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发布日期：[2006-4-1] 共阅[1616]次 |
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| 我國管材及制管工業的發展趨勢 我國管材及制管工業正處於快速發展的大好時期，是朝陽工業。在當前的大好形勢下，我們必須以市場為導向，既看到近期的需求，更要看到遠期，避免盲目性，把資金、技術力量用在“刀刃上”，決不能一哄而上。
我國的管道工業在近十年必定處於快速發展的時期，這是由以下三個因素決定的： l
、我國國民經濟將會繼續保持快速發展的勢頭，這是國內、外絕大多數經濟專家所預測的；
2 、在經濟快速發展的進程中，就像所有的發達國家一樣，我國必定會經歷一場能源結構的改變，即以煤為主逐步轉向以石油、天然氣為主，而後者均是由管道運輸的；
3 、成品油運輸方式的轉變。我國早期成品油幾乎全部用火車運輸，除軍用的“格拉”管線外，成品油管線幾乎為零。從安全考慮及經濟效益的趨動，相信未來十年管道輸送將全部代替火車運送成品油。經濟發達國家在七十年代已逐步取消火車運送成品油，在這些國家的油管道中，就長度而言，成品油管道遠遠超過原油管道。
在管道的建設投資中，鋼管大致可占到 30 — 40 ％左右，由此看出在管材和制管行業的投資有可能獲得較高的效益。但由另一方面看，由於人們愈來愈深的對
HSE 的關切，所以對管材和制管的品質要求愈來愈高，亦即對管道用鋼管的可靠性要求越來越高。再者由於在一定範圍的提高輸送壓力可節省投資、降低運輸費用，所以輸送壓力，尤其對輸氣管線有逐漸提高的趨勢，從而對管材的強度、衝擊韌性等—系列指標的要求有所提高。此外由於油氣田逐漸向高寒地區、海上以及高含硫等資源進展，這些也給管道鋼管及管材提出了更高要求。
由此看山，管材和制管行業機遇與挑戰並存。我國冶金及制管業為我國管道工業的發展已做出了很大的貢獻，但要充分滿足未來的要求還需付出更大的努力，本文僅就此做進一步闡述。
在我國未來管道工業的發展中，預計天然氣管道所用的鋼管重量約占油、氣管道總鋼管用量的
70 ％以上，故在以下的論述中重點偏重在輸氣管線上。 一、關於鋼級 管道介質的輸送壓力有逐漸增高的趨勢，在輸氣管線上尤為明顯。這是因為在一定範圍內提高輸送壓力會增加經濟效益，以輸氣管線為例，在輸量不變的條件下，隨著輸送壓力的提高氣體的密度增加而流速減小，從而使摩阻下降。
在一條輸氣管線的站間距內由進站到出站壓力逐漸下降，而流速逐漸增加，隨之摩阻也逐漸增加，故離進站口
3 ／ 4 長度消耗進出站壓差△ p 的一半，而後 1 ／ 4 長度消耗另—半。輸氣管線與輸油管線最大的差別是由進站到出站流速是逐漸增加的，這是介質的可壓縮性造成的。而油基本上是不可壓縮的，雖然輸送壓力沿管程逐步下降，但流速是不變的，摩阻也是前後相同的。由此看出對於輸氣管線壓力的提高可使摩阻下降，而輸送能耗下降。
還應指出，輸氣管線的能耗遠比輸油為大，僅以西氣東輸管線為例，該管線輸送壓力
p ＝ 10MPa ，輸量為 120 億 m ’／年，管線長度為 4000KM
，粗略按經驗估計能耗大致為 12 億 m ’／年，而輸量的 1 ／ 10 作為沿途的能源消耗掉了。
由於對降低能耗的關切，輸送壓力有逐步增加的趨勢。早期我國四川省的天然氣管線輸送壓力為
2.5MPa ，以後增加到 4MPa ，陝京線提升為 6MPa ，西氣東輸增至
10MPa ，國外經濟發達國家近十氣輸氣管線多選取 12MPa 。 在輸氣管線上壓比亦有逐漸下降的趨勢。所謂壓比指進站壓力與出站壓力之比，壓比減少意味著全線均在較高的壓力下運行，這樣也可使能耗減小。早期壓力多為
