大口径钢管的制造工艺及性能要求

本文介绍了大口径钢管制造工艺、钢管性能要求和上游工艺的技术进步。

1 总结钢管制造方法

1.1 大口径焊接钢管的制造方法

大口径钢管由厚板和热轧板成型焊接而成。制造方法首先按焊接方法进行分类，采用高效可靠的埋弧焊（submerged arc welding）钢管称为saw钢管。本文讨论的大口径钢管主要针对这种saw钢管。saw钢管分为l-saw和螺旋焊接埋弧焊螺旋钢管-saw。l-saw钢管有适合大批量生产的uo成型法，适用于品种多少的弯曲辊法和压力机床法。

jcoe成型法介于uo成型法和压力机床法之间。压力末端是否有膨胀工艺对钢管性能有很大影响，是否有该工艺也是分类方法之一。h-saw相当于螺旋焊管，将板卷钢板形成螺旋形，然后焊接对接部分。除了传统的成型定位焊接方法外，为了获得高生产率和高质量的钢管，还可以在其他生产线上采用定位焊接后的两步螺旋焊接方法。

1.2 uo钢管的制造方法

UO钢管的原材料一般采用厚板，有时也采用剪切热轧带卷。钢板焊接坡口的加工方法有：预弯边缘（用C型压力机将钢板边缘弯曲至接近产品曲率）；u形成型(用u形压力机将钢板压成u形)；o形成型(用o形压力机冷成型为o形)。加工后采用gmaww（gas metal arc welding：熔化极气体保护电弧焊)等方法对焊缝进行定位焊接，从内到外采用saw焊缝后，进行约1%的扩径。该方法一般称为uoe成型法，在提高正圆度的同时，消除焊缝部位的残余应力。为了衡量钢管的完整性，1%的塑性变形不会破裂作为衡量指标。

1.3 螺旋焊管的制造方法

螺旋焊管轧机由开卷机、成型机、内外焊机、超声波探伤机、飞剪等设备组成。一般以热轧带卷为原料，也采用斯特克尔轧机生产的热轧钢板。一般先焊接内表面，旋转0.5或1.5后焊接外表面，一般采用埋弧焊法焊接。螺旋焊管法从连续成型到焊接，采用气体切割法或等离子体切割法切割成规定长度。然后进行端面加工、无损检测、二次加工和外观尺寸检查。

2 性能要求

2.1 管道钢管性能要求

采用管道输送原油和天然气，特别是在保证气体管道安全方面，要求管道钢管具有高科技特性。天然气基本上是通过管道输送的，长途输送可以减少液化天然气（lng）运输成本。输送量为10bcm/a时，lng成本合理的输送距离为3000km。当输送量为25bcm/a时，合理值为5000km。若气体输送量增加，管道输送将增加成本优势。此外，如果采用高压输送，如将管道的进站压力从原来的10mpa增加到14mpa，则可以延长管道输送的运输距离。用于该管道的大口径管道钢管具有以下技术特点。

2.1.1 高内压

为增加气体输送量，可在同一输送气体压力下扩大管道内径，或在同一管道内径下增加输送气体压力。高压输送气体主要用于控制管道施工成本。10mpa通常用于陆上管道。西气东输二线管道设计压力为12mpa，阿拉斯加管道设计压力为15mpa。由于海底管道钢管中途难以设置空气压缩站，因此压力输送较高。陆地管道钢管也计划提高输送压力，但维护空气压缩机等周边机器，降低空气压缩机的运行能耗，确保安全也非常重要。

如果用近似薄壁圆筒表示钢管的周向应力σ，那么σ=pid/2t（pi：内压；d：直径；t：壁厚)，可见增加对总壁厚的应力，会增加内压。因此，有两种选择可以增加壁厚或增加强度，因此管道钢管需要厚壁和高强度。在相同的直径下，提高强度可以降低管壁厚度。无论在哪种情况下，提高强度也可以减轻各单位长度的钢管重量。即使重量降低率不大，钢材成本也可以降低，从而降低钢管的运输成本、铺设沟的挖掘和圆周焊接成本。

