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我国管线用钢的生产现状及发展趋势分析
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一、国内管线用钢的生产技术

  1.管线用钢

  制造石油、天然气集输和长输管或煤炭、建材浆体输送管等用的中厚板和带卷称为管线用钢(steelforpipeline)。一般采用中厚板制成厚壁直缝焊管,而板卷用于生产直缝电阻焊管或埋弧螺旋焊管。国内拥有70万t/a口径在1800mm以内的螺旋焊管的生产能力,近年已建立了口径在1600mm以内的直缝厚壁焊管的生产线。国内能生产符合API5L标准的管线工程设计要求的管线钢仅有10多年的历史,首推宝钢,还有鞍钢、武钢、攀钢、酒钢、舞钢等,稳定生产X60~X70级管线钢并在国际市场上占有一定的地位,目前已投入生产的X80级管线钢质量也达到了国际先进水平,X100级管线钢已经研制出来,尚未投入批量生产。

  2.管线钢的技术要求

  现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢,是高技术含量和高附加值的产品,管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的一切工艺技术新成就。目前管线工程的发展趋势是大管径、高压富气输送、高寒和腐蚀的服役环境、海底管线的厚壁化。因此现代管线钢应当具有高强度、低包申格效应、高韧性和抗脆断、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蚀。优化的生产策略是提高钢的洁净度和组织均匀性,C≤0.09%、S≤0.005%、P≤0.01%、O≤0.002%,并采取微合金化,真空脱气+CaSi、连铸过程的轻压下,多阶段的热机械轧制以及多功能间歇加速冷却等工艺。目前国内外管线规范中没有管线用钢材的韧性指标,仅对管材有具体要求:

  (1)最低使用温度下(-5℃)DWTT≥85%SA;

  (2)最低使用温度下(-5℃)夏比冲击吸收功≥145J。

  当前管线钢的技术条件普遍采用美国石油协会标准APISpec5L,但是国内具体工程或具体用户的订货技术条件往往较API标准严格得多。

  二、我国管线管的消费和生产状况

  1.管线管的消费状况

  管线钢主要用于加工制造油气管线。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应,有利于提高我国的能源安全保障程度和能力。

  同石油一样,我国也将从境外的俄罗斯、中亚国家进口天然气,并通过东南沿海港口进口液化天然气(LNG)。为了把这些天然气输送到主要的消费区域,建设输送管线是必不可少的。目前“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、中俄天然气管线(东线、西线)、以及中亚或俄罗斯至上海天然气管线,最终与“西气东输”管线形成“两横、两纵”的天然气干线。

  目前,原油、天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,平均每年需要铺设近5000km,每年天然气管道需要钢材近400万t。

  随着管道输送压力的不断提高,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,20世纪60年代一般采用X52钢级,70年代普遍采用X60~X65钢级,近年来以X70为主,而国内城市管网以X52、X65为主。目前国内主干线输气管最大压力为10MPa,最大直径能够达到Ф1016~1219mm,以X65、X70应用为主,X80也有应用,但用量不多。随着国内输气管的延长和要求压力的提高,X70、X80将成为主流管线钢。

  2.管线管的生产情况

  目前,我国油气输送所使用的管线管主要由石油天然气集团公司的6个焊管厂生产,它们是宝鸡石油钢管厂、贵阳石油钢管厂、华北石油钢管厂,辽阳石油钢管厂,沙市石油钢管厂,胜利石油钢管厂等,总设计生产能力约为120万t左右。生产的油气管以螺旋焊管和高频直缝焊管为主,而管径大、管壁厚的直缝埋弧焊管的生产在我国时间较短。2000年,我国第一条大口径直缝埋弧焊管生产线在番禺珠江钢管公司建成,此生产线从澳大利亚引进,可生产厚壁大口径长输管线钢管,钢管外径457~1800mm,特殊规格可达3000mm,壁厚4.5~37mm,特殊规格还可增厚,单管最长可达12m。但生产这种焊管所需管线用宽厚钢板目前基本还需依赖进口。近日,日本住友金属和住友商事又与中国石油天然气集团公司(CNPC)下属的宝鸡钢管厂合作生产石油天然气用中径焊接钢管,主要生产油气输送管线的支线用焊管,产量可由目前的5万t提高到2~3年后的12万t。