1.6 ，後來降至 1.4 ，近年國外有些輸氣管線取壓比為 1.25 。當然，壓比減小，壓縮機站數要增加，從而投資會增加。對於管徑、壓力、壓比均需進行優化計算和比選。
當輸量確定，通過優化確定管徑、壓力、壓比以後，如選取較高壓力而鋼材強度等級太低，則會造成壁厚過大，這給制管、現場焊接以及運輸等諸多環節帶來困難，甚至難以實現。生產的需求促進了鋼材等級的提高。
API 於 1926 年發佈 AP15L 標準，最初只包括 A25 、 A
、 B 三種鋼級，最小屈服值分別為 172 、 207 、 251MPa 。
API 於 1947 年發佈 AP15LX 標準，該標準中增加了 X42 ，
X46 ， X52 三種鋼級，其最小屈服值分別為 289 、 317 、 358MPa
。 1966 年開始，先後發佈了 X56 、 X60 、 X65 、 X70
四種鋼級，其最小屈服值分別為 386 、 413 、 448 、 482MPa
。 1972 年 API 發佈 U80 、 U100 標準，其最小屈服值分別為
551 、 691Mpa ，以後 API 又將 U80 、 U100 改為
X80 、 X100 。 粗略統計，全世界 2000 年以前 X70 用量在
40 ％左右， X65 、 X60 均在 30 ％左右徘徊，小口徑成品油管線也有相當數量選用
X52 鋼級，且多為 ERW 鋼管。 關於 X80 鋼級，國內、外議論很多，國際上曾對
X80 研製已耗巨額投資的鋼鐵巨頭更是積極宣傳 X80 ，甚至 X100 ，但時至今日
X80 只處於“試驗段”階段，總長僅 400KM 左右。目前正在建設中的管線尚無採用
X80 鋼級的，計畫中或正在準備中興建的管線尚無下定決心採用 X80 者，對此筆者曾與國外多家管道工程公司
( 負責管道設計 ) 的技術人員交換過意見，大家看法基本相同，大致可歸納如下：
1 、 X80 鋼級隨著操作壓力的提高及準備工作的完善將來必定會得到發展：
2 、當前大石油業主不願意首先選用 X80 大致出於以下原因： (1) 某一種新鋼級
( 包括煉鋼、軋製、制管 ) 由開始生產至熟練的生產要有一個不合格率由高至低的過程，用同樣的檢驗手段其出廠的不合格率也會有一個由低至高的過程，首先採用者要承擔此風險；
(2) 在現場焊接過程中，包括預熱溫度、層間溫度、熱入量等對新鋼級要有一個探索過程，在此期間不合格率也有一個由高至低的過程，首先採用者更多地承擔此風險；
(3) 採用 X80 後，現場使用的冷彎機、焊絲、環縫自動焊機、熱彎頭工藝等可能需要改變，重新購置或研製，從而增加了工程費用；
(4) 採用 X80 後，同樣直徑，當操作壓力不夠高的情況下，鋼材強度等級的提高意味著厚度的減薄，亦即厚度直徑比
(t ／ D) 的減小，這也就意味著管線剛性的降低。從事故分析及風險分析看，管線的第三方破壞通常占破壞原因的
40 ％以上，而管線抵抗第三方破壞能力僅與 t ／ D 比有關而與強度等級無關。
從我國國情看，我國雖然經濟近十多年迅速發展，但仍屬發展中國家，筆者建議在採用
X80 問題上我們不做“第一個吃螃蟹”的人，採取“韜光養晦”的策略，這對業主單位有利對我國冶金行業也有利。
我國冶金行業在近十餘年來為發展管道鋼付出了極大的辛勞，取得可喜的業績，目前正在全力攻關
X70 寬板 ( 做直縫埋弧焊焊管用 ) 並積極為能穩定 X70 熱軋卷板的品質做努力，如當前決定大量採用
X80 鋼紋，固我國冶金業對此既無經驗又無業績而難與國外冶金行業競爭，筆者對我國冶金業不僅節深厚的感情，也深信我國冶金業的能力，但不宜操之過急，當然目前抽出少量的力量對