在这种情况下，高强度管道钢管的开发和应用。代表性的管道钢管标准是2007年版的iso 在原x80级以下的基础上，3183补充了x90、x100、x120。

近年来，对x80级钢管的需求急剧增加。在降低管道施工成本的需要下，现场圆周焊接从手工焊接到gmaw自动焊接，提高了焊接效率，高强度钢焊接低温裂纹不再是问题。

随着高强度趋势的发展，出现了最基本的强度测量问题。管道钢管的等级规定表明内压参数为圆屈服强度（c-ys），但是很难测量钢管的c-ys。膨胀环试验用于正确的圆周强度测定，但不适用于大量测定。圆弧剪切材料作为小型试验，一般制备成平整厚度样品，进行强度测量。x65级以下扁平样品的强度变化较小，但对于x80级以上，材料加工硬化较小，扁平样品的鲍辛格效果明显，用扁平样品测定的ys低于实际ys。

此外，x80级以上不使用扁平拉伸样品，而是使用可加工的圆棒样品，所有标准都认可圆棒样品。但圆棒样品的值只表示壁厚方向的一部分，必须认识到与整个壁厚的值有些不同(ts低)。在之前的api标准中，油井管和管道钢管ys被定义为0.5%轻负荷屈服强度。比如x120是0.65%轻负荷屈服强度；x100是0.60%，轻负荷屈服强度接近ys。在iso 在3183中，位移0.2%的屈服强度用于x90级以上。但在加拿大标准csa中，x100的屈服强度为0.5%轻负荷屈服强度，略低于位移0.2%的屈服强度。

2.1.2 高韧性

随着极地的发展，需要较低的低温韧性。敷设在加拿大北部的管道韧性保证温度一般为-5℃，但部分极地陆地管道需要-60℃。此外，还应考虑当管道破裂时，当气体喷射时，温度降低。

对于输气管道的低温韧性，应考虑裂纹及其扩展的高速延性断裂。焊接缺陷从现场圆周焊接部位出现裂纹的可能性很高。因此，规定了焊接金属和焊接热影响区的焊接部位（haz）的韧性。在iso 3183要求x80级以上焊缝的焊接金属和haz达到40j以上v型缺口冲击值。近年dnv-os-F101规范要求45j以上。在过去，断裂力学性能值ctod很少用于评估管道钢管的焊缝韧性，但现在有增加的趋势。

此外，由内部焊接形成的粗晶粒haz，由于外部焊接，两相区再加热的iroghaz韧性较低，难以提高该部分的韧性。然而，uoe钢管在塑性区域扩管，并在这部分用ust探伤，没有超过1mm的裂纹。一般情况下，基于dnv的-os-ctod，如F101等。≥安全性评价0.15mm断裂力学计算时，要求值往往远大于要求值。因此，试着采用浅缺口ctod试验和sent试验。此外，考虑到约束应力，采用等效ctod评价方法也是有效的。

即使输气管道破裂，内压也很难降低，所以如果出现裂纹，不稳定性就会扩大。裂纹止裂的必要条件是裂纹传播面首先成为延性破坏的主体，裂纹扩展速度缓慢下降，比减压速度慢。因此，dwtt的韧性断面率要求在85%以上。所需的夏比冲击值一般采用巴特尔二维曲线法计算。可以说，dwtt的传播能力或预裂dwtt比夏比冲击值更合适，高强度钢管很难预测夏比冲击值。近几年来，也尝试用ctoa来评估。然而，有时高强度管道钢管很难停止裂纹膨胀。在这种情况下，裂纹制止器在一定的间隔内使用。

2.1.3 高变形性

管道必须相当于最小屈服强度（smys）的72%、设计内压80%等。因此，只考虑弹性变形来规定圆周强度。但是，在设计管道时，应考虑海底管道的s-lay钢管弯曲、地震引起的地层变化、不连续冻土地带的季节性地层变化、管道塑性变形等。这些特性对钢管纵向强度的影响大于圆周强度。由于弯曲和压缩，钢管本体的变形值很大。

