在一定范围的提高输送压力可节省投资、降低运输费用，所以输送压力，尤其对输气管线有逐渐提高的趋势，从而对管材的强度、冲击韧性等一系列指标的要求有所提高。此外由于油气田逐渐向高寒地区、海上以及高含硫等资源进展，这些也给管道钢管及管材提出了更高要求。
    由此看出，管材和制管行业机遇与挑战并存。我国冶金及制管业为我国管道工业的发展已做出了很大的贡献，但要充分满足未来的要求还需付出更大的努力，本文仅就此做进一步阐述。
    在我国未来管道工业的发展中，预计天然气管道所用的钢管重量约占油、气管道总钢管用量的 70 ％以上，故在以下的论述中重点偏重在输气管线上。
    一、关于钢级
    管道介质的输送压力有逐渐增高的趋势，在输气管线上尤为明显。这是因为在一定范围内提高输送压力会增加经济效益，以输气管线为例，在输量不变的条件下，随着输送压力的提高气体的密度增加而流速减小，从而使摩阻下降。
    在一条输气管线的站间距内由进站到出战压力逐渐下降，而流速逐渐增加，随之摩阻也逐渐增加，故离进站口 3 ／ 4 长度消耗生出站压差△ p 的一半，而后 1 ／ 4 长度消耗另一半。输气管线与输油管线最大的差别是由进站到出站流速是逐渐增加的，这是介质的可压缩性造成的。而油基本上是不可压缩的，虽然输送压力沿管程逐步下降，但流速是不变的，摩阻也是前后相同的。由此看出对于输气管线压力的提高可使摩阻下降，而输送能耗下降。
    还应指出，输气管线的能耗远比输油为大，仅以西气东输管线为例，该管线输送压力 p ： 10MPa ，输量为 120 亿 m3 ／年，管线长度为 4000KM ，粗略按经验估计能耗大致为 12 亿 m3 ／年，而输量的。 1/10 作为沿途的能源消耗掉了。
    由于对降低能耗的关切，输送压力有逐步增加的趋势。早期我国四川省的天然气管线输送压力为 2.5MPa ，以后增加到 4MPa ，陕京线提升为 6MPa ，西气东输增至 10MPa ，国外经济发达国家近十气输气管线多选取 12MPa 。
    在输气管线上压比亦有逐渐下降的趋势。所谓压比指进站压力与出站压力之比，压比减少意味着全线均在较高的压力下运行，这样也可使能耗减小。早期压力多为 1.6 ，后来降至 1.4 ，近年国外有些输气管线取压比为 1.25 。当然，压比减小，压缩机站数要增加，从而投资会增加。对于管径、压力、压比均需进行优化计算和比选。
    当输量确定，通过优化确定管径、压力、压比以后，如选取较高压力而钢材强度等级太低，则会造成壁厚过大，这给制管、现场焊接以及运输等诸多环节带来困难，甚至难以实现。生产的需求促进了钢材等级的提高。
    API 于 1926 年发布 APl5L 标准，最初只包括 A25 、 A 、 B 三种钢级，最小屈服值分别为 172 、 207 、 251MPa 。
    API 于 1947 年发布 APl5LX 标准，该标准中增加了 X42 ， X46 ， X52 三种钢级，其最小屈服值分别为 289 、 317 、 358MPa 。
    1966 年开始，先后发布了 X56 、 X60 、 X65 、 X70 四种钢级，其最小屈服值分别为 386 、 413 、 448 、 482MPa 。
    1972 年 API 发布 U80 、 U100 标准，其最小屈服值分别为 551 、 691Mpa ，以后 API 又将 U80 、 U100 改为 X80 、 X100 。
    粗略统计，全世界 2000 年以前 X70 用量在 40 ％左右， X65 、 X60 均在 30 ％左右徘徊，小口径成品油管线也有相当数量选用 X52 钢级，且多为 ERW 钢管。
    关于 X80 钢级，国内、外议论很多，国际上曾对 X80 研制已耗巨额投资的钢铁巨头更是积极宣传 X80 ，甚至 X100 ，但时至今日 X80 只处于 " 试验段阶段，总长仅 400KM 左右。目前正在建设中的管线尚无采用 X80 钢级的，计划中或正在准备中兴建的管线尚无下定决心采用 X80 者，对此笔者曾与国外多家管道工程公司 ( 负责管道设计 ) 的技术人员交换过意见，大家看法基本相同，
    大致可归纳如下：
    1 、 X80 钢级随着操作压力的提高及准备工作的完善将来必定会得到发展；
    ２ 、当前大石油业主不愿意首先选用 X80 大致出于以下原因：
