本文介紹大口徑鋼管制造工藝、鋼管性能要求和上游工序的技術(shù)進(jìn)步。

1 鋼管制造方法概要

1.1 大口徑焊接鋼管的制造方法

大口徑鋼管是由厚板、熱軋板經(jīng)過成形、焊接而成。制造方法首先按焊接法分類，將采用高效率和可靠性高的埋弧焊（submerged arc welding）鋼管稱為saw鋼管。本文討論的大口徑鋼管主要以這種saw鋼管為對象。saw鋼管又分為縱向焊接的埋弧焊直縫鋼管l-saw和螺旋焊的埋弧焊螺旋鋼管h-saw。l-saw鋼管有適合大批量生產(chǎn)的uo成型法、適合品種多量少的彎曲輥法和壓力機(jī)床法。

jcoe成型法是介于uo成型法和壓力機(jī)床法之間的方法。在壓力的最末段是否有擴(kuò)徑工序?qū)︿摴苄阅苡泻艽笥绊?，有無該工序也是分類方法之一。h-saw相當(dāng)于螺旋焊管，將板卷狀的鋼板成型為螺旋狀，再焊接對接部位而成。除采用成型、定位焊接后再進(jìn)行saw的傳統(tǒng)方法外，為了獲得高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的鋼管，也可采用定位焊接后在其他生產(chǎn)線進(jìn)行saw的兩步螺旋焊法。

1.2 uo鋼管的制造方法

uo鋼管的原料通常使用厚板，有時(shí)也使用剪切的熱軋帶卷。對鋼板進(jìn)行焊縫坡口加工的方法有：預(yù)彎邊（用c形壓力機(jī)將鋼板邊緣彎曲到接近制品曲率）；u成型（用u形壓力機(jī)將鋼板壓成u形）；o成型（用o形壓力機(jī)冷成形為o形）。加工后，采用gmaw（gas metal arc welding：熔化極氣體保護(hù)電弧焊）等方法對焊縫進(jìn)行定位焊接，從內(nèi)外面采用saw焊接焊縫后，進(jìn)行約1%的擴(kuò)徑。在提高正圓度的同時(shí)，消除焊縫部位的殘余應(yīng)力，這種方法一般稱為uoe成型法。為了衡量鋼管的完好程度，采用1%的塑性變形不出現(xiàn)破裂作為衡量指標(biāo)。

1.3 螺旋焊管的制造方法

螺旋焊管軋機(jī)是由開卷機(jī)、成型機(jī)、內(nèi)外面焊接機(jī)、超聲波探傷機(jī)及飛剪等設(shè)備構(gòu)成。一般使用熱軋帶卷作為原料，也使用斯特克爾式軋機(jī)生產(chǎn)的熱軋鋼板。通常先焊內(nèi)面，旋轉(zhuǎn)0.5或1.5轉(zhuǎn)后焊接外面，一般采用埋弧焊接法進(jìn)行焊接。螺旋焊制管法是從連續(xù)成型到焊接，經(jīng)飛剪，采用氣體切割法或等離子切割法剪切成規(guī)定長度。然后，進(jìn)行端面加工，無損探傷、二次加工及外觀尺寸檢查等工序。

2 性能要求

2.1 管線鋼管性能要求 

使用管道輸送原油和天然氣，特別是在確保氣體管道安全性上，要求管線鋼管具有高技術(shù)特性。天然氣基本是用管道輸送，長距離輸送可以降低液化天然氣（lng）的輸送成本。當(dāng)輸送量為10bcm/a時(shí)，使lng成本比較合理的輸送距離是3000km。當(dāng)輸送量為25bcm/a時(shí)，合理值為5000km。如果增加氣體輸送量，管道輸送就會增加成本優(yōu)勢。此外，如果采用高壓輸送，例如將管道的進(jìn)站壓力從原來的10mpa增加到14mpa，管道輸送的運(yùn)距可變長。用于這種管道的大口徑管線鋼管要求具有下述技術(shù)特性。

2.1.1 高內(nèi)壓

為了增加氣體輸送量，可以在同一輸送氣體壓力下擴(kuò)大管道內(nèi)徑，或在同一管道內(nèi)徑下提高輸送氣體壓力。為了控制管線建設(shè)成本，多采用高壓輸送氣體。陸上的管線一般使用10mpa。西氣東輸二線干線管道設(shè)計(jì)壓力是12mpa，阿拉斯加管線項(xiàng)目設(shè)計(jì)壓力是15mpa。由于海底管線鋼管在中途難以設(shè)置空氣壓縮站，所以用更高的壓力輸送。陸上管線鋼管也計(jì)劃提高輸送壓力，但空氣壓縮機(jī)等周邊機(jī)器的維修、降低空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗以及確保安全性也很重要。