弯曲变形时，压缩侧的压缩首先受钢管直径/壁厚比的影响很大。如果d/t小，压缩变形极限(压缩变形极限)大。在同一个d/中 t时，降低屈服比（y/t），增加加工硬化系数(n)和均匀伸长率（uel），压缩变形极限可以提高。拉伸应变极限与钢管机械性能的关系不明确，但钢管纵向ys低于圆形焊接金属ys。为了实现这一目标，有时设置垂直ys（l-ys）标准下限低于圆周c-ys标准下限。变形性能和低温韧性已成为高强度管的研究课题。

管道钢管应涂防腐涂料，特别是近年来常用的环氧树脂涂料（fbe）。钢管冷成型产生应变时效，应力-应变曲线发生变化，强度增加。在某些情况下，涂层前后的强度特性满足要求值，不产生屈服延伸。有报道称，如果屈服延伸，压缩变形极限降低。

2.1.4 高压溃性

在深海铺设管道时，钢管有可能被水压压碎。若水深超过2000m，压溃压力成为第一设计要素。无高压操作(无内压)时无压溃(安全率1.41)，即要求管道钢管具有高压溃疡性。由于弯曲应力降低了压溃值，因此在设计中也要注意弯曲应力的影响。压溃值在很大程度上受到d/t的影响，因此使用d/t小钢管防止钢管压溃。低d/t，即钢管径（d）如果钢管壁厚变小，输送量减少；（t）增大，使用厚壁钢管。因此，深海工程需要超厚壁钢管。

近年来，在黑海(最深2150m)、地中海(最深2160m)建设了水深2000m以上的深海管道，计划建设第四条穿越深海的地中海管道(最深2800m)。

2.1.5 耐酸性

硫化氢常含于原油和天然气(h2)s）。若钢材暴露在潮湿的硫化氢环境(酸性环境)中，大量氢气侵入钢材，则会导致各种形式的氢脆化。管道钢管的代表性损坏形式是氢裂纹（hic），日本开发了人工海水，将钢材浸泡在h2s饱和气中（ph=5)方法，称为bp试验。后来，这种hic试验被用作nace标准tm0284(1984年制定)。然而，在溶液中，Cu添加到钢中容易形成硫化物，虽然抑制了氢侵入，但存在裂纹敏感性无法正确评价的问题。

然后，用于评估低ph值h2s饱和溶液0.5%ch3的油井管硫化物应力腐蚀试验cooh+5%nacl(一般nace溶液，初始ph值2.7，试验结束时上升到4.0 ）用于hic试验。后者现在被称为a溶液，前者被称为b溶液，记录在tm0284修订版中。近年来，大多数人都要求使用a溶液进行hic试验，并要求clr(裂纹长度率)≤0.15%。

酸性环境是一种腐蚀性环境，因此一般采用耐酸管钢。使用抑制剂时，最高腐蚀速度为0.1-0.5mm/a的情况。因此，采用比按设计压力计算的壁厚更厚的钢管。即使输送含有h2s的气体，脱水后也不会腐蚀，也不会引起氢侵入。如果只是为了应对脱水设备的故障，可以使用高强度钢管，而不考虑腐蚀量。在这种情况下，还可以使用耐酸性x80级钢管。

2.1.6 高耐腐蚀性

当含水量高、二氧化碳分压高、抑制腐蚀的油少时，根据环境采用13cr、耐腐蚀材料，如双相不锈钢、镍基合金等。由于镍基合金价格昂贵，钢管内表面仅采用耐腐蚀合金层，耐压材料表面多采用低合金钢管复合钢管。压力机床法广泛用于成型、轧制、涂层、焊接管缝后热处理的钢管和将耐腐蚀内管机械插入外管的钢管。也有报道称，高镍合金复合钢管是利用uoe工艺开发的。此外，还开发了13cruoe钢管。

2.1.7 UT化现场焊接

自动ust用于大口径管道钢管现场圆周焊接后的无损检测。为了安装机器的导向装置，需要增加工厂内外切割管端的管缝焊接，实现切割自动化和高效。

2.2 土木建筑钢管性能要求

国内螺旋焊管主要用于土木建筑、自来水管道等领域。特别是钢管桩和钢管板桩占很大一部分。作为一种产品，大多数都需要辅助产品的加工和涂层，以提高产品的附加值。结构件的力学性能通过将抗拉强度优越的钢管与压缩强度好的混凝土结合起来提高。为提高钢管与混凝土的结合力，需采用网纹热轧带卷的螺旋焊管。涂层需要防止腐蚀的聚乙烯和聚氨酯涂层。