  1)管线管的生产工艺

  焊接钢管按工艺区分主要有电阻焊(ERW)、螺旋埋弧焊(SSAW)和直缝埋弧焊(LSAW)三种工艺。这三种工艺生产的焊管,因其原料、成型工艺、口径大小以及质量的不尽相同,在应用领域里各有定位。

  (a)直缝电阻焊管(ERW)

  电阻焊管是我国最早生产、应用范围最广、生产机组最多(2000余家)、产量最高(占焊管总产能的80%左右)的钢管品种,产品规格为Ф20~610mm,在国民经济建设中发挥了重要作用。ERW219-610mm机组自20世纪80年代以来,约有30余套是从国外引进的较先进技术。经过多年生产实践,装备技术水平又有较大提高,产品质量也在不断改善。因其投资少,见效快,应用范围广而发展迅猛。随着板材CSP生产工艺的发展,为其提供了低成本、质量可靠的原料,并为其今后进一步发展创造了良好的条件。这部分产品已由流体输送、结构领域向无缝管应用领域的油井管、管线管发展。其典型生产工艺流程应为:板带原料→原料预处理→冷弯成型焊接→焊缝热处理→焊缝(管体)探伤→精整→成品焊管。

  (b)螺旋埋弧焊管(SSAW)

  螺旋埋弧焊管设备投资较少,因采用价格较低的窄带(板)卷连续焊接生产大口径(Ф1016~2400mm)焊管,生产工艺简单、运行费用低,具有低成本运行优势。目前,我国油气输送螺旋焊管已形成了以石油系统所属钢管厂为主的基本格局。采用低残余应力成型和管端机械扩径等先进技术,经过严格质量控制的螺旋焊管在质量上可与直缝焊管相媲美,我国西气东输等油气长输管道工程中获得了广泛应用,是我国油气长输管道工程采用的主要管型。其目前的产能已经能够满足我国油气长输管道工程建设的需要,并已大量出口。

  (c)直缝埋弧焊管(LSAW)

  直缝埋弧焊在我国是较晚发展起来的先进制管技术,过去主要采用UOE技术制造。近年来渐进式JCOE在我国和全世界逐渐成为另一种新的主流技术。直缝埋弧焊管质量可靠,广泛应用于油气高压输送主干线上。该焊管机组由于投资相对较大,使用的原材料为成本较高的单张宽厚板,工艺较复杂,生产效率低,产品成本较高。

  由于我国高压油气输送管线每年需要大中口径焊管100万t左右,主要采用螺旋焊管,直缝埋弧焊管将作为螺旋焊管的补充,主要应用于螺旋焊管机组不能生产的大壁厚钢管(17.5mm以上)和弯管用母管,其用量受到一定限制。

  2)我国生产油气用钢管具有实力的生产厂家:

  (a)华油钢管有限公司(原华北石油钢管厂)是华北石油管理局与中国(香港)石油有限公司合资兴建的大型钢管制造企业,公司现有5条螺旋钢管生产线,并在扬州建有分公司,可生产Ф219~2200mm系列螺旋钢管和Ф168~508mmERW直缝焊管,钢管长度:最长12.2m,产品标准:ISO3183-3、APISpec5L、GB9711等,年生产能力30万t。目前X42~X80级的都可以批量生产。

  (b)宝鸡石油钢管有限责任公司(简称“BSG”)。其前身为宝鸡石油钢管厂,是我国第一个生产螺旋缝埋弧焊管的厂家,是中国石油天然气集团公司所属的集制管、防腐和套管加工于一体的国家大型一类企业,是我国管道建设核心骨干企业,也是我国焊接钢管的生产工艺研究、试验检测和科技情报中心,现拥有六条螺旋缝埋弧焊接钢管生产线,年生产能力为焊接钢管62万t(其中,石油套管10万t),可生产直径为219~2400mm、壁厚为5.0~20.6mm、材质X42~X80、符合APISpec.5L、GB/T9711等相关标准。BSG拥有一条年生产能力为20万t直缝电阻焊接钢管生产线和一条石油套管、接箍加工生产线,拥有三条钢管外防腐生产线和一条钢管内涂层生产线,钢管防腐年生产能力为630m2,可对钢管进行环氧粉末(FBE),两层聚乙烯(2PE),三层聚乙烯(3PE)和三层聚丙烯(3PP)外防腐和环氧树脂内防腐。产品广泛应用于石油、天然气、水、煤气、矿浆等流体长距离输送和油井套管。

