高性能石油管道天然氣管道的研發(fā)探討

      近十年來，我國油氣供給與管道建設呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，管道總里程超過12×104km，跨入中國五大運輸體系行列。在全球油氣資源方面，非常規(guī)油氣資源占比更大（約80％），且非常規(guī)油氣資源幾乎未開采，將是未來開發(fā)的重點。非常規(guī)油氣資源，一般分布于偏遠且地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，這給石油管道建設及管材選用提出了更高的要求。為保障油氣輸送管道的安全運行，盡可能降低成本，需著力開展高性能油氣輸送管的研發(fā)與應用，如超高強度鋼管、低溫環(huán)境用鋼管、腐蝕環(huán)境用管、大應變鋼管和深海油氣開發(fā)用鋼管等。

      1      超高強度（X90及以上）鋼管

      提高強度不僅可以減小鋼管壁厚和質(zhì)量，節(jié)約鋼材成本，而且由于鋼管壁厚的減小，還可降低鋼管運輸成本和焊接工作量，從而大幅降低管道建設的投資成本和運行成本，高鋼級鋼管的應用已經(jīng)成為管道工程發(fā)展的一個必然趨勢。

      目前，國外的新日鐵和歐洲鋼管公司均開發(fā)了X100、X120鋼管，國內(nèi)也正在開展X90/X100鋼管開發(fā)、工程應用關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了典型高強度油氣輸送管的化學成分和力學性能。

      國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在第1輪X90管線鋼試制中，采用了較高的合金成分設計方案（A廠），與國外JFE同類產(chǎn)品相比，碳當量更高，合金成本更大。此方案主要通過增加鋼中碳和合金元素的含量來提高鋼的強度水平，優(yōu)點是TMCP工藝要求相對較低，缺點是現(xiàn)場焊接性能差。在我國長輸管道的現(xiàn)場環(huán)焊中，一般采用自保護藥芯焊絲半自動焊工藝，其自保護藥芯焊絲中的高鋁成分設計，會顯著惡化焊縫金屬組織及性能。因此，第一輪試制的X90鋼管未通過自保護藥芯焊絲半自動焊環(huán)焊工藝評定。在此基礎上，調(diào)整設計方案，降低合金元素含量，進行了第2輪試制。第2輪試制產(chǎn)品的碳當量（B廠）與JFE產(chǎn)品相差不大，通過了自保護藥芯焊絲半自動焊環(huán)焊工藝評定。

      國內(nèi)第2輪試制的X90鋼管雖然合金成本及整體性能指標與JFE產(chǎn)品相當，但在個別性能方面（如屈服強度等）仍存在不足，說明我國X90等高鋼級鋼管的生產(chǎn)水平與世界先進水平相比尚有一定差距，因而需要冶金企業(yè)、鋼管制造廠、施工單位、管材用戶和科研院所等機構(gòu)協(xié)調(diào)配合、深入研究，逐步提升國內(nèi)高強度管線鋼生產(chǎn)及應用水平。

      2      低溫環(huán)境用鋼管

      我國新疆油田和大慶油田外輸管道冬季最低溫度為-34℃或更低。幾年前西一線輪南首站的低溫液氣分離器脆性斷裂，造成了嚴重后果，近年來高鋼級三通在試壓過程中也頻繁出現(xiàn)脆性爆裂，為此，輸送管的低溫脆斷問題需引起高度重視，并積極開發(fā)低溫環(huán)境用高強度鋼管。

      目前，對于低溫環(huán)境鋼管的斷裂韌性要求，不同標準規(guī)定不同。ISO      3183-3：1999（GB      9711.3－2005）規(guī)定夏比沖擊功（CVN）不低于σy（MPa）/10，CVN      試驗溫度與鋼管壁厚有關(guān)（尺寸效應，表3）。2007      年，ISO      3183：2007與API      Spec      5L      44      版合并，降低了CVN      值的要求，試驗溫度改為0℃。當時專家們的爭議很大，現(xiàn)歐洲部分用戶仍采用老版本標準中更嚴苛的規(guī)定。

      3      腐蝕環(huán)境用管

      在油氣田開發(fā)中，未經(jīng)凈化處理的石油和天然氣，通常含有H2S、CO2、Cl-、H2O      等腐蝕性介質(zhì)。為避免管道腐蝕失效，此類油氣輸送需要采用具有耐腐蝕性能的材料，包括碳鋼和低合金鋼、不銹鋼、鎳基/鐵鎳基合金以及鈦合金等。管道選材應根據(jù)輸送介質(zhì)的壓力、溫度及H2S、CO2和Cl-含量等確定。根據(jù)日本住友金屬的選材指南，當管輸介質(zhì)中pH2S<0.0003      MPa，pCO2≤0.02      MPa      時，選用碳鋼和低合金鋼；當管輸介質(zhì)中pCO2>0.02      MPa，pH2S<0.003      MPa      時，選用13Cr或超級13Cr      不銹鋼；當管輸介質(zhì)中pCO2>0.02      MPa，0.003      MPa≤pH2S<0.01      MPa      時，選用雙相不銹鋼；當管輸介質(zhì)中pCO2>0.02      MPa，pH2S≥      0.01      MPa      時，選用鎳基或鐵鎳基合金。NACE      MR0175標準則提供了在含濕硫化氫的油氣產(chǎn)品環(huán)境下管材的評價和選用方法。

      根據(jù)NACE      MR0175，API      Spec      5L（45      版）附錄H給出了酸性服役條件PSL2鋼管（下稱“抗酸管”）的技術(shù)要求。國外抗酸管的研制較早，歐洲鋼管公司抗酸管的銷售量已占30％以上。國外批量供應的抗酸管主要是X65鋼級，X70鋼級的抗酸管業(yè)已研制成功，并在墨西哥一條管道工程中得到應用。我國抗酸管的研發(fā)剛剛起步，部分鋼廠開發(fā)出了X65MS、X70MS耐酸管。