如果用近似薄壁圓筒式表示鋼管的周向應(yīng)力σ，那么σ=pid/2t（pi：內(nèi)壓；d：直徑；t：壁厚），可見加大對總壁厚的應(yīng)力，就會提高內(nèi)壓。這樣就存在加大壁厚或提高強(qiáng)度兩種選擇，因此要求管線鋼管厚壁化和高強(qiáng)度化。在相同直徑下，提高強(qiáng)度可以減少管壁厚度。不論是哪種條件，提高強(qiáng)度還可降低每單位長度的鋼管重量。即使重量降低率不大，一般也可降低鋼材成本，進(jìn)而降低鋼管的運(yùn)輸成本、敷設(shè)溝的挖掘和圓周焊接成本。

在這種情況下，開發(fā)并應(yīng)用了高強(qiáng)度管線鋼管。代表性的管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)是2007年版的iso 3183，在原來x80級以下基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了x90、x100、x120。

近幾年，x80級鋼管需求量急劇增加。在降低管道建設(shè)成本的需求下，現(xiàn)場圓周焊接從手工焊變?yōu)間maw自動焊，提高了焊接效率，高強(qiáng)度鋼的焊接低溫裂紋也不再是難題。

隨著高強(qiáng)度趨勢的發(fā)展，出現(xiàn)了最基本的強(qiáng)度測定問題。管線鋼管的級別規(guī)定，表示承受內(nèi)壓性的參數(shù)為圓周屈服強(qiáng)度（c-ys），但測定鋼管的c-ys比較困難。正確的圓周強(qiáng)度的測定有膨脹環(huán)試驗(yàn)，但不適用大量的測定。作為小型試驗(yàn)，一般將圓弧狀剪切的材料，制備成扁平全厚度試樣，進(jìn)行強(qiáng)度測定。x65級以下扁平試樣的強(qiáng)度變化小，但對于x80級以上，材料的加工硬化變小，扁平試樣的鮑辛格效應(yīng)明顯，存在用扁平試樣測定的ys比實(shí)際ys低的問題。

此外，x80級以上不使用扁平拉伸試樣，而多采用可加工的圓棒試樣，各標(biāo)準(zhǔn)都認(rèn)可圓棒試樣。但是，圓棒試樣的值只表示壁厚方向的一部分，必須認(rèn)識到與全壁厚的值有些不同（ts低）。以前api標(biāo)準(zhǔn)中，對油井管、管線鋼管ys的定義是0.5%輕負(fù)載屈服強(qiáng)度。例如，x120是0.65%輕負(fù)載屈服強(qiáng)度；x100是0.60%輕負(fù)載屈服強(qiáng)度接近ys。在iso 3183中，x90級別以上使用位移0.2%的屈服強(qiáng)度。但是，加拿大標(biāo)準(zhǔn)csa中，x100的屈服強(qiáng)度為0.5%輕負(fù)載屈服強(qiáng)度，比位移0.2%的屈服強(qiáng)度值稍低。

2.1.2 高韌性

隨著極地的開發(fā)，要求更低的低溫韌性。加拿大北部敷設(shè)的管道韌性保證溫度一般為-5℃，但極地的陸上管道有的要求-60℃。而且，還要考慮當(dāng)管道破裂后，氣體噴出時(shí)隔熱膨脹導(dǎo)致溫度降低的情況。

輸氣管道的低溫韌性，應(yīng)該考慮裂紋發(fā)生及其擴(kuò)展的高速延性斷裂。從現(xiàn)場圓周焊接部位的焊接缺陷發(fā)生裂紋的可能性極高。因此，規(guī)定了焊縫部位的焊接金屬、焊接熱影響區(qū)（haz）的韌性。在iso 3183中要求x80級以上的焊縫部位的焊接金屬和haz達(dá)到40j以上的v型缺口沖擊值。近年dnv-os-f101規(guī)范要求45j以上。以前很少用裂紋發(fā)生特性的斷裂力學(xué)性能值ctod評價(jià)管線鋼管的焊縫韌性，但現(xiàn)在有增加的趨勢。

