王曉香

（中國金屬學(xué)會(huì)軋鋼分會(huì)焊接鋼管學(xué)術(shù)委員會(huì)，河北 青縣062658）

1 超大輸量天然氣管道用管的開發(fā)

當(dāng)前，國際社會(huì)對(duì)以天然氣為代表的清潔能源的需求依然強(qiáng)勁。由于需要輸送的天然氣流量的增加，對(duì)天然氣長輸管道的單管輸量要求也越來越高。代表性的項(xiàng)目是俄羅斯亞馬爾半島氣田外輸管道，即巴甫年科沃—烏恰天然氣管道，在俄羅斯首次采用類似X80的K65鋼，φ1 420 mm，輸送壓力11.8 MPa。巴甫年科沃—烏恰管道系統(tǒng)將建設(shè)5～6條管道，設(shè)計(jì)輸量3 000億m3/a，單管設(shè)計(jì)輸氣量需達(dá)到500億m3/a。

提高天然氣管道輸量的途徑有兩種：一是增大輸送壓力，二是增大管徑。以我國為例，早期天然氣管道的設(shè)計(jì)壓力僅為4 MPa，陜京一線提高到6.4 MPa，西氣東輸一線又提高到10 MPa。從西氣東輸二線開始，我國西部地區(qū)的天然氣干線管道壓力提高到12 MPa。近期某些更大輸量要求的管道也在考慮采用更高的設(shè)計(jì)壓力。管徑方面，我國早期的天然氣管道的直徑僅有400 mm，陜京一線增大到660 mm，西氣東輸一線又提高到1 016 mm，從西氣東輸二線開始，又提高到了1 219 mm。今后某些更大輸量要求的管道也在考慮采用更大的管徑，如φ1 422 mm。我國具有代表性的天然氣長輸管道主要參數(shù)見表1。

表1 我國幾條代表性天然氣長輸管道的主要參數(shù)

由GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，輸氣管道的流量與壓力是一次方的關(guān)系，而與管徑是2.5次方的關(guān)系，因此，增大管徑比提高壓力的增輸效果更明顯。在俄羅斯和伊朗，已經(jīng)大量建設(shè)φ1 420 mm的輸氣管道；在北美地區(qū)，由于天然氣價(jià)格低廉，人工成本相對(duì)較高，當(dāng)管徑達(dá)到1 219 mm以后，就不再考慮增大管徑，而是主要依靠提高輸送壓力來提高輸氣量；而在我國，由于引進(jìn)國外天然氣價(jià)格較高并將長期居高不下，提高輸氣壓力造成自耗氣成本的增加對(duì)長輸管道的效益有重大影響，采用1 219 mm以上管徑的方案可能在比選時(shí)占優(yōu)。在12 MPa壓力下，φ1 219 mm管道的輸量只能達(dá)到300億m3/a，如果要達(dá)到400億m3/a以上的輸量，就要采用φ1 422 mm管道。因此，管徑1 422 mm、輸送壓力12 MPa的天然氣管道用管的研發(fā)和試驗(yàn)段的建設(shè)已列入中石油 《第三代大輸量天然氣管道關(guān)鍵技術(shù)研究》重大科技專項(xiàng)中，目前正在實(shí)施。

在相同壓力下，增大管徑導(dǎo)致鋼管壁厚成比例增加。由于超大輸量管道往往要經(jīng)過高寒地區(qū)、斷層和地震活動(dòng)區(qū)，鋼管還要滿足低溫韌性和縱向大應(yīng)變性能要求，在壁厚顯著增加的同時(shí)，滿足這些要求更加困難。巴甫年科沃—烏恰管道的壁厚為23.0 mm/27.7 mm/33.4 mm，要求鋼管在－40℃的夏比沖擊功不小于200 J，－20℃的DWTT剪切面積平均值不小于85%。這些指標(biāo)無疑是代表了當(dāng)代超大輸量天然氣管道的最高水平。為了確定管道的止裂韌性要求，在俄羅斯進(jìn)行了17次全尺寸氣體爆破試驗(yàn)。歐洲鋼管公司、日本和俄羅斯的鋼管廠生產(chǎn)了該管道所用的K65級(jí)φ1 420 mm鋼管。巴甫年科沃—烏恰管道的鋼管和鋼板供貨商見表2[1]。