  三、我国管线管使用的板材生产情况

  1.管线管使用的板材生产工艺

  管线管使用的板材60~70年代主要采用鞍钢等厂家生产的

  A3、16Mn,随着管道管径增大和输送压力的提高,钢板强度不能满足需求。80年代以后各石油焊管厂开始使用按美国API标准生产的管线钢板,由于当时国内管线板生产厂技术不成熟,主要采用进口板。进入90年代以后,国内管线板生产发展很快,宝钢、武钢、鞍钢、本钢、攀钢等企业相继开发生产了高钢级的X系列管线钢。

  目前在国内管线钢的生产工艺主要有:常规半连续热连轧、CSP连铸连轧、中厚板机组、炉卷机组。

  1)半连续轧机:包括1机架炉卷轧机及5机架精轧机。在半连续轧机上,钢带在精轧道次所经历的热轧从钢带的一端到另一端实质上是恒定的。在精轧机上道次间的时间通常少于3s。

  2)CSP连铸连轧:在CSP生产线上对含有铌、钒、钛复合微合金化的低碳锰钢,采用合适的控轧控冷和卷取工艺,可以保证钢的力学性能和显微组织符合现代X60管线钢的技术要求,符合现代管线钢发展趋势。我国CSP连铸连轧生产线目前已开发到了X60管线钢,而美国及国外其它CSP生产厂已经开发和生产了高牌号管线钢X60、X65乃至X70。

  其工艺特点是连铸薄板坯存在中心偏析,消除连铸薄板坯中心偏析是进一步提高管线钢质量的关键技术问题。

  3)中厚板机组:主要生产宽厚板,用于直缝埋弧焊管的生产,直缝埋弧焊管质量可靠,广泛应用于油气高压输送主干线上。

  4)炉卷轧机:炉卷轧机包括一架往复式粗轧机及一架4辊往复精轧机。在精轧机两边的输送线上安装了两台热卷轧机。输出辊道通常包括一套层流冷却系统和一个卷取站。在炉卷轧机上,钢带整个长度上的热机械历史显著变化,尤其是在微合金化钢生产中,将强烈影响精轧机上产生的再结晶程度、晶粒长大及析出,并且导致整个带钢长度上最终显微组织和性能的剧烈变化。

  其工艺特点是投资成本相对低。

  目前国外在炉卷生产线上已生产出X70、X80级管线钢,主要生产厂家为IPSCO,该厂具有超过35年操作炉卷轧机的经验,近年来已对550MPa级Ⅱ类的1219mm直径及12.0mm壁厚管线钢进行了工业生产。

  2.我国管线钢的生产产量和生产企业基本情况

  随着国内冶金技术装备水平的提高,我国能生产管线钢板卷的企业逐渐增多,但是能够生产

  X70及以上级别的钢厂仅有宝钢、武钢、鞍钢、舞钢、南钢、太钢等。另外,宝钢与武钢、南钢、鞍钢和舞阳钢铁公司也已试制了X80热轧钢板,并在巨龙钢管公司试制了直缝埋弧焊管(JCOE)。近两年来,南钢加大了对管线钢的研究开发,X100级别的钢板正在研制中,鞍钢X100级别的钢板已通过有关单位的验收。

  1)近几年我国国内管线钢生产产量情况,见表1。

            表 1  近几年我国国内管线钢生产产量情况          

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                                    各机组产量,万t            

   年月              中厚板       热轧板      炉卷板       合计

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  2001年              1.31        45.17                   46.48

  2002年              0.53        76.74                   77.27

  2003年              2.87       108.11                  110.98

  2004年              3.55        82.59                   86.14

  2005年              8.48       146.76        2.82      158.06

  2006年1~5月        1.24        57.27        5.82       64.33

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  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。

  2)目前国内主要管线钢生产企业基本情况

  宝钢:近年宝钢管线钢开发生产发展很快,无论是数量还是品种质量,在国内市场都占绝对优势。1997年宝钢生产管线钢22万t,占国内消费的88%;1998年产量为26.5万t,国内市场占有率为83%;1999宝钢生产管线钢18万t,国内市场占有率为65%。2000年宝钢管线钢产销大幅增长,全年销售量达到了35.5万t。宝钢经过十多年管线钢的开发和生产,已较好地掌握了高强度高韧性管线钢板卷的微合金化成分设计、冶金工艺控制、生产质量保证等关键技术。通过不断的优化、调整,已逐渐形成宝钢

