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当前国内管线钢发展应用状况探析

2018/5/25 18:02:56点击:

  为了提高输送效率,提高输送压力和输送管径,在管线设计方面,对管线钢的强度要求越来越高,包括拉伸强度和屈服强度,强度随材料成分的不同变化不同,处理状态不同,强度变化也很大。

  近年来随着我国管线钢市场的迅速发展,国家产业部门也出台了鼓励管线钢产业向高技术含量产品发展的政策,使得投资者对管线钢市场的关注也越来越密切,管线钢市场前景广阔,也让管线钢市场推广策略与营销渠道开发的研究需求增大,所以进行管线钢系统的市场调研成为企业了解管线钢市场的必要手段。

  ①西气东输三线:是“十二五”期间我国拟新建的首要、重大管道工程,干线西起新疆霍尔果斯,东至福建福州,全长6407公里,需大口径厚规格X80管线余万吨。

  ②南海项目:是我国第一个世界级大型深水天然气工程,其一期工程需厚规格X65、X70海底管线万吨。该项目中的厚规格海底管线钢,对横、纵向强度、低温冲击韧性、落锤撕裂性能均有非常严格的要求,此类管线钢国内尚无开发成功的先例。为满足该项目用钢需求,武钢与番禺珠江钢管有限企业通力合作,通过多项工艺技术创新,在国内率先完成深海、浅海用厚规格X65、X70海底管线钢的开发,并首次实现了稳定、大批量生产。该项目推动了我国厚规格海底管线钢的研制和应用步伐,促进了冶金行业的技术进步。

  此外,除X100级管线钢外,新日铁、ExxonMobil、住友金属和POSCO等企业还申报了X120以上钢级管线钢专利,在未来敷设输送天然气和石油的管线采用更高级钢级是必然趋势。

  住友金属企业专利意在提高管线钢SATT(塑性断裂转变温度)和DWTT(落锤撕裂试验)性能,改进HAZ韧性。

  管线钢生产技术代表和体现了一个钢铁企业的生产控制水平、质量保障水平和综合技术水平。我国管线用钢的应用和生产起步较晚,从80年代开始按API规范开展专用管线管线世纪在我国“西气东输”一线针状铁素体管线管,二线天然气管道工程则应用了高强度高止裂韧性的X80管线钢。

  一、能源需求促进了现代石油天然气管道建设和高等级管线钢的发展,随着我国能源结构调整和环保需求,对天然气的需求不断增加,目前正以平均7%的增长速度增加,预计到2020年中国还将新建50000km的天然气管线。因此,管线钢的需求前景仍是比较光明的。

  随着国内冶金技术装备水平的进步,我国能生产管线钢板卷的企业逐渐增多,目前国内管线钢的生产主要是靠热轧机组生产,炉卷机组的生产在增加,中板机组生产较少。所以,发展高性能管线钢是提高天然气输送管线建设和运营经济效益的最重要措施。我国的钢管出口每个月只有三四万吨,过去的几年来,美国已经对中国出口的多种钢管类产品征收了反倾销和反补贴关税,包括环形焊管、薄壁矩形管、小口径管线用管、焊接不锈钢压力管、油井管以及无缝钢管等。这些国外的双反压力,已经使中国出口管线年,工信部将把兼并重组作为全年着力突破的工作重点,继续推进重点行业、跨地区企业的兼并重组。

  由图看出,我国管线钢产品主要应用在石油、天然气等行业的运输管道中,特别是运输运送天然气行业所使用的钢管是管线钢应用里非常重要的客户,所占比例较大。在下游行业中,我国的天然气行业主要集中在西部地区,从各大钢厂的订单可知,大的用户主要集中在西气东输、川气东输等管线上,国际方面主要集中在中俄线上。能源工程是管线管的下游用户,是管线钢的下下游。可以用链条形容成:管线钢管线管管道输送能源。

  早期的管线钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢,在冶金上侧重于性能,对化学成分没有严格的规定。自60年代开始,随着输油、气管道输送压力和管径的增大,开始采用低合金高强钢(HSLA),主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分是:C≦0。2%,合金元素≦3~5%。随着管线年代初,美国石油组织在API5LX和API5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65三种钢。这种钢突破了传统钢的观念,碳含量为0。1-0。14%,在钢中加入0。2%的Nb、V、Ti等合金元素,并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1973年和1985年,API

  国内能生产符合API5L标准的管线工程设计要求的管线钢的钢厂首推宝钢,武钢、鞍钢、首钢、南钢、太钢、马钢、沙钢、本钢等国内许多钢厂均具备批量生产X80管线钢的能力,并且大量运用于西气东输二线工程,达到国际先进水平,迄今为止等级最高的X120管线钢已在宝钢试制成功,其强度比X80提高50%,可使钢材使用量(厚度)综合下降10%~20%,从而减少运输费用。