表2 巴甫年科沃—烏恰管道鋼管及鋼板的供貨商

巴甫年科沃—烏恰管道系統(tǒng)的第一條管道已經(jīng)建成，表明這種鋼管的開發(fā)是成功的。遺憾的是，我國的鋼廠和管廠均未能參與其中。我國制管廠也在試制能夠滿足這種低溫韌性要求的K65級(jí)φ1 420 mm鋼管，初步試驗(yàn)結(jié)果表明，要達(dá)到這種低溫韌性要求有一定難度。由于該管道系統(tǒng)還要建設(shè)多條管道，我們今后還有機(jī)會(huì)參與，但要在鋼管的低溫韌性方面繼續(xù)努力。表3是烏恰管道鋼管中幾種典型的化學(xué)成分，可供我們?cè)陂_發(fā)時(shí)參考。

表3 巴甫年科沃—烏恰管道鋼管的典型化學(xué)成分 %

歐美地區(qū)所建的超大輸量天然氣管道均采用直縫埋弧焊管。螺旋焊管能否在超大輸量天然氣管道中得到應(yīng)用是一個(gè)有待我們解決的問題。以我國擬建的φ1 422 mm試驗(yàn)段為例，鋼級(jí)為X80，壓力為12 MPa，鋼管在一級(jí)地區(qū)的壁厚將達(dá)到21.4 mm，這樣的壁厚對(duì)于直縫埋弧焊管不是問題，但對(duì)于螺旋焊管則是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。最突出的問題是如何滿足DWTT剪切面積的要求。我國擁有大量的熱軋卷板機(jī)組和螺旋焊管機(jī)組，為21.4 mm厚X80卷板和螺旋焊管的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的支撐。滿足DWTT剪切面積的要求需要在卷板軋制時(shí)采用大壓縮比和低溫卷取。在精軋機(jī)入口厚度受限的情況下，我國的技術(shù)人員創(chuàng)造性地挖掘了粗軋機(jī)組的能力，實(shí)現(xiàn)了大壓縮比軋制，同時(shí)充分發(fā)揮卷取機(jī)的能力，實(shí)現(xiàn)了低溫卷取，獲得了滿意的DWTT性能。目前，X80級(jí)φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管的單爐試制已圓滿完成，正在準(zhǔn)備進(jìn)行小批量試制。從已經(jīng)取得的結(jié)果看，我國X80級(jí)φ1 422 mm鋼管的開發(fā)是完全可能取得成功的，并且能夠填補(bǔ)螺旋焊管在超大輸量天然氣管道上應(yīng)用的空白。大壁厚X80螺旋焊管能否在未來的超大輸量天然氣管道上獲得實(shí)際應(yīng)用，成本問題是決定性的因素，還需要做出艱苦的努力，克服鋼材合金成本和制管材耗的增加造成的不利影響，使其成本不高于同規(guī)格的直縫埋弧焊管，才有可能獲得廣泛應(yīng)用。

2 超高強(qiáng)度管線鋼管的開發(fā)

當(dāng)前，超高強(qiáng)度管線鋼管的開發(fā)似乎有些停滯不前的跡象。每兩年召開一次的加拿大卡爾加里國際管道大會(huì)（IPC），是反映世界管線鋼研發(fā)成果的風(fēng)向標(biāo)，從近幾屆大會(huì)發(fā)布的論文內(nèi)容看，涉及X100和X120的論文逐漸減少，特別是有關(guān)X120鋼級(jí)開發(fā)的論文幾乎銷聲匿跡。

2012年IPC關(guān)于管材的論文集中在X80鋼上。我國最近建設(shè)的幾條天然氣長輸管道如西二線、中貴線、中緬線國內(nèi)段、西三線和中亞C線等，均采用了X80鋼。美國和英國近期建設(shè)的數(shù)千千米天然氣長輸管道也主要采用X80鋼。俄羅斯也建設(shè)了第一條相當(dāng)于X80鋼的K65天然氣長輸管道（巴甫年科沃—烏恰管道）。日本也在2011年建設(shè)了第一條X80輸氣管道。由于不斷地優(yōu)化X80管線鋼的成分和軋制工藝，許多鋼廠能夠以非常少的合金成分設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮控制軋制和加速冷卻工藝技術(shù)的優(yōu)勢，生產(chǎn)出極具成本優(yōu)勢的X80管線鋼。而且X80輸氣管道的斷裂控制技術(shù)比較成熟，可以采用BTC雙曲線模型進(jìn)行止裂計(jì)算，止裂所需的韌性是現(xiàn)代冶金工業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)的。X80鋼級(jí)將在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)作為天然氣長輸管道的首選鋼級(jí)之一。