X80 進行探索還是必要的，但必須抓住主要矛盾． 二、關於金相組織 隨著鋼材等級的提高，衝擊韌性的增加以及其他一些指標如
FATT 的降低等煉鋼工藝及軋製工藝也相應的有所變化，最終金相組織形態也跟著變化，這是很自然的。然而作為業主單位
( 買方 ) 有無必要在定貨技術條款上對金相組織提出確定的要求，諸多管道專家有不同的看法。
管線鋼按金相組織形態分類至今大致有以下四種： 1 、鐵素體一珠光體鋼：簡稱為
FP(Ferrite-Pearlite) ，基本成份為 C 、 Mn ，有時加少量
Nb 、 V ，一般 C 成份為 0 ． 10 — 0 ． 25 ％， Mn
成份為 1.30 — 1.70 ％，軋製工藝採用熱軋及正火。 X52 及以下各鋼級均採用此種工藝，我國早期所建的管線，如四川的管線，“東八三”所建的管線均屬此種鋼，當時一部分國內生產，“東八三”所用的管道鋼基本上是國外進口的。
當採用更高鋼級時，為提高強度需增 C ，但 C 增加使可焊性下降、 FATT
上升，故必須另找出路。 2 、少珠光體鋼，這種鋼通常將珠光體控制在 15 ％以下，從化學成份上分有以下三種：
(1)Mn-Nb 鋼 (2)Mn-V 鋼 (3)Mn-V-Nb 鋼 C 成份一般控制在
0 ． 1 ％以下，軋製工藝採用控軋，以上又稱為“微合金控軋鋼”，鋼級中 X56
、 X60 、 X65 、 X70 鋼可採用這種鋼。 3 、針狀鐵素體鋼 (AccicularFerrite)
這種鋼主要化學成份為 C 、 Mn 、 Nb 、 Mo ，採用控軋工藝，這種鋼相對于前者包辛格效應小且減少偏析，多用於
X65 、 X70 鋼級，根據報導國外有少量 X80 鋼試製時也採用這種鋼，其缺點為由於加
Mo ，而 Mo 的價格較貴，故成本偏高。 4 、超低炭貝氏體鋼 (Ultra
Low Carbon Bainite) 這種鋼主要化學成分為 Mn 、 Nb
、 Mo 、 B 、 Ti ，採用控軋、控冷工藝，通常 C 含量小於 0 ．
03 ％，這是最新一代產品，其特點為不僅強度高且衝擊韌性高、可焊性好、 FATT
值低，從發展看將來 X70 以及以後可能會較多採用的 X80 均會應用這種鋼。
由以上論述看出，對於 X70 ，少珠光體鋼、針狀鐵素體鋼、超低炭貝氏體鋼均可採用。筆者意見對於某一種鋼級而言，只要能滿足業主單位所提出的管材的機械物理性能即可，不必限制冶金單位必須採用何種工藝。各冶金廠條件差別很大，各自有其特點和優勢，“條條大路通羅馬”，對
X70 限制必須採用針狀鐵素體似無必要。筆者與許多國外管道設計專家交換意見，大家看法是一致的。
三、關於管型 目前在油氣管道上常用的管型有螺旋埋弧焊管 (SSAW) 、直縫埋弧焊管
(LSAW) 、電阻焊管 (ERW) ，當直徑較小時 ( 如直徑為 152mm
或更小 ) 則選用無縫鋼管。 我國早期由前蘇聯引進螺旋埋弧焊管技術，隨著管道工業的發展，在六十年末至七十年代我國的螺旋管廠迅速發展，至今大型螺旋鋼管廠有五、六家，加上中小型及民營螺旋管廠總計有數十家。我國原油管線幾乎全部採用螺旋鋼管，氣管線，如“西氣東輸”管線，一類地區選用螺旋鋼管。
國外經濟發達國家由七十年代末、八十年代初開始，用直縫埋弧焊管逐漸取代螺旋鋼管，至今絕大多數八十年代到目前新投產的氣管線幾乎均採用直縫埋弧焊管。
螺旋鋼管具有產生缺陷的概率高、內應力大、尺寸精度差等缺點，這是其被淘汰的主要原因（
1 ）。螺旋焊管面臨著兩種命運，一為淘汰，二為改造。 據瞭解，歐洲及加拿大有著螺旋鋼管廠改造非常成功的範例，主要方法有卷板兩側