  X52、X65、X70系列管线钢的成分、工艺体系和生产质量控制技术,实现了产品的更新换代。产品满足了国内外市场需求,质量稳定,先后在我国西气东输工程、印度输油管线、土耳其输气管线等一系列国内外重大长输管线工程中得到成功的应用。2001年8月~2002年5月,宝钢已为西气东输管线工程提供了15万t14.6mm厚的针状铁素体X70管线钢板卷,用其制造的Ф1016mm×14.6mm焊管已应用于西气东输管线工程。宝钢2005年8月开始为国内自行设计、制造、施工的广东番禺~惠州天然气开发项目铺设的26.2km海底管线提供了7万t的管线钢。这是宝钢参与海底管线建设的第一个项目。广东番禺~惠州天然气开发项目为国家重点工程,是目前国内海底水域最深、距离最长的输气管线,该项目设计天然气年产量约16亿立方米,海底管线总长度约364km。

  宝钢5000mm宽厚板项目从冶炼、精炼、连铸到轧机的设备装备达到世界先进水平,已于2005年建成,其中管线钢产品的钢级为X80(预留X100),最大厚度为40mm,最大宽度为4500mm。

  武钢:是国内第二大管线钢生产企业。近几年,武钢将管线钢作为企业的重点发展品种,其在国内的市场份额提高很快。1997年武钢管线钢的产量仅为2800t,市场占有率只有1%,但1999年武钢生产的管线钢就上升到了6.3万t,仅在西部市场上就取得了11条管线工程的供货权,在国内市场占有率提高到了23%左右。武钢在管线钢品种质量上也取得了很大的进展。武钢生产的高韧性管线钢已达到德国、日本主要钢厂的同类钢材的实物水平。2000年武钢管线钢开发生产量达16万多吨。在涩宁兰管线、北京~永清管线、伊朗管线、伊拉克管线及大庆石油油井套管等多项大工程中中标。同时,厚板X65H和高性能管线钢X70的试制也取得成功,用户试用后表明,其性能指标完全满足了涩宁兰管线、大庆油井注水管线工程技术要求。2004年武钢管线钢的研制开发取得重大突破,顺利实现了17.5mm厚X70高性能管线钢大批量稳定供货。连续承接了苏丹管线、中哈管线、陕京管线、沿江管线、双兰管线、冀宁管线等10余条管线的供货权,全年合同量达70余万t,居国内首位。随后又积极开展15.3mm和17.5mm高强度、高韧性的X80热轧厚板卷的研试工作,并顺利通过中国石油天然气集团公司鉴定。鉴定委员会专家认为,武钢开发的X80管线钢15.3mm厚热轧卷板可完全满足X80螺旋焊管制管的要求,已具有批量生产稳定性,能按要求实现批量生产与供货。

  鞍钢:2002年11月,ASP线已为长———呼输气管道工程提供了4000多吨X52级管线钢,目前已开发生产出X70、X80高等级管线钢板、卷,并可工业化生产。7月7日,在我国新建“川气出川”大型天然气管道试验段铺设工程中,鞍钢独揽3.2万t极限规格X70螺旋焊接用管线钢卷板供货权。同时,鞍钢还承揽下1.95万tX70直缝焊接管线钢的生产合同。“川气出川”天然气管道工程是我国“十一五”重要输气工程,工程铺设管道全长1937km。目前在国内能够生产30.4mm厚X70宽厚板并供货的厂家只有鞍钢一家。今年7月13日,鞍钢生产的X100管线钢宽厚板及用它卷制的直缝焊钢管顺利通过了国内权威科研机构———中石油管材研究所试验评价。

  X100管线钢研制开发成功,使鞍钢管线钢钢级形成了X60、X65、X70、X80和X100的系列化,为角逐国内外高端管线钢市场增添了一件“利器”

  。本钢:在国家组织实施的“振兴东北老工业基地高技术产业项目”中,本钢同中科院金属所共同申报的“高性能管线钢生产产业化”通过了专家组的评审,该项目获得国家1000万元资金的支持。“高性能管线钢生产产业化”项目的实施将使本钢成为国内继宝钢、武钢、鞍钢之后能生产高附加值、高级别X70管线钢的钢铁企业。本钢石油管线钢的开发研制始于80年代末,是国内较早开发石油管线用钢的钢铁企业。