在未來的天然氣長輸管線上應(yīng)用強(qiáng)度更高的超高強(qiáng)度管線鋼管，安全性和經(jīng)濟(jì)性是必須考慮的兩個(gè)方面。

在超高強(qiáng)度管道的安全性方面，延性斷裂的止裂控制是必須解決的問題。由于有限的幾次X100全尺寸氣體爆破試驗(yàn)結(jié)果離散性很大，采用BTC模型+修正系數(shù)的基于夏比能量的方法無法得到合理的止裂韌性數(shù)據(jù)，因而沒有可用的止裂韌性計(jì)算模型。一方面，許多研究者進(jìn)行了大量的研究，提出了DWTT能量準(zhǔn)則、考慮止裂韌性對(duì)斷裂速度的相關(guān)性、以及要同時(shí)考慮鋼管的塑性指標(biāo)等，但距離解決實(shí)際問題還很遙遠(yuǎn)；另一方面，所提出的止裂韌性要求往往過高而無法實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)X100輸氣管線的斷裂控制，比較現(xiàn)實(shí)的是研究采用止裂器止裂的技術(shù)路線。我國在止裂器的應(yīng)用研究方面剛剛開始，還有很多工作要做，例如止裂器的設(shè)計(jì)、復(fù)合材料止裂器的壽命問題和止裂器的實(shí)物試驗(yàn)等。

據(jù)權(quán)威人士分析，雖然X100的開發(fā)取得了很大進(jìn)展，但成本還是很高。在目前狀況下，X100管道的建設(shè)成本與X80管道相比，還看不到明顯的經(jīng)濟(jì)效益，考慮到采用X100的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，X100在近期大量應(yīng)用的可能性不大。

基于我國在X80管線鋼管應(yīng)用方面的大量經(jīng)驗(yàn)和研究成果、X100開發(fā)應(yīng)用進(jìn)展緩慢以及我國超高強(qiáng)度管線鋼管研發(fā)剛剛起步的情況，中石油決定同時(shí)開展X90和X100管線鋼的研發(fā)，力爭在X90的開發(fā)應(yīng)用上首先取得突破。

關(guān)于X90鋼的開發(fā)，有兩位國際知名專家的論述值得認(rèn)真研究。一是ISO TC67/SC216(管線鋼管)工作組會(huì)議召集人John Hammond在《高強(qiáng)度管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的開發(fā)》一文中指出：“X90是X80和X100強(qiáng)度等級(jí)之間一個(gè)理想的跨接點(diǎn)”[2]。意大利CSM研究院的Mannucci博士2012年在河北廊坊X90/X100管線鋼工程應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)上做了“X90是X80的升級(jí)版還是X100的降級(jí)版？”的報(bào)告中指出：“一些最近生產(chǎn)的X80和X100鋼管滿足了X90的要求，它們可被認(rèn)為實(shí)質(zhì)上是X90”。

根據(jù)我國大量生產(chǎn)的數(shù)百萬噸X80鋼管力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，可以得到與Mannucci博士相同的結(jié)論，特別是有些批次的X80直縫埋弧焊管的強(qiáng)度范圍幾乎完全處于X80與X90的重疊范圍之內(nèi)，而且夏比沖擊功還相當(dāng)高（300 J以上）。如南京巨龍鋼管公司批量生產(chǎn)的X80鋼級(jí)φ1 219 mm×22.9 mm的 JCOE鋼管，對(duì)186根鋼管的強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，除個(gè)別鋼管外，絕大多數(shù)鋼管的強(qiáng)度范圍都高于X90的下限，處于X80與X90的重疊范圍之內(nèi)。也就是說，目前的X80鋼管，特別是直縫埋弧焊管，通過挖潛是可以升級(jí)到X90的。這樣就可以采用與X80類似的化學(xué)成分和軋制工藝，打造X80升級(jí)版的X90，而且在焊接性能和成本方面也具有較強(qiáng)的競爭力。