( 約 50mm 寬度範圍內 ) 進行超聲波探傷、同時兩側用銑邊機加工出坡口，壓邊以及預精焊分開等等。我國管道專家黃志潛等曾多次就螺旋管改造問題赴國外考察，並做出詳盡、精闢的論述，建議國內各螺旋管廠參照進行改造（
2 ）。 上個世紀 (2000 年以前 ) 我國所建的長輸管道絕大多數採用螺旋焊管，在筆者任中國石油天然氣管道局總工程師的十五年間曾處理過大量的事故，其中相當大的部分為螺旋焊縫開裂。
前蘇聯曾大量採用螺旋埋弧焊管，據有關方面材料，前蘇聯管道事故率遠高於歐美，且鋼管缺陷造成事故的比例也遠遠高於歐美，蘇聯解體前數年曾由日本大量進口直縫埋弧焊管並建成若干直縫埋弧焊管工廠，但由資料上看有些是雙焊縫的
(3) (4) 。 2002 年筆者及一些國內專家與俄國 gasprom 專家閒談時，他們意見，如現有的螺旋管品質不提高，輸氣管線應採用直縫埋弧焊管。
筆者建議，我們應採取“兩條腿走路”的方針，一是積極改造現有螺旋管廠，筆者相信，現有螺旋管經認真改造後，不僅原油管線可大量採用，輸氣管線部分地區也可採用，這仍是大有前途的；二是大力發展我國直縫埋弧焊管制管業，採取
UOE 或 JCOE 均可。 ERW 鋼管具有內外表面光潔、尺寸精度好、價格相對較低的優點，目前在國內、外已廣泛採用。早期國產
ERW 鋼管曾先後出現過兩次較大事故，均因熱處理偏離焊縫造成的，但這種事故是可以完全避免的。今後成品油管線相信會大量採用
ERW 鋼管 (5) 。 四、關於鋼管的韌性指標 (6) (7) (8) 鋼管的韌性指標是與鋼管的強度的指標一樣，都是最重要的機械物理性能指標，韌性指標—般從三個方面提出要求。
1 、 FATT 指標 FATT 是 Fracture Appearance
Transition Temperature 的簡稱，通常譯為“韌脆轉變溫度”。
FATT 可分為三種：一種以 DWTT 試驗為依據，用其剪切面積 (Shear
Area) 為 80 ％或 85 ％所對應溫度為轉變溫度，這種方法應用的最多，且剪切面積多取
80 ％，另一種以夏比試驗為依據，第三中以爆破試驗為依據。 提出 FATT
要求是保證管線不發生脆性斷裂，通常取 FATT 值為設計的管線可能產生的最低溫度再減
10 ℃。 世界管道史上最早也是最嚴重的一次脆性斷裂事故發生在 1960 年，在美國
Trans-Western 管線上進行氣壓試驗時發生的，該管線直徑 30 英寸
(762mm) ，壁厚 0 ． 375 英寸 (9 ． 5mm) ，鋼級為
X56 ，破壞時環向應力僅為 0 ． 63(SMYS) ，斷裂總長 13 ．
36km 。爆破時飛出 19 塊碎片，取出兩塊做夏比衝擊試驗，其剪切面積僅為
10 ％和 40 ％。此事故以後引起全世界的關注，並促進了斷裂力學及斷裂動力學的發展。
1974 年冬季，大慶至鐵嶺複綫嫩江穿越段在陸上進行氣壓試驗時發生脆性斷裂，事故後筆者趕往現場進行事故調查和處理。該管線直徑
720mm ， X52 鋼級試壓至大約 4 ． 5Mpa 爆破，穿越段全長近
2km 全部脆斷，有些碎塊飛出近百米以外。筆者仔細的觀察了多數斷口，其剪切面積大致在
5 — 15 ％範圍內。該管線因採用熱輸，故鋼材定貨時未提出 FATT 要求，因趕進度，施工隊伍在未經討論的情況下，決定冬季氣壓試驗以致造成事故（
9 ）。 由以上看出，無論對輸氣管線還是輸油管線都必須按規定提出 FATT
要求，以避免脆性斷裂。 2 、起裂韌性指標 鋼管中的缺陷長度 2a( 或當量裂紋長度
) 由於疲勞裂紋擴展、腐蝕裂紋擴展等諸多原因，會逐漸增長，當 2a 增長至臨界裂紋長度
2ac 時，則發生“質變”，由穩定裂紋增長變成失穩擴展。以上 a 代表鋼管中缺陷或當量缺陷長度的一半，