3 上游工序的技术进步

3.1 炼钢技术的进步

为了实现管道钢管的高韧性和耐酸性，需要高纯度、高清洁度的钢液。为了抑制hic和mns的生成，采用真空脱气法和粉末喷涂生产低硫钢技术。20世纪80年代中期，钢铁公司建立了控制硫含量低于10ppm的技术，并建立了将mns改为cas的ca添加技术。

减少连铸板坯的中心偏析对抑制hic非常重要。研究表明，中心偏析可以通过缩短辊间距、轻压板坯凝固端来减少。连铸机的垂直段对夹杂物的浮动有很大的影响。

3.2 厚板制造技术的进步

3.2.1 tmcp

TMCP技术是一种与高级管道钢管制造同步发展的技术。20世纪80年代以来，控制轧制后的加速冷却工业化，从x60到x65、在x70级管道钢的高强度过程中，耐酸钢和管道钢的加速冷却利用率显著提高。第二代加速冷却设备旨在进一步快速冷却和均匀冷却，例如，super-olac(1998年福山厂)和clc-μ(2006年，君津厂)等。控制冷却的目标是生产材料均匀的厚钢板，以及在加速冷却后设置感应加热装置的在线热处理设备（hop），用于快速加热是TMCP条件多样化的应用实例。

3.2.2 组织控制

x60采用加速冷却生产的x60、X65级管道钢的主体组织由奥氏体相变铁素体组成。然而，低碳钢中第二相的比率较低，因此铁素体主体组织不能高强度化。所以，X80级以上的管道钢应该适用于贝氏系统组织。从焊接的角度来看，C含量 用低碳贝氏体钢制造高强度管道钢管，0.03%-0.08%的钢液。这些钢的50%相变温度与抗拉强度的半定量关系。例如，x120级管道钢管是一种含有0.04%左右相变的下贝氏体钢或约500℃相变的下贝氏体钢 上贝氏体钢的强度为0.06%。x100级是550-600℃相变的c含量 0.06%上贝氏体+粒状贝氏体钢获得强度。x80级是600-650℃相变粒状贝氏体钢的强度。

适用于x120级管道钢管的下贝氏体钢中碳对强度影响较大，板坯加热时会引起异常相变，有时会变成粗奥氏体晶粒。低碳贝氏体组织容易达到高强度，一般夏季比低温韧性好，但存在dwtt性能有时低、加工硬化小等缺点。为了弥补这些不足，还将ma组元(马氏体-奥氏体)和多边形铁素体引入贝氏体主体组织。此外，细化扁平奥氏体晶粒的厚度也能提高低温韧性。

随着ma比例的增加，钢板y//t(屈服强度/抗拉强度)降低。淬透性高的低碳钢在加速冷却状态下产生少量ma。使用hop，如相变途中再加热，碳扩散到未相变的奥氏体相，ma比例增加。当然，如果钢板采用uoe工艺成型，由于冷加工强度的变化，钢板y/t低，钢管y/t不一定低。c方向是主要变形方向。根据钢的不同，变化范围也不同。dwtt韧性断面率随着铁素体比例的增加而增加。当钢板通过加速冷却冷却到低温区域时，铁素体比的变化对抗拉强度影响不大。这是因为如果铁素体比例增加，碳就会浓缩到周围的奥氏体，成为高强度的低温相变组织。

3.3 高强度管道钢管热轧钢板制造技术进步

螺旋焊管管钢管直径大，多为厚壁钢管，高强度优势不易显现。近年来，为了生产20mm超厚热轧带卷，有一种轧机，可以增强轧机的能力，加强水冷设备。然而，与厚板轧制相比，热轧过程中的低温控制轧制有更多的限制。例如，由于轧制速度快，很难提高冷却能力，而且冷却到低温时也不容易卷起。

此外，还开发了0.08%-0.11%nb添加0.04%c钢htp（high temperature processing）钢铁已批量生产。随着nb添加量的增加，cvn能量降低，强度增加，但饱和度达到0.1%左右。因此，推测0.1%nb是边界。