圖1 186根X80直縫埋弧焊管的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

但是，目前國內(nèi)參與X90/X100單爐試制的一些鋼廠，兩種鋼級(jí)的試制采用同樣成分的連鑄坯。這樣試制的X90實(shí)際上是在打造X100的降級(jí)版，此種方法提高了X90的合金含量，不僅使未來X90的成本增加，而且對(duì)環(huán)縫焊接帶來不利影響。課題組已經(jīng)注意到這個(gè)問題，并把經(jīng)濟(jì)性作為X90開發(fā)的主要目標(biāo)之一，為此需要對(duì)原定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。如在目前斷裂控制計(jì)算方法尚待改進(jìn)的情況下，原定技術(shù)指標(biāo)中將塑性延伸率作為驗(yàn)收的判據(jù)之一似乎不妥，建議改為信息報(bào)告。在板材和管材試制的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，加快鋼管和止裂器的全尺寸爆破試驗(yàn)。由于今后還有很多試驗(yàn)工作要做，加快我國自己的爆破試驗(yàn)場的建設(shè)已經(jīng)提到議事日程，以獲取更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為斷裂控制理論和方法的完善做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

3 螺旋焊管的可持續(xù)發(fā)展

螺旋焊管的生產(chǎn)方法早在19世紀(jì)80年代就已出現(xiàn)。由于當(dāng)時(shí)帶鋼質(zhì)量和螺旋焊縫質(zhì)量不盡如人意，螺旋焊管在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)沒有得到發(fā)展。直到1958年德國、英國等國家研究雙面埋弧焊工藝技術(shù)，使焊縫質(zhì)量得到提高后，螺旋焊管在世界范圍內(nèi)才得到發(fā)展[3]。1960年以后，雙面焊接螺旋焊管開始廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。螺旋焊管工業(yè)也得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)60年代到70年代，是螺旋焊管的第一次快速發(fā)展期。

20世紀(jì)70—80年代，由于螺旋焊管工藝落后、技術(shù)陳舊、產(chǎn)品質(zhì)量差等原因，導(dǎo)致油氣輸送管道事故頻發(fā)，國外一些石油公司的企業(yè)規(guī)范中禁止在油氣輸送管道上使用螺旋焊管也是在這一時(shí)期[4]。從20世紀(jì)70年代起，歐洲油氣工業(yè)迅速減少了對(duì)螺旋埋弧焊管的應(yīng)用，新建的油氣管道均轉(zhuǎn)而采用直縫焊管，螺旋焊管幾乎只用于輸水管道和樁管等鋼結(jié)構(gòu)。這是螺旋焊管的低谷期。

從20世紀(jì)90年代初開始，由于歐洲和加拿大的一些鋼管制造廠在螺旋焊管制造技術(shù)方面取得了顯著的進(jìn)步，歐洲的一些天然氣公司已經(jīng)在一部分高壓輸氣管道上轉(zhuǎn)而采用螺旋埋弧焊管。進(jìn)入21世紀(jì)以來，螺旋焊管在高壓油氣輸送管道上的應(yīng)用更是突飛猛進(jìn)，許多原來不在油氣管道采用螺旋焊管的國家發(fā)生了大的轉(zhuǎn)變，紛紛在天然氣長輸管道上大規(guī)模應(yīng)用螺旋焊管。比較典型的事例是美國近年建設(shè)的兩條X80天然氣長輸管道，其螺旋焊管的用量超過了70%；我國的西氣東輸和印度的東氣西輸管道都大量采用螺旋焊管。世界范圍內(nèi)螺旋焊管機(jī)組的建設(shè)方興未艾，特別是在美國和印度建設(shè)了大量先進(jìn)的兩步法螺旋焊管機(jī)組。當(dāng)前這一時(shí)期是螺旋焊管發(fā)展史上最為輝煌的時(shí)期，螺旋焊管以其穩(wěn)定的質(zhì)量和較低的成本得到大多數(shù)國家油氣長輸管道建設(shè)業(yè)主的青睞，這是深刻吸取歷史教訓(xùn)、重視質(zhì)量控制、技術(shù)進(jìn)步和裝備升級(jí)的結(jié)果。