  三、由于管线钢本身应用方面存在的局限性和特殊性,同时受国家管控等其他客观因素的影响,主要供给国家重点开发项目,因此随着我国能源供给配比的重点开展,对管线钢行业的技术要求不断提高,管线钢生产企业要立足于特殊用途和需求,发展细分高端产品,持续推动技术创新。

  21世纪是我国输气管建设的高峰时期。生产高强度、高韧性管线钢对我国今后采用国产管线钢生产大口径、高压输气管具有十分重大的战略意义,大口径高压输送及采用高钢级管材是国际管道工程发展的一个重要趋势。

  管线钢的终端用户主要是石油管道和燃气管道,而这种工程属于国家基础设施配套工程,不同于普通的企业用户,产品多属于通过招标来实现。政府部门在采购过程中扮演重要的角色,也是管线钢最大的用户。下图展示了我国管线钢主要下游行业的用量比例:

  随着石油自然气需求量的不断增加,管道的输送压力和管径也不断地增大,以增加其输送效率。考虑到管道的结构稳定性和安全性,还需增加管壁厚度和进步管材的强度,因此用作这类输送管的管线钢都向着厚规格和高强度方向发展。目前,国外的大口径输气管已普遍采用X70钢级,X80开始进进小规模的使用阶段,X100也研制成功,并着手研制X120。此外,输送酸性自然气的管道用钢目前已能生产到X65钢级。

  管线钢是近代冶金技术、材料技术和制造技术发展的产物,广泛应用于原油、成品油、天然气及水煤浆等物质的管道输送。在铁路、公路、航空、水运和管道5种运输方式中,管道运输是一种经济、先进的运输方式。目前国际上通过管道运输的物资占运输总量的20%,而我国占2%多点,随着我国能源结构的调整和物料输送方式的改变,管线钢在我国将具有良好的市场前景。

  此外,我国还将围绕全国天然气管道联网进行配套城市分输支线建设,建成“横跨东西、纵贯南北、连通海外”基本框架,形成以四大气区(新疆、青海、陕甘宁、川渝)外输管线和进口天然气管线为主干线、连接海气登录管线和进口LNG等气源的全国性天然气管网。

  武钢从上世纪八十年代开始,率先在国内进行石油天然气输送管线用钢的研制与开发,经过近三十年的研制、生产及设备不断改造更新,其生产能力和实物水平都得到了很大提高,冶炼成分可控制在比较窄的范围,批量生产时钢中硫含量可做到8ppm及以下。武钢研制和生产的管线钢具有高纯净度、高韧性、良好的焊接性能和抗硫化氢腐蚀性能。武钢自主开发的26。4mm厚规格X80管线钢由中石油南京巨龙钢管有限企业制成直缝埋弧焊管,经全面理化性能检验,钢板、钢管的各项性能指标全面满足我国西气东输三线工程的技术条件要求。

  高钢级管线钢管一般都是在高压下运行于地理环境复杂、温度地寒地带,因而对管线钢的强度和韧性,尤其是低温韧性、抗腐蚀介质氢致裂纹性、焊接性提出了很高要求。所以,虽然7家企业公开的都是生产X100及以上钢级管线钢专利,但申请公开专利时,这些企业提出申请专利的切入点又各不相同。

  钢的化学成分对高强度钢的焊接性有直接的重大影响,提高焊接性能的有效措施是降低C、P、S含量和选择适当的合金元素,适当控制Ti、Al等的氮化物和Ti的氧化物对降低淬硬性和防止冷裂纹及提高韧性有好处。钢的焊接性是指材料对焊接加工的适应性,即在一定的焊接条件下获得优质焊接接头的难易程度,它包括结合性能(在焊接加工时金属形成完整的焊接接头的能力)和使用性能(已焊接成的焊接接头在使用条件下安全运行的能力)。

  二、随着我国加大海上石油天然气的开采,并不断向深海发展,国内管线钢生产企业可借鉴世界上高等级管线钢已有的经验,进行超高强度管线钢、抗大应变管线钢、深海管线用钢、高等级厚壁抗HIC管线钢和新型HTP管线钢的开发,以满足未来国内外天然气管线建设的需要。

  由于受装备水平等方面的限制,在上世纪末,鞍钢管线钢的生产几乎是个空白。打破国外产品垄断,关系国计民生,国家必须拥有一批有实力有影响有责任的大企业,鞍钢随着“九五”和“十五”技术改造项目的陆续投产或调试,开发生产高级别管线钢的装备条件已经具备。2002年,鞍钢热轧带钢厂批量生产5000吨西气东输工程制管用X70管线钢热轧卷板,生产工艺和实物性能稳定,实物质量达到宝钢同类产品实物水平,瓦解了国外钢铁企业的垄断堡垒。