    (1) 某一种新钢级 ( 包括炼钢、轧制、制管 ) 由开始生产至熟练的生产要有一个不合格率由高至低的过程，用同样的检验手段其出厂的不合格率也会有一个由低至高的过程，首先采用者要承担此风险；
    (2) 在现场焊接过程中，包括预热温度、层间温度、热入量等对新钢级要有一个探索过程，在此期间不合格率也有一个由高至低的过程，首先采用者更多地承担此风险；
    (3) 采用 X80 后，现场使用的冷弯机、焊丝、环缝自动焊机、热弯头工艺等可能需要改变，重新购置或研制，从而增加了工程费用；
    (4) 采用 X80 后，同样直径，当操作压力不够高的情况下，钢材强度等级的提高意味着厚度的减薄，亦即厚度直径比 (t ／ D) 的减小，这也就意味着管线刚性的降低。从事故分析及风险分析看，管线的第三方破坏通常占破坏原因的 40 ％以上，而管线抵抗第三方破坏能力仅与 t ／ D 比有关而与强度等级无关。
    从我国国情看，我国虽然经济近十多年迅速发展，但仍属发展中国家，笔者建议在采用 X80 问题上我们不做 " 第一个吃螃蟹 " 的人，采取 " 韬光养晦 " 的策略，这对业主单位有利对我国冶金行业也有利。
    我国冶金行业在近十余年来为发展管道钢付出了极大的辛劳，取得可喜的业绩，目前正在全力攻关 X70 宽板 ( 做直缝埋弧焊焊管用 ) 并积极为能稳定 X70 热轧卷板的质量做努力，如当前决定大量采用 X80 钢级，因我国冶金业对此既无经验又无业绩而难与国外冶金行业竞争，笔者对我国冶金业不仅有深厚的感情，也深信我国冶金业的能力，但不宜操之过急，当然目前抽出少量的力量对 X80 进行探索还是必要的，但必须抓住主要矛盾。

  二、关于金相组织
    随着钢材等级的提高，冲击韧性的增加以及其它一些指标如 FATT 的降低等炼钢工艺及轧制工艺也相应的有所变化，最终金相组织形态也跟着变化，这是很自然的。然而作为业主单位 ( 买方 ) 有无必要在定货技术条款上对金相组织提出确定的要求，诸多管道专家有不同的看法。
    管线钢按金相组织形态分类至今大致有以下四种：
    1 、铁素体一珠光体钢：简称为 FP(Ferrite-Pearlite) ，基本成份为 C 、 Mn ，有时加少量 Nb 、 V ，一般 C 成份为 0.10-0.25 ％， Mn 成份为 1.30-1.70 ％，轧制工艺采用热轧及正火。
    X52 及以下各钢级均采用此种工艺，我国早期所建的管线，如四川的管线， " 东八三 " 所建的管线均属此种钢，当时一部分国内生产， " 东八三 " 所用的管道钢基本上是国外进口的。当采用更高钢级时，为提高强度需增 C ，但 C 增加使可焊性下降、 FATT 上升，故必须另找出路。
    2 、少珠光体钢，这种钢通常将珠光体控制在 15 ％以下，从化学成份上分有以下三种：
    (1)Mn-Nb 钢
    (2)Mn-V 钢
    (3)Mn-V-Nb 钢
    C 成份一般控制在 0 ． 1 ％以下，轧制工艺采用控轧，以上又称为 " 微合金控轧钢 " ，钢级中 X56 、 X60 、 X65 、 X70 钢可采用这种钢。
    3 、针状铁素体钢 (Accicular Ferrite) 这种钢主要化学成份为 C 、 Mn 、 Nb 、 Mo ，采用控轧工艺，这种钢相对于前者包辛格效应小且减少偏析，多用于 X65 、 X70 钢级，根据报导国外有少量 X80 钢试制时也采用这种钢，其缺点为由于加 Mo 而 Mo 。的价格较贵，故成本偏高。
    4 、超低炭贝氏体钢 (U1tra Low Carbon Bainite) 这种钢主要化学成分为 Mn 、 Nb 、 Mo 、 B 、 Ti ，采用控轧、控冷工艺，通常 C 含量小于 0.03 ％，这是最新一代产品，其特点为不仅强度高且冲击韧性高、可焊性好、 FATT 值低，从发展看将来 X70 以及以后可能会较多采用的 X80 均会应用这种钢。由以上论述看出，对于 X70 ，少珠光体钢、针状铁素体钢、超低炭贝氏体钢均可采用。笔者意见对于某一种钢级而言，只要能满足业主单位所提出的管材的机械物理性能即可，不必限制冶金单位必须采用何种工艺。各冶金厂条件差别很大，各自有其特点和优势， " 条条大路通罗马 " ，对 X70 限制必须采用针状铁素体似无必要。笔者与许多国外管道设计专家交换意见，大家看法是一致的。
    三、关于管型