  历时十几年的发展,本钢先后研制开发了符合石油、天然气输送管线用的A、B、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70管线钢,形成了石油、天然气输送管线用钢的系列化。特别是本钢通过2002年对炼钢、热轧进行现代化改造后,加快了高性能管线钢的研制开发力度,先后研制开发了能够满足用户要求的高性能石油管线用钢X52~X70、石油套管用钢J55,参与了国家“973”项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”中的子课题“高强度管线钢的工业基础研究”工作。到目前为止,石油管线钢X52~X70先后通过中石油管材所、管道局的板卷及钢管的性能评定,实物质量满足国家西气东输对管线钢特殊质量的技术要求。其产品已应用于多条输气、输油、成品油管线工程。近两年,本钢已累计生产石油管线钢9万多吨,产品经华油钢管有限公司、宝鸡石油钢管厂等多家管厂的生产使用,产品质量完全符合用户的特殊标准的技术要求,X80管线钢也将于2006年下半年通过鉴定验收。

  邯钢:2000年就在CSP机组上开发出了厚度为7.9mm的X52、X60管线钢,并投入了批量生产。

  马钢:于2006年1月到2007年12月,将在CSP生产线开发并商业化生产铌微合金化X52~X56管线钢(由于受到取样剪的剪切能力限制,马钢CSP管线钢生产最大厚度只能生产到X56级的商用厚度);马钢新区传统热轧生产线研发铌微合金化X70~X80管线钢。

  南钢:于2005年10日28日,在中厚板卷厂成功轧制出厚度8.7mmX60管线钢、9.5mm钢卷,目前X70管线钢也已经开始工业化生产,X80已经开发出来,但生产量不是太多,最大厚度为40mm,最大宽度为3300mm。

  X100已经列入科研课题,正准备开发。

  济钢:中板厂和中厚板厂于2006年5月份生产了近500tX52级管线钢板,经检验,钢板的表面质量、外形尺寸、内部质量、组织性能全部满足了用户需求,为下一步开发更高级别的管线钢奠定了坚实的基础。

  安钢:在2006年1月到2007年12月,和钢铁研究总院合作,在其炉卷轧机上开发生产X70、

  X80高等级管线钢板、卷,目前正处于实验阶段。

  太钢:目前太钢已具备生产X56、X60、X65高等级管线钢的生产工艺条件,并于2001年9月29日生产的第一批L360管线钢发到宝鸡。经沧淄输气项目部监理及宝鸡钢管厂首检,母材及管材的机械性能等各项指标全部合格。在“沧州一淄博”输气管道工程中,太钢中标L360管线钢7300余吨,由宝鸡钢管厂制管。

  攀钢:目前已能批量生产从B级到X65级6个大品种的管线钢。

  四、管线钢的发展趋势

  随着石油天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提高管材的强度,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。由于天然气的可压缩性,因而输气管的输送压力要较输油管为高。近年来国外多数输气管道的压力已从早期的4.5~6.4MPa提高到8.0~12MPa,有的管道则达到了14~15.7MPa,从而使输气管的钢级也相应地提高。目前,国外的大口径输气管已普遍采用X70钢级,X80开始进入小规模的使用阶段,X100也研制成功,并着手研制X120。输送酸性天然气的管道用钢目前已能生产到X65钢级。

  21世纪是我国输气管建设的高峰时期。“西气东输”管线采用大口径、高压输送管的方法。这条管线全长4167km,输送压力为10MPa,管径为1016mm,采用的钢级为X70、厚度为14.6mm,~20℃的横向冲击功为≥120J。这一钢级、规格、韧性级别目前国内已经生产,并且质量达到国际水平。因此,生产这种规格的高强度、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:

  1.国内对管线用钢的需求以X70级为主,新线目标定位在X80级热轧宽钢带和X100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。

  2.今后输送的天然气不再是经脱水、脱H2S处理的“甜气”(PH2S≤300Pa),而将是未经处理的“富气”(PH2S≤300Pa),为此必须提高管线用钢的抗氢致开裂和抗H2S应力腐蚀的性能。

  3.国内已具有70万t以上螺旋焊管的制管能力,但大口径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。


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