  为保障管线的安全可靠性,在提高管线钢强度的同时,还要相应提高其韧性,管线钢在成分设计上,大体上都是低碳、超低碳的Mn-Nb-V(Ti)系,有的还加入Mo、Ni、Cu等元素。现代冶金技术可以使钢具有极高的纯净度、均匀性和超细化晶粒,以下以几个标准管线钢规格为例,列举它们的化学成分:

  标准又相继增加了X70和X80钢,而后又开发了X100管线以下,真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。★API:美国集石油勘探、开发、储运、销售为一体的行业协会性质的非营利性机构。主要活动之一就是制定和修订API标准,涉及石油行业的各个领域,具有全面性、系统性、领先性和权威性,在世界各地广泛使用。

  国内对管线级为主,新线级宽厚板的生产,以适应目前10MPa和近期14MPa以上输送压力的设计。今后输送的自然气不再是经脱水、脱H2S处理的“甜气”(PH2S300Pa),而将是未经处理的“富气”(PH2S300Pa),为此必须进步管线用钢的抗氢致开裂和抗H2S应力腐蚀的性能。国内已具有800万t以上螺旋焊管的制管能力,但大口径厚壁直缝埋弧焊管的产能和质量还不能满足工程的需求,继续部分进口成品管将不可避免。从研发基础和生产技术的难度而言,具有优质的抗H2S应力腐蚀性能的高强度等级管线用钢的开发应当列为科技攻关的重中之重。

  宝钢是目前国内生产管线钢最大规模和最高利用的代表钢厂,宝钢管线钢的发展过程代表了中国现代管线钢技术进步的发展历程。在过去不到20年的时间里中国的管线钢从无到有不断发展,在长输管道建设中应用的钢级逐步提高级别,跨越了国际管线年的发展历程,赶上了国际管线钢和管道建设发展的技术主流。宝钢极大地促进了中国现代高等级石油天然气管道建设的发展。

  本文将从包括管线钢的技术特点、市场发展、下游需求、国家政策、宏观视野等各个方面,为涉业在管线钢市场中的企业提供参考信息及决策依据。

  我国管道运输业的起步较晚,1970年才建成第一条2000多km的输油管道。四十多年来,随着我国石油和天然气工业的发展,油气管道建设取得了长足的进步。目前,我国已基本形成了四大油区和五大气区,原油产量达1。6亿吨,是世界第五大产油国。到目前为止我国原油、成品油和天然气长运输管道的长度约为2。1万公里,油气田生产出来的原油、天然气大部分通过管道输向炼油厂、化工厂、码头,到沿海沿江或出口,原油、天然气基本上实现了管道运输。

  根据我国地下管线信息化建设的推进进程来看,我国专业管线运行监管信息逐渐备受关注,管线安全与健康状况检测技术的应用相对来说日益提高,这为地下管线维护决策提供了有益信息。由此看出未来管线的信息化技术也在不断加强和完善。

  国际大型钢铁企业及相关企业从20世纪90年代就开始了X100及以上钢级高性能管线钢的研发和试应用,目前已经取得了许多成功经验,进行了小规模试生产,并相应地公开了一些专利,如日本新日铁、JFE、住友金属和NKK企业,加拿大IPSCO(伊普斯科钢管)企业,美国ExxonMobil(埃克森美孚石油)企业,韩国浦项(POSCO)企业等。这七家企业所公开的X100及以上钢级管线钢的典型专利,对我国X100及以上高钢级管线钢的研发有一定的借鉴和参考价值。

  预计到2015年,国家规划新建干线万公里,管道总里程达到4。8万公里。为满足工程需求,在未来的10年-15年内,中国需要约1000万吨的高性能管线%用于天然气管线。规划中的天然气管线包括:西三线(霍尔果斯-韶关)、西四线(吐鲁番-中卫)、中缅、中卫-贵阳管线、陕京四线等多项天然气管线年这些管线将集中投产。与此同时,为确保天然气销售,天然气支线年,国家规划在东南、长江三角洲、环渤海、中南地区4个重点目标市场新建支线公里。

  POSCO企业主张严格控制钢中Mn含量,解决低温相变时存在的氢致裂纹,导致抗氢致裂性能恶化问题;

  当今管线钢主要用于加工制造输送油、气的管线和管道,输气管线的材料主要是管线用钢,随着近年来天然气使用量的不断增加,输气管线发展速度已超过输送石油等液体的管线发展速度。但是,由于天然气田大多集中在荒漠、极地冻土带及海洋等边远地区,也对对管线钢的可靠性和经济性提出了更高要求。