螺旋焊管不斷搶占原來直縫埋弧焊管的應(yīng)用領(lǐng)地已是不可阻擋的趨勢。以我國為例，陜京一線建設(shè)時(shí)，螺旋焊管僅能提供壁厚7.1 mm的產(chǎn)品，而壁厚8.7 mm及11.1 mm規(guī)格均需從美國和日本進(jìn)口UOE鋼管。到了西一線建設(shè)時(shí)，通過技術(shù)改造和裝備更新，可以生產(chǎn)壁厚14.6 mm的X70螺旋焊管，但壁厚17.5 mm以上的鋼管還需全部進(jìn)口國外的UOE鋼管。在隨后的陜京二線建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了二級(jí)地區(qū)厚度17.5 mm的X70熱軋板卷和螺旋焊管的國產(chǎn)化，改變了原來二級(jí)地區(qū)壁厚17.5 mm鋼管全部采用直縫埋弧焊管的局面，螺旋焊管的使用比例達(dá)到70%以上。西二線建設(shè)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了厚度18.4 mm的X80熱軋板卷和螺旋焊管的國產(chǎn)化，螺旋焊管的使用比例繼續(xù)保持在70%以上，但二級(jí)地區(qū)壁厚22 mm規(guī)格的還只能使用直縫埋弧焊管。當(dāng)前，中石油的制管企業(yè)又向22 mm壁厚規(guī)格發(fā)起沖擊，壁厚22 mm的螺旋埋弧焊管試制已取得初步成功，可能在西三線中段建設(shè)中采用，這將給壁厚22 mm規(guī)格的這一直縫埋弧焊管的傳統(tǒng)領(lǐng)地帶來強(qiáng)烈沖擊。

由于螺旋焊管的直徑和壁厚不斷提高，單管質(zhì)量也在持續(xù)增大，以φ1 422 mm×21.6 mm規(guī)格為例，12 m長鋼管的質(zhì)量已接近9 t，如何降低對(duì)頭的材耗成為焦點(diǎn)之一。盡管API SPEC 5L允許在成品管中存在對(duì)頭焊縫，然而，管道行業(yè)對(duì)對(duì)頭焊縫的接受度還是很低的。為發(fā)展統(tǒng)一的可接受的對(duì)頭焊縫的檢查和檢驗(yàn)項(xiàng)目，歐美的管道和制管界特別成立了一個(gè)聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目組(JIP)。成員包括5家著名的管線管制造商和6家著名的管道公司，見表4[5-6]。

圖4 螺旋焊管對(duì)頭焊縫研究項(xiàng)目組的組成

在2012年IPC國際管道大會(huì)上，JIP項(xiàng)目組發(fā)布了2篇論文，即《螺旋焊管對(duì)頭焊縫的服役適用性分析》和《為保證螺旋鋼管中對(duì)頭焊縫質(zhì)量而推薦的檢查和檢驗(yàn)項(xiàng)目》，介紹了他們的研究成果。結(jié)論為“含對(duì)頭焊縫的鋼管在靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷的情況下都是安全的。含對(duì)頭焊縫的螺旋管只要遵照推薦的程序進(jìn)行制造、檢查和驗(yàn)收，我們就認(rèn)為它能可靠地服役?！表?xiàng)目小組正與API SPEC 5L委員會(huì)合作，未來版本的API SPEC 5L中將收錄該小組的一些建議?？梢灶A(yù)測，大直徑螺旋焊管的對(duì)頭焊縫將逐漸被管道界所接受，螺旋焊管的競爭力將進(jìn)一步提高。我國也應(yīng)重視這方面的研究工作。