另外，內(nèi)面焊接形成的粗晶粒haz，由于又進(jìn)行外面焊接，兩相區(qū)經(jīng)受再加熱的irog-haz部位的韌性低，要提高該部位的韌性比較難。但是，uoe鋼管在塑性區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)管，并且在該部分用ust探傷，不存在約1mm以上的裂紋。一般情況下，對基于dnv-os-f101等規(guī)定的ctod≥0.15mm的斷裂力學(xué)計(jì)算進(jìn)行安全性評價(jià)時(shí)，常常是要求值遠(yuǎn)大于需要值。因此，嘗試采用淺缺口ctod試驗(yàn)和sent試驗(yàn)。此外，考慮到拘束應(yīng)力，認(rèn)為采用等效ctod評價(jià)方法也有效。

輸氣管道即使破裂，內(nèi)壓也難以降低，所以如果一旦發(fā)生裂紋，不穩(wěn)定性擴(kuò)大。使該裂紋止裂的必要條件是裂紋傳播面首先成為延性破壞主體，裂紋擴(kuò)展速度慢慢降下來，且比減壓速度慢。因此，dwtt的韌性斷面率要求在85%以上。一般多用巴特爾二維曲線法計(jì)算所需夏比沖擊值?？梢哉f，dwtt的傳播能或預(yù)裂dwtt能比夏比沖擊值更適合，高強(qiáng)度鋼管很難預(yù)測夏比沖擊值。近年來，也嘗試用ctoa來評估。但是，有時(shí)高強(qiáng)度管線鋼管很難使鋼管自行停止裂紋擴(kuò)展，這種情況下以一定間隔采用裂紋制止器。

2.1.3 高變形性

管道必須耐相當(dāng)于最小屈服強(qiáng)度（smys）的72%、80%等的設(shè)計(jì)內(nèi)壓。因此，原來只考慮彈性變形來規(guī)定圓周強(qiáng)度。但是，在管線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到海底管線的s-lay（海底管道s型敷設(shè)法）時(shí)發(fā)生的鋼管彎曲，地震導(dǎo)致的地層變動和不連續(xù)凍土地帶的季節(jié)性地層變動，以及管道發(fā)生的塑性變形等。這些特性對鋼管縱向強(qiáng)度特性的影響比圓周強(qiáng)度大。鋼管本體因彎曲和壓縮發(fā)生壓曲的變形值大。

彎曲變形時(shí)壓縮側(cè)發(fā)生的壓曲首先是受鋼管直徑/壁厚比的影響很大，如果d/t小，壓曲變形極限（壓縮變形極限）就大。在同一個(gè)d/ t時(shí)，降低屈服比（y/t），增加加工硬化系數(shù)（n值）和均勻伸長率（uel），能提高壓縮變形極限。拉伸應(yīng)變極限和鋼管力學(xué)性能的關(guān)系不太明確，但鋼管縱向的ys比圓周焊接金屬的ys低。為了達(dá)到這一目的，有時(shí)設(shè)定縱向ys（l-ys）標(biāo)準(zhǔn)下限值比圓周c-ys標(biāo)準(zhǔn)下限值低。變形性能與低溫韌性成為高強(qiáng)度管的研究課題。

管線鋼管在外面施以防腐涂層，特別是近年來常用的環(huán)氧樹脂涂料（fbe）。鋼管冷成形產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效，應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生變化，強(qiáng)度上升。有的情況要求，涂層前后的強(qiáng)度特性滿足要求值，且不產(chǎn)生屈服延伸。有報(bào)道稱，如發(fā)生屈服延伸，內(nèi)壓降低時(shí)壓縮變形極限變小。

2.1.4 高壓潰性

深海敷設(shè)管道，鋼管有可能被水壓壓潰。如果水深超過2000m，壓潰壓力成為第一設(shè)計(jì)要素。不進(jìn)行高壓操作（沒有內(nèi)壓）時(shí)不產(chǎn)生壓潰（安全率1.41），即要求管線鋼管具有高壓潰性。由于彎曲應(yīng)力降低壓潰值，所以，設(shè)計(jì)時(shí)也要注意彎曲應(yīng)力對其的影響。壓潰值在很大程度上受d/t的影響，所以為防止鋼管壓潰，使用d/t小的鋼管。低d/t，即鋼管徑（d）變小，輸送量降低；若鋼管壁厚（t）變大，使用厚壁鋼管。因此，深海項(xiàng)目要求超厚壁鋼管。

近年來，在黑海（最深處2150m）、地中海（最深處2160m）建設(shè)了水深2000m以上的深海管線，并計(jì)劃建設(shè)穿過深海的第4條地中海管線（最深處2800m）。