  现代石油天然气输送工程要求管线钢具有高强度、高韧性、良好的焊接性、成形性及一定的抗腐蚀能力。这就要求钢质纯净度高、组织成分均匀,性能稳定。

  目前原油、自然气管网已经具有相当规模,成品油输送管道相对较少,目前仅占全部输送量的40%,将来计划修建3万km,管径在Ф500mm左右,壁厚在10mm以下,以X65为主。未来10年,我国将建设5万km的油气管道,均匀每年需要展设近5000km,每年自然气管道需要钢材近400万t。随着管道输送压力的不断进步,油气输送钢管也相应迅速向高钢级方向发展。在国际发达国家,近年来以X70为主,而国内城市管网以X52、X65为主。目前国内主干线也略有应用。随着国内输气管的延长和要求压力的进步,X70、X80将成为主流管线钢。

  随着现代冶金技术和装备水平的不断进步,管线钢的生产制造工艺在炼钢上采用了超低碳、超低硫、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术,在热轧方面采用优化的控轧控冷的热机械处理技术,通过合理的成分设计和工艺控制得到最佳的显微组织,可满足石油天然气管道建设用高等级管线钢所需的高强度、高韧性和良好焊接性等综合性能。

  管线钢产品的最有代表性的应用就是著名的“西气东输”工程了。之前大家已经了解到,世界上的主要能源产地都是离终端用户非常遥远的地区,所以使用油气管网是连接资源区和市场区的最便捷、最安全的通道,它的快速建设不仅将缓解我国铁路运输的压力,而且有利于保障油气市场的安全供给,有利于进步我国的能源安全保障程度和能力。同石油一样,我国也将从境外国家进口自然气,并通过东南沿海港口进口液化自然气,为了把这些自然气输送到主要的消费区域,建设输送管线是必不可少的。“西气东输”项目已经建成,今后还将建设的主要管线有陕京二期、中俄自然气管线(东线、西线)、以及中亚或俄罗斯至上海自然气管线,终极与“西气东输”管线形成“两横、两纵”的自然气干线。

  为了进一步提高输送效率,大直径、高压力、大输送量成为管道工业发展的一个重要趋势。管线钢作为国家能源管网建设的基础材料,随着我国能源工业的发展,其能源工业的发展需求也在日益增加,如我国建立长距离的输油输气管线西气东输已列入全国重点基础建设项目。而管线钢是国家能源管业建设的基础材料,必将会大量需要。据相关部门估算,在未来10年内,我国将需要管线万吨左右。

  近几年来,我国石油天然气管道工程发展迅速,带动了管线钢产量的大幅提高。从管线钢的品质特性来看,我国已从20世纪80-90年代的铁素体珠光体微合金管线钢发展到目前的针状铁素体管线钢,完成了第一代产品到第二代产品的转变。随着X80级别管线管线钢的试制成功,我国已具备了X52-X120管线钢的生产能力。目前,世界范围内已建成了多条X100试验段,随着研究开发的进一步深入,X100管线钢有望在未来的天然气管道项目中得到广泛应用。

  管线钢大规模用于制造钢管,可应用为专门输送石油、天然气的特殊钢管,其材质是管线钢,所以这类钢管也叫管线管,或者管线钢管。

  韧性是管线钢的重要性能之一,包括冲击韧性、断裂韧性等。韧性的提高受到强度的制约,因此管线钢生产常常采用晶粒细化的强韧化手段,即可提高强度又能提高韧性。另外,夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性,因此降低钢中有害元素含量并进行夹杂物的变形处理是提高韧性的有效手段。

  ③进一步完善国内油气主干管网:预计到2015年,国内油气管道总长预计达14万公里左右,其中约一般为天然气管道。目前我国已初步形成“北油南运”、“西油东进”“西气东输”“海气登录”的油气输送格局,国内大口径、长距离的油气管道,已分布在东北、华北、华东、西南等地,基本上形成了横贯东西、纵穿南北管道输送网络。我国未来五年,还将新建约5万公里。同事,未来我国将为进口国外原油需要建设相应的跨国原油管道,跨国原油管道的建设将出现高潮。

  要了解管线钢的含义,大家可以先来个拆字的游戏:把“管线钢”这个名词的字拆分为:“管线”和“钢”来帮助理解,“钢”指的是中厚板/带卷,被称为管线用钢,通过加工把它们卷成大口径的管型,然后再通过焊接把这些独立的钢管连成一条管道线,用于输送石油、天然气,这样用处的钢统称为管线钢,管线钢是加工管线钢管的材料。一般采用中厚板形式的管线钢来制做厚壁直缝焊管,而板卷形式的管线钢主要用于生产直缝电阻焊管或埋弧螺旋焊管。如图所示:

  总之,管线钢在合金设计理论、轧制工艺、制管工艺、铺管现场焊接材料和工艺、和管线设计理论(应变设计)等方面都要有相当程度的创新。

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