為了適應(yīng)超大輸量天然氣管道對(duì)更高鋼級(jí)、更大管徑、更大壁厚和更高質(zhì)量焊管的需求，螺旋焊管的技術(shù)改造和裝備更新始終沒有間斷。如今，我國已有多套螺旋焊管機(jī)組具有生產(chǎn)X80級(jí)φ1 422 mm×22 mm焊管的能力，其中相當(dāng)一部分可采用預(yù)精焊工藝生產(chǎn)。多條生產(chǎn)線進(jìn)行了信息化改造，建立起電子化的質(zhì)量信息系統(tǒng)，提高了質(zhì)量保證能力。在更高鋼級(jí)、更大管徑和更大壁厚焊管的開發(fā)中，都有螺旋焊管機(jī)組參與其中。在當(dāng)前焊管市場高度飽和的情況下，大量新建螺旋焊管機(jī)組已不可取，只有重視質(zhì)量管理、技術(shù)進(jìn)步和新產(chǎn)品開發(fā)，特別是預(yù)精焊技術(shù)的推廣應(yīng)用，才是螺旋焊管應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸和擴(kuò)大、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最重要的保證。

4 高頻電阻焊管的質(zhì)量改進(jìn)

高頻電阻焊管的質(zhì)量改進(jìn)也是國際管道界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。特別是日本新日鐵公司在2012年國際管道大會(huì)上連續(xù)發(fā)表了3篇重量級(jí)的論文，即《高頻電阻焊鋼管新型焊接控制方法的發(fā)展》、《一種用于生產(chǎn)高焊縫韌性高頻電阻焊管線管的新型焊接狀態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)》和《等離子體層流保護(hù)高頻電阻焊工藝的開發(fā)》，比較詳細(xì)地介紹了日本制管界為改進(jìn)高頻電阻焊管質(zhì)量所做的不懈努力。韓國世亞鋼管公司也介紹了他們開發(fā)的基于焊接頻率和火花檢測的最佳焊接熱輸入裝置，可以檢測到肉眼難以察覺的單次火花，提高了焊接質(zhì)量。

近年來，高頻電阻焊管在我國油氣管道上的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，但發(fā)生現(xiàn)場水壓泄漏的事故仍時(shí)有發(fā)生。高頻電阻焊管缺陷的發(fā)生機(jī)理、檢驗(yàn)措施和改進(jìn)方法仍是困擾我國焊管界的問題之一，特別是關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)最佳焊接現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，仍停留在20世紀(jì)80年代日本焊管界所透露的1型（冷焊）、2型和3型（過燒）3種焊接現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。

新日鐵Toshisuke Fukami等人在IPC會(huì)議上介紹了他們更深一步的研究成果：發(fā)現(xiàn)了一種完全不同于以前的新型的焊接現(xiàn)象—2′型焊接現(xiàn)象。以前的認(rèn)識(shí)是高頻電阻焊達(dá)到2型現(xiàn)象后，如果繼續(xù)增大輸入功率，就會(huì)過渡到3型—過燒狀態(tài)。而新的認(rèn)識(shí)是，達(dá)到2型現(xiàn)象后，如果繼續(xù)增大輸入功率，經(jīng)過一段不穩(wěn)定區(qū)間，將會(huì)過渡到2′型狀態(tài)，再繼續(xù)增大輸入功率，才會(huì)達(dá)到3型狀態(tài)。新日鐵的研究表明，2′型焊接時(shí)的V形角分為兩級(jí)，然后有一段（長度小于30 mm）狹縫區(qū)，有利于板邊的充分加熱。因此，2′型的焊接輸入功率的范圍比2型的寬，比2型焊接現(xiàn)象更適合于高頻電阻焊管的制造。1型、2型和2′型焊接現(xiàn)象如圖2所示，熱輸入功率與缺陷面積比之間的關(guān)系如圖3所示[7]。

圖2 高頻電阻焊管1型、2型和2′型焊接現(xiàn)象

圖3 熱輸入功率與缺陷面積比之間的關(guān)系

新日鐵開發(fā)了一種新的監(jiān)控系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)基于遠(yuǎn)程攝像和高精度V點(diǎn)探測，采用圖像處理的測溫技術(shù)及瞬態(tài)阻抗波形的多頻濾波，結(jié)合了光學(xué)圖像處理和電阻抗測量方法，實(shí)現(xiàn)了將焊接條件控制在2′型范圍內(nèi)的目的，焊接觀測系統(tǒng)配置如圖4所示。

