高性能石油管道天然气管道的研发探讨

      近十年来，我国油气供给与管道建设呈现跨越式发展，管道总里程超过12×104km，跨入中国五大运输体系行列。在全球油气资源方面，非常规油气资源占比更大（约80％），且非常规油气资源几乎未开采，将是未来开发的重点。非常规油气资源，一般分布于偏远且地理环境恶劣的区域，这给石油管道建设及管材选用提出了更高的要求。为保障油气输送管道的安全运行，尽可能降低成本，需着力开展高性能油气输送管的研发与应用，如超高强度钢管、低温环境用钢管、腐蚀环境用管、大应变钢管和深海油气开发用钢管等。

      1      超高强度（X90及以上）钢管

      提高强度不仅可以减小钢管壁厚和质量，节约钢材成本，而且由于钢管壁厚的减小，还可降低钢管运输成本和焊接工作量，从而大幅降低管道建设的投资成本和运行成本，高钢级钢管的应用已经成为管道工程发展的一个必然趋势。

      目前，国外的新日铁和欧洲钢管公司均开发了X100、X120钢管，国内也正在开展X90/X100钢管开发、工程应用关键技术研究，提出了典型高强度油气输送管的化学成分和力学性能。

      国内钢铁企业在第1轮X90管线钢试制中，采用了较高的合金成分设计方案（A厂），与国外JFE同类产品相比，碳当量更高，合金成本更大。此方案主要通过增加钢中碳和合金元素的含量来提高钢的强度水平，优点是TMCP工艺要求相对较低，缺点是现场焊接性能差。在我国长输管道的现场环焊中，一般采用自保护药芯焊丝半自动焊工艺，其自保护药芯焊丝中的高铝成分设计，会显著恶化焊缝金属组织及性能。因此，第一轮试制的X90钢管未通过自保护药芯焊丝半自动焊环焊工艺评定。在此基础上，调整设计方案，降低合金元素含量，进行了第2轮试制。第2轮试制产品的碳当量（B厂）与JFE产品相差不大，通过了自保护药芯焊丝半自动焊环焊工艺评定。

      国内第2轮试制的X90钢管虽然合金成本及整体性能指标与JFE产品相当，但在个别性能方面（如屈服强度等）仍存在不足，说明我国X90等高钢级钢管的生产水平与世界先进水平相比尚有一定差距，因而需要冶金企业、钢管制造厂、施工单位、管材用户和科研院所等机构协调配合、深入研究，逐步提升国内高强度管线钢生产及应用水平。

      2      低温环境用钢管

      我国新疆油田和大庆油田外输管道冬季最低温度为-34℃或更低。几年前西一线轮南首站的低温液气分离器脆性断裂，造成了严重后果，近年来高钢级三通在试压过程中也频繁出现脆性爆裂，为此，输送管的低温脆断问题需引起高度重视，并积极开发低温环境用高强度钢管。

      目前，对于低温环境钢管的断裂韧性要求，不同标准规定不同。ISO      3183-3：1999（GB      9711.3－2005）规定夏比冲击功（CVN）不低于σy（MPa）/10，CVN      试验温度与钢管壁厚有关（尺寸效应，表3）。2007      年，ISO      3183：2007与API      Spec      5L      44      版合并，降低了CVN      值的要求，试验温度改为0℃。当时专家们的争议很大，现欧洲部分用户仍采用老版本标准中更严苛的规定。

      3      腐蚀环境用管

      在油气田开发中，未经净化处理的石油和天然气，通常含有H2S、CO2、Cl-、H2O      等腐蚀性介质。为避免管道腐蚀失效，此类油气输送需要采用具有耐腐蚀性能的材料，包括碳钢和低合金钢、不锈钢、镍基/铁镍基合金以及钛合金等。管道选材应根据输送介质的压力、温度及H2S、CO2和Cl-含量等确定。根据日本住友金属的选材指南，当管输介质中pH2S<0.0003      MPa，pCO2≤0.02      MPa      时，选用碳钢和低合金钢；当管输介质中pCO2>0.02      MPa，pH2S<0.003      MPa      时，选用13Cr或超级13Cr      不锈钢；当管输介质中pCO2>0.02      MPa，0.003      MPa≤pH2S<0.01      MPa      时，选用双相不锈钢；当管输介质中pCO2>0.02      MPa，pH2S≥      0.01      MPa      时，选用镍基或铁镍基合金。NACE      MR0175标准则提供了在含湿硫化氢的油气产品环境下管材的评价和选用方法。

      根据NACE      MR0175，API      Spec      5L（45      版）附录H给出了酸性服役条件PSL2钢管（下称“抗酸管”）的技术要求。国外抗酸管的研制较早，欧洲钢管公司抗酸管的销售量已占30％以上。国外批量供应的抗酸管主要是X65钢级，X70钢级的抗酸管业已研制成功，并在墨西哥一条管道工程中得到应用。我国抗酸管的研发刚刚起步，部分钢厂开发出了X65MS、X70MS耐酸管。