    目前在油气管道上常用的管型有螺旋埋弧焊管 (SSAW) 、直缝埋弧焊管 (LSAW) 、电阻焊管 (ERW) ，当直径较小时 ( 如直径为 152mm 或更小 ) 则选用无缝钢管。
    我国早期由前苏联引进螺旋埋弧焊管技术，随着管道工业发展，在六十年末至七十年代我国的螺旋管厂迅速发展，至今大型螺旋钢管厂有五、六家，加上中小型及民营螺旋管厂总计有数十家。我国原油管线几乎全部采用螺旋钢管，气管线，如 " 西气东输 " 管线，一类地区选用螺旋钢管。
    国外经济发达国家由七十年代末、八十年代初开始，用直缝埋弧焊管逐渐取代螺旋钢管，至今绝大多数八十年代到目前新投产的气管线几乎均采用直缝埋弧焊管。
    螺旋钢管具有产生缺陷的概率高、内应力大、尺寸精度差等缺点，这是其被淘汰的主要原因 [1] 。螺旋焊管面临着两种命运，一为淘汰，二为改造。
    据了解，欧洲及加拿大有着螺旋钢管厂改造非常成功的范例，主要方法有卷板两侧 ( 约 50mm 宽度范围内 ) 进行超声波探伤、同时两侧用铣边机加工出坡口，压边以及预精焊分开等等。我国管道专家黄志潜等曾多次就螺旋管改造问题赴国外考察，并做出详尽、精辟的论述，建议国内各螺旋管厂参照进行改造 [2] 。
    上个世纪 (2000 年以前 ) 我国所建的长输管道绝大多数采用螺旋焊管，在笔者任中国石油天然气管道局总工程师的十五年间曾处理过大量的事故，其中相当大的部分为螺旋焊缝开裂。
    前苏联曾大量采用螺旋埋弧焊管，据有关方面材料，前苏联管道事故率远高于欧美，且钢管缺陷造成事故的比例也远远高于欧美，苏联解体前数年曾由日本大量进口直缝埋弧焊管并建成若干直缝埋弧焊管工厂，但由资料上看有些是双焊缝的 [3][4] 。
    2002 年笔者及一些国内专家与俄国 gasprom 专家闲谈时，他们意见，如现有的螺旋管质量不提高，输气管线应采用直缝埋弧焊管。
    笔者建议，我们应采取 " 两条腿走路 " 的方针，一是积极改造现有螺旋管厂，笔者相信，现有螺旋管经认真改造后，不仅原油管线可大量采用，输气管线部分地区也可采用，这仍是大有前途的；二是大力发展我国直缝埋弧焊管制管业，采取 UOE 或 JCOE 均可。

ERW 钢管具有内外表面光洁、尺寸精度好、价格相对较低的优点，目前在国内、外已广泛采用。早期国产 ERW 钢管曾先后出现过两次较大事故，均因热处理偏离焊缝造成的，但这种事故是可以完全避免的。今后成品油管线相信会大量采用 ERW 钢管 [5] 。
    四、关于钢管的韧性指标 [6] [7] [8]
    钢管的韧性指标是与钢管的强度的指标一样，都是最重要的机械物理性能指标，韧性指标一般从三个方面提出要求。
    1 、 FATT 指标
    FATT 是 Fracture Appearance Transition Temperature 的简称，通常译为 " 韧脆转变温度 " 。 FATT 可分为三种：一种以 DWTT 试验为依据，用其剪切面积 (ShearArea) 为 80 ％或 85 ％所对应温度为转变温度，这种方法应用的最多，且剪切面积多取 80 ％，另一种以夏比试验为依据，第三种以爆破试验为依据。
    提出 FATT 要求是保证管线不发生脆性断裂，通常取 FATT 值为设计的管线可能产生的最低温度再减 10 ℃。
    世界管道史上最早也是最严重的一次脆性断裂事故发生在 1960 年，在美国 Trans-Western 管线上进行气压试验时发生的，该管线直径 30 英寸 (762mm) ，壁厚 0 ． 375 英寸 (9 ． 5mm) ，钢级为 X56 ，破坏时环向应力仅为 0 ． 63(SMYS) ，断裂总长 13 ． 36km 。爆破时飞出 19 块碎片，取出两块做夏比冲击试验，其剪切面积仅为 10 ％和 40 ％。此事故以后引起全世界的关注，并促进了断裂力学及断裂动力学的发展。
    1974 年冬季，大庆至铁岭复线嫩江穿越段在陆上进行气压试验时发生脆性断裂，事故后笔者赶往现场进行事故调查和处理。该管线直径 720mm ， X52 钢级试压至大约 4 ． 5Mpa 爆破，穿越段全长近 2km 全部脆断，有些碎块飞出近百米以外。笔者仔细的观察了多数断口，其剪切面积大致在 5-15 ％范围内。该管线因采用热输，故钢材定货时未提出 FATT 要求，因赶进度，施工队伍在未经讨论的情况下，决定冬季气压试验以致造成事故 [9] 。
    由以上看出，无论对输气管线还是输油管线都必须按规定提出 FATT 要求，以避免脆性断裂。