圖4 焊接觀測系統(tǒng)的配置

在高頻電阻焊管的焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)方面，新日鐵建立了缺陷面積率這一關(guān)鍵指標(biāo)。在433 K試驗(yàn)溫度下進(jìn)行焊縫夏比沖擊試驗(yàn)。在這個(gè)測試溫度下，大部分焊縫斷口表面變?yōu)檠有詳嗫冢缚p的缺陷部位變?yōu)榇嘈詳嗫?。焊縫缺陷面積率定義為(過燒缺陷面積+冷焊缺陷面積)/焊縫面積。可接受的焊縫缺陷面積率小于0.05%，這與母材中氧化物夾雜物的比率相當(dāng)，也就意味著焊縫與母材具有同等的韌性。

為了進(jìn)一步提高HFW焊管質(zhì)量，新日鐵還開發(fā)出一種層流等離子體保護(hù)高頻電阻焊工藝。采用這種新型屏蔽保護(hù)技術(shù)獲得了焊接缺陷極低和低溫韌性優(yōu)良的效果。

我國焊管界應(yīng)認(rèn)真研究新日鐵發(fā)布的這些研究成果，進(jìn)行深入的聯(lián)合研究和開發(fā)，使我國HFW焊管的質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。

5 CCS技術(shù)和CO2輸送鋼管的開發(fā)

當(dāng)前，為了減少溫室氣體排放，C捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)（carbon capture and storage， CCS)正日益得到重視和發(fā)展。目前國際上已經(jīng)對(duì)CO2的捕獲和儲(chǔ)存進(jìn)行了大量的研究工作，在歐美、中東地區(qū)建設(shè)了許多CCS系統(tǒng)，其中的8個(gè)大規(guī)模項(xiàng)目可以儲(chǔ)存2 300萬t的CO2，到2015年還有8個(gè)大項(xiàng)目建成，儲(chǔ)存量將超過3 500萬t。發(fā)電量達(dá)275 MW或更多帶有CCS的發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)在全世界進(jìn)行推薦[9]。

在美國，管道工業(yè)界已有超過40年的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營CO2管道的經(jīng)驗(yàn)。美國西德克薩斯州的峽谷礁管道系統(tǒng)（Canyon Reef Carriers pipeline system）是第一條陸上CO2管道，1972年開始試運(yùn)行。在北美有超過6 611 km(4 111 ft)的高壓CO2管道，這些管道大都在美國[10]，也有一部分在加拿大，絕大多數(shù)與提高原油采收率相關(guān)。此外，歐洲和中東也建設(shè)了CO2管道。

表5給出了國際上一些已建成的CO2管道項(xiàng)目情況。

表5 國際上已建的CO2長輸管道主要參數(shù)

當(dāng)前，CCS是節(jié)能減排的熱點(diǎn)之一。由于C排放交易制度的逐漸完善，給CCS帶來了巨大的驅(qū)動(dòng)力。據(jù)全球CCS狀況研究所的報(bào)告[11]，到2015年，歐洲最多有12個(gè)CCS應(yīng)用旗艦示范項(xiàng)目。為了實(shí)現(xiàn)全球平均溫度上升不超過2℃的目標(biāo)，到2020年運(yùn)行的項(xiàng)目必須增加到130個(gè)。全球CCS研究院正在評(píng)估的項(xiàng)目有數(shù)百個(gè)，包括中國已經(jīng)有一些C捕集的確定項(xiàng)目進(jìn)行了前期工作(大慶、東營、吉林、山西和神華等項(xiàng)目)。2011年，中國政府首次宣布在中國大力支持CCS的開發(fā)和推廣，并表明為CCS提供更多財(cái)政與政策支持。中國是世界擁有CCS試點(diǎn)項(xiàng)目最多的國家之一，這些項(xiàng)目中的某些項(xiàng)目已經(jīng)開始運(yùn)行。2012年5月，全球CCS研究院報(bào)道的中國大型項(xiàng)目數(shù)量為6個(gè)，這一數(shù)字將繼續(xù)增加。大部分計(jì)劃的大型項(xiàng)目由國有電力、煤炭和石油企業(yè)推動(dòng)，主要為電廠和煤化工廠燃燒前捕集。在封存方面，關(guān)注重點(diǎn)仍為如何對(duì)CO2進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用以增加收入來源。從2006年起，中國就開始利用CO2來提高石油采收率（EOR），而且大多數(shù)計(jì)劃的大型項(xiàng)目也將EOR作為他們優(yōu)先選擇的封存方案。目前，已經(jīng)有兩個(gè)銷售食品級(jí)CO2（利用CO2進(jìn)行食品與飲料生產(chǎn)）的燃燒后捕獲試點(diǎn)項(xiàng)目正在運(yùn)行[12]。