ac 為臨界裂紋長度的一半。 ac 的數值與鋼管的韌性有關，衝擊韌性越高，
ac 值越大，所以衝擊韌性也是材料對缺陷的“容忍程度”或“容忍能力”的一個指標。
管道工作者要求在管線整個服役期限內 ( 或管線整個壽命期內 )2a 達不到
2ac ，這樣管線就不會發生失穩擴展，而穩定擴展只要達不到失穩擴展則是無害的，而且穩定擴展也是必定會產生的。
隨著管線工作條件的不同，穩定擴展的速度也是不一樣的，故起裂韌性指標也不盡相同。
3 、關於失穩擴展的止裂（ 8 ） 我們要盡一切努力使管線不發生起裂，但有時起裂是難以完全避免的，這樣我們還必須退一步打算，即一旦發生起裂，由穩定擴展轉變為失穩擴展時，失穩擴展必須得到止裂。
由於管道工作者提出明確的 PATT 要求以及冶金工業的技術進步，除早期發生過脆性斷裂擴展事故外，近幾十年所發生的失穩擴展均系延性擴展。
在世界管道史上第一次延性失穩擴展發生在六十年代末期，管徑 36 英寸，鋼級為
X65 ，斷裂長度接近 1000 英尺 (304 ． 8m) 。以後，直徑在
12 — 36 英寸範圍內，鋼級 X60 、 X65 、 X70 均發生過這種破裂。近二十餘年關於管道斷裂的研究工作主要集中在延性斷裂的止裂上，而且取得可喜的成就。目前在美國、英國、日本等地均有研究小組及試驗場地，諸多的研究成果比較接近。
筆者在九十年代初曾與冶金專家肖季美教授等共同研究、探討，在各種方法中我們推薦採用
Battele 方法， 2001 年 Battele 幾位專家訪華時曾詳細介紹了他們的理論與試驗一致性的事實。在這方面我國及國外已有數百篇論述，詳細計算請參考文獻（
8 ）。 以上僅供廣大讀者參考，不妥之處還望讀者指正。 (2003 年 6
月 ) 參考文獻 1 潘家華：“提高我國螺旋焊管品質的努力方向”，見：油氣儲運雜誌社主編．潘家華油氣儲運工程著作選集第
2 卷．第 l 版．北京：石油工業出版社， 2001 ， 103 ～ 108
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International ． 1990(2) ： 7 ～ 8 4 Soviet
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1989(6) ： 25 5 潘家華． ERW 鋼管的歷史與發展前景．見：油氣儲運雜誌社主編．潘家華油氣儲運工程著作選第
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． Society for Testing and Materials 7
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8 潘家華．關於輸氣管道的止裂研究．焊管， 2001 ， 24(4) ： 1
～ 9 9 Pan Jiahua ． Some Fracture Problems
in Pipelines ．見：油氣儲運雜誌社主編．潘家華油氣儲運工程著作選集第
2 卷．第 1 版．北京：石油工業出版社， 2001 ， 15 ～ 23 作者潘家華，教授級高級工程師，
1930 年生， 1952 年畢業于原北洋大學機械系。原中國石油天然氣管道局總工程師，現為中國石油天然氣管道局、中國石油管道分公司高級顧問，上海交通大學、天津大學、石油大學等
6 所高校兼職教授，中科院金屬研究所客座教授。聯繫地址：河北省廊坊市廣陽道
87 號郵編： 102849 |
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