    2 、起裂韧性指标
    钢管中的缺陷长度 2a( 或当量裂纹长度 ) 由于疲劳裂纹扩展、腐蚀裂纹扩展等诸多原因，会逐渐增长，当 2a 增长至临界裂纹长度 2ac 时，则发生 " 质变 " ，由稳定裂纹增长变成失稳扩展。以上 a 代表钢管中缺陷或当量缺陷长度的一半， ac 为临界裂纹长度的一半。
    ac 的数值与钢管的韧性有关，冲击韧性越高， ac 值越大，所以冲击韧性也是材料对缺陷的 " 容忍程度 " 或 " 容忍能力 " 的一个指标。
    管道工作者要求在管线整个服役期限内 ( 或管线整个寿命期内 )2a 达不到 2ac ，这样管线就不会发生失稳扩展，而稳定扩展只要达不到失稳扩展则是无害的，而且稳定扩展也是必定会产生的。
    随着管线工作条件的不同，稳定扩展的速度也是不一样的，故起裂韧性指标也不尽相同。
    3 、关于失稳扩展的止裂 [8]
    我们要尽一切努力使管线不发生起裂，但有时起裂是难以完全避免的，这样我们还必须退一步打算，即一旦发生起裂，由稳定扩展转变为失稳扩展时，失稳扩展必须得到止裂。
    由于管道工作者提出明确的 FATT 要求以及冶金工业的技术进步，除早期发生过脆性断裂扩展事故外，近几十年所发生的失稳扩展均系延性扩展。
    在世界管道史上第一次延性失稳扩展发生在六十年代末期，管径 36 英寸，钢级为 X65 ，断裂长度接近 1000 英尺 (304 ． 8m) 。以后，直径在 12-36 英寸范围内，钢级 X60 、 X65 、 X70 均发生过这种破裂。近二十余年关于管道断裂的研究工作主要集中在延性断裂的止裂上，而且取得可喜的成就。目前在美国、英国、日本等地均有研究小组及试验场地，诸多的研究成果比较接近。
    笔者在九十年代初曾与冶金专家肖季美教授等共同研究、探讨，在各种方法中我们推荐采用 Battele 方法， 2001 年 Battele 几位专家访华时曾详细介绍了他们的理论与试验一致性的事实。在这方面我国及国外已有数百篇论述，详细计算请参考文献 [8] 。
    以上仅供广大读者参考，不妥之处还望读者指正。
    参考文献
    〔 1 〕潘家华： " 提高我国螺旋焊管质量的努力方向 " ， " 潘家华油气储运工程著作选集 " 第二卷 ppl03-108 ，石油工业出版社， 2001 年 3 月第一版；
    〔 2 〕黄志潜： " 国外油气输送管道用螺旋埋弧焊管制造技术的发展 " ， " 石油管工程应用基础研究论文集 "pp20-27 ，石油工业出版社， 2001 年 8 月；
    〔 3 〕 ViCtor Star0Stin ： "Pipeline disaster in the USSR" ， Pipe and Pipeline International ， March-April ， 1990 ， pp7-8 ；
    〔 4 〕 "Soviet NGL Pipeline expl0Sion 1ikely t0 tightenSuperViSion"Jane 12 ． 1989 ． 0i1 and Gas Journal ， p25 ；
    〔 5 〕潘家华： "ERW 钢管的历史与发展前景 " ， " 潘家华油气储运工程著作选 " 第三卷， pp87-92 ，石油工业出版社， 2001 年 3 月第一版；
    〔 6 〕 G ． T ． Hahn ， M ． F ． Kanniren ： "FaSt Fracture and Crack Arreest " ASME ， AmeriCan Society for TeSting and Materials ， 1916 Race Street ， Philadelphia ， Pa 19103 ；
    〔 7 〕潘家华： " 油气管道断裂力学分析 " ，石油工业出版社， 1989 年 9 月，北京，第一版；
    〔 8 〕潘家华： " 关于输气管道的止裂研究 " ，焊管，第 24 卷，第 4 期， 2001 年 7 月， ppl-9 ；
    〔 9 〕Pan JiahUa ： "Some Fracture ProblemS in PipelineS" ，此文系潘家华教授于 1983 年在瑞士 Basle 召开的欧洲管道会议上发表的论文，该文选在该会的论文集中， 2001 年选入 " 潘家华油气储运工程著作选集 " 第二卷 ppl5-23