CO2管道的設(shè)計(jì)也涉及斷裂控制問題。20世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)CO2管道存在出現(xiàn)較長延性斷裂的可能性。CO2的減壓行為與典型的天然氣管道的減壓行為可能有所不同，CO2管道一旦破裂，其爆破口可能有不同的形態(tài)，有些與液體管道破裂相似，有些則與天然氣管道破裂相似，CO2管道爆破試驗(yàn)的爆口形貌如圖5所示[7]。

圖5 CO2管道爆破試驗(yàn)的爆口形貌

在2010年和2012年的國際管道會(huì)議，以及2013年比利時(shí)國際管道技術(shù)會(huì)議上，都發(fā)布了多篇關(guān)于CO2輸送管道的研究文章。介紹了在中東的阿布扎比和歐洲的英國開展CCS和CO2輸送管道研究的情況[13-15]，重點(diǎn)介紹了對(duì)CO2減壓行為和斷裂控制技術(shù)的研究。英國國家電網(wǎng)正在進(jìn)行一項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，目的是為在英國設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營CO2輸送管道的安全性研發(fā)提供支持。為此，英國國家電網(wǎng)聯(lián)合一些研究單位和GL Noble Denton的Spadeadam試驗(yàn)場，進(jìn)行了34次激波管試驗(yàn)和3次West Jefferson試驗(yàn)，為采用密相富CO2混合物對(duì)φ914 mm×25.4 mm，L450管線管進(jìn)行全尺寸爆破試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

CCS在全球的發(fā)展勢不可擋，我國應(yīng)積極參與國際CCS項(xiàng)目用管的研究開發(fā)，對(duì)C捕獲用CO2輸送管道的有關(guān)問題進(jìn)行前期研究。如CO2輸送管道的斷裂控制問題，可以借鑒輸氣管道的斷裂控制理論和某些結(jié)論進(jìn)行更深入的研究，有條件時(shí)也應(yīng)開展對(duì)CO2輸送管道的實(shí)物爆破研究。

關(guān)于CO2輸送管道用管的要求，國外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，主要經(jīng)驗(yàn)有：經(jīng)脫水凈化后的CO2可以采用碳錳鋼管輸送，宜采用高壓輸送，輸送壓力一般為13.2～18.6 MPa。例如阿布扎比項(xiàng)目為24.5 MPa；一般多為中等直徑（300～762 mm），但壁厚較大（一般超過20 mm），鋼級(jí)可為X60/X65；一般采用外防腐，不考慮內(nèi)防腐。CO2輸送管道用管可能成為制管企業(yè)今后潛在的市場。因此，制管企業(yè)應(yīng)未雨綢繆，積極了解其技術(shù)要求和進(jìn)展情況，進(jìn)行前期開發(fā)。

6 結(jié) 語

以上是筆者對(duì)當(dāng)前管線鋼管的幾個(gè)熱點(diǎn)問題的思考和淺見。隨著油氣開發(fā)和節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展，以及對(duì)管線鋼管性能和質(zhì)量要求的不斷提高，新的熱點(diǎn)問題會(huì)不斷出現(xiàn)，這些熱點(diǎn)問題的解決既是挑戰(zhàn)也是難得的市場機(jī)遇。特別是厚壁螺旋焊管的對(duì)頭焊和高頻電阻焊管的質(zhì)量改進(jìn)將對(duì)這些產(chǎn)品的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。管線鋼管制造企業(yè)應(yīng)通過深入細(xì)致的研究，不斷進(jìn)行裝備升級(jí)和技術(shù)更新，提升適應(yīng)新市場需求的能力，不斷推進(jìn)管線鋼管的技術(shù)進(jìn)步。

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