2.1.5 耐酸性

原油和天然氣中常含有硫化氫（h2s）。如果鋼裸露在濕潤硫化氫環(huán)境（酸性環(huán)境）中，大量的氫侵入到鋼中，會引起各種形態(tài)的氫脆化。管線鋼管代表性的損傷形態(tài)是氫致裂紋（hic），日本開發(fā)了將鋼材浸漬在h2s氣飽和的人工海水（ph=5）中的方法，稱為bp試驗(yàn)。后來這種hic試驗(yàn)已作為nace標(biāo)準(zhǔn)tm0284（1984年制定）。但是，在該溶液中，cu添加入鋼中易形成硫化物，雖抑制了氫侵入，但存在不能正確評價(jià)裂紋敏感性的問題。

其后，將油井管硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)評價(jià)使用的ph值低的h2s飽和溶液0.5%ch3cooh+5%nacl（一般nace溶液，初期ph值2.7，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)上升到4.0 ）用于hic試驗(yàn)。現(xiàn)在將后者稱為a溶液，前者稱為b溶液，記錄于tm0284修訂版中。近年來，大部分要求用a溶液進(jìn)行hic試驗(yàn)，要求clr（裂紋長度率）≤0.15%。

酸性環(huán)境是腐蝕環(huán)境，所以一般使用耐酸管線鋼的管道。當(dāng)使用抑制劑時(shí)，可以應(yīng)對最高腐蝕速度0.1-0.5mm/a的情況。因此，采用比按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算的壁厚還要厚的鋼管。即使輸送含h2s的氣體，如果是脫水后也不會腐蝕，不引起氫侵入。如只是為了應(yīng)對脫水設(shè)備出現(xiàn)故障的情況，可以不考慮腐蝕量而采用高強(qiáng)度鋼管。在這種條件下，也可使用具有耐酸性的x80級鋼管。

2.1.6 高耐腐蝕性

當(dāng)含水量高，二氧化碳分壓高，抑制腐蝕作用的油分少時(shí)，根據(jù)環(huán)境采用13cr、雙相不銹鋼、鎳基合金等耐蝕性材料。由于鎳基合金價(jià)格昂貴，所以僅鋼管內(nèi)面使用耐蝕合金層，耐壓材料的表面大部分使用低合金鋼管的復(fù)合鋼管。廣泛使用壓力機(jī)床法成形軋制包覆，焊接管縫后熱處理的鋼管和將耐蝕內(nèi)管機(jī)械插入外管的鋼管。目前也有利用uoe工藝開發(fā)出高鎳合金復(fù)合鋼管的報(bào)道。另外，還開發(fā)了13cr的uoe鋼管。

2.1.7 現(xiàn)場焊接的ut化

大口徑管線鋼管的現(xiàn)場圓周焊接后的無損檢測使用自動ust。為了安裝機(jī)器的導(dǎo)向裝置，要求在工廠切削內(nèi)外面管端部管縫焊道的情況增加，需要實(shí)現(xiàn)切削自動化和高效化。

2.2 土木建筑用鋼管性能要求

日本國內(nèi)螺旋焊管主要用于土木建筑、自來水管道等領(lǐng)域。特別是鋼管樁、鋼管板樁用占很大一部分。作為制品，大多要求有助于提高制品附加值的附屬品加工和涂層。通過將抗拉強(qiáng)度優(yōu)越的鋼管與壓縮強(qiáng)度良好的混凝土結(jié)合，提高結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。為提高鋼管和混凝土的結(jié)合力，要求采用網(wǎng)紋熱軋帶卷的螺旋焊管。涂層要求采用防止腐蝕的聚乙烯、聚氨酯涂層。

3 上游工序的技術(shù)進(jìn)步

3.1 煉鋼技術(shù)的進(jìn)步

為了實(shí)現(xiàn)管線鋼管的高韌性、耐酸性能，要求高純度和高潔凈度的鋼液。為了抑制發(fā)生hic，應(yīng)抑制mns的生成，從而采用真空脫氣法、噴粉生產(chǎn)低硫鋼技術(shù)。20世紀(jì)80年代中期，各鋼鐵公司確立了控制硫含量10ppm以下的技術(shù)，并確立了將mns改質(zhì)為cas的ca添加技術(shù)。

降低連鑄板坯的中心偏析對抑制hic非常重要，研究表明，可以采用縮短輥間距、板坯凝固末端輕壓下等技術(shù)降低中心偏析。連鑄機(jī)的垂直段對夾雜物上浮影響很大。

3.2 厚板制造技術(shù)的進(jìn)步

3.2.1 tmcp

tmcp技術(shù)是與高級管線鋼管制造同步發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)?？刂栖堉坪蟮募铀倮鋮s從20世紀(jì)80年代開始工業(yè)化，從x60到x65、x70級管線鋼的高強(qiáng)度過程中，耐酸鋼材和管線鋼的加速冷卻利用率顯著提高。其后，引入了旨在進(jìn)一步快速冷卻和均勻冷卻的第二代加速冷卻設(shè)備，例如，super-olac（1998年，福山廠）和clc-μ（2006年，君津廠）等?？刂评鋮s的目標(biāo)是生產(chǎn)材質(zhì)均勻的厚鋼板，也有在加速冷卻后面設(shè)置感應(yīng)加熱裝置的在線熱處理設(shè)備（hop），用于進(jìn)行快速加熱，是tmcp條件多樣化的應(yīng)用實(shí)例。

3.2.2 組織控制

用加速冷卻生產(chǎn)的x60、x65級管線鋼的主體組織是由奧氏體相變的鐵素體組成。但是，低碳鋼中第二相的比率低，所以鐵素體主體組織無法高強(qiáng)度化。因此，x80級以上管線鋼應(yīng)適用于貝氏體系組織。從焊接性的觀點(diǎn)，用含c量 0.03%-0.08%的鋼液制造高強(qiáng)度管線鋼管，并使用低碳貝氏體鋼。這些鋼的50%相變溫度和抗拉強(qiáng)度的半定量關(guān)系。例如，x120級管線鋼管是用約在400℃發(fā)生相變的含c量0.04%的下貝氏體鋼或在約500℃發(fā)生相變的含c量 0.06%的上貝氏體鋼獲得強(qiáng)度。x100級是在550-600℃發(fā)生相變的含c量 0.06%上貝氏體+粒狀貝氏體鋼獲得強(qiáng)度。x80級是600-650℃發(fā)生相變的粒狀貝氏體鋼獲得強(qiáng)度。

適用x120級管線鋼管的下貝氏體鋼中碳對強(qiáng)度的影響大，板坯加熱時(shí)引起異常相變，有時(shí)變成粗奧氏體晶粒。低碳貝氏體組織易達(dá)到高強(qiáng)度，一般測定的夏比低溫韌性良好，但存在dwtt性能有時(shí)低，加工硬化小等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這些不足，也有在貝氏體主體組織引入ma組元（馬氏體-奧氏體）和多邊形鐵素體的情況。此外，細(xì)化扁平奧氏體晶粒厚度也可以改善低溫韌性。

隨著ma比例提高，鋼板y/t（屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度）降低。淬透性高的低碳鋼，在加速冷卻狀態(tài)生成少量的ma。使用hop，如相變途中再加熱，碳向未相變的奧氏體相擴(kuò)散，ma比例提高。當(dāng)然，如用uoe工藝將鋼板成形，由于冷加工強(qiáng)度發(fā)生變化，所以鋼板y/t低，鋼管y/t不一定也低。c方向是主要變形方向。依據(jù)鋼的不同，各變化幅度也不同。隨著鐵素體比例的增加，dwtt韌性斷面率提高。用加速冷卻將鋼板冷卻到低溫區(qū)域時(shí)，鐵素體比率的變化對抗拉強(qiáng)度的影響不大。這是因?yàn)槿绻岣哞F素體比例，碳向周圍的奧氏體相濃縮，成為高強(qiáng)度的低溫相變組織。

3.3 高強(qiáng)度管線鋼管熱軋鋼板制造技術(shù)的進(jìn)步

螺旋焊管的管線鋼管口徑大，所以大多是厚壁鋼管，高強(qiáng)度化的優(yōu)點(diǎn)不易顯現(xiàn)。近年來，為了生產(chǎn)20mm超厚熱軋帶卷，有增強(qiáng)卷取機(jī)能力、強(qiáng)化水冷設(shè)備的軋機(jī)。但是，與厚板軋制相比，熱軋工序的低溫控制軋制限制較多。例如，因軋制速度快提高冷卻能力困難，而且，冷卻到低溫又不易卷取。

此外，還開發(fā)了在0.04%c鋼中添加0.08%-0.11%nb的htp（high temperature processing）鋼，已批量生產(chǎn)。隨著nb添加量的增加，cvn能量降低，強(qiáng)度上升，但在約0.1%達(dá)到飽和。因此，推測0.1%nb是界限。