第1章

1.1油气输送管线钢的应用绪论

全球能源需求不断上升，石油和天然气业在上游、中游、下游和油田服务各方面面对多种挑战和机遇，石油和天然气也就成为了保证国民经济稳定且高速发展的关键能源物质。2015年全球石油需求将继续增长，增幅将从2014年的每天110万桶提高到120万桶，需求总量将突破每天9230万桶，全球石油需求走势仍然很大程度上取决于主要消费国的经济形势、天然气及其他能源对石油的替代程度、部分国家石油补贴改革的落实情况、提高燃料使用效率措施的进展等因素。

据调查石油和天然气用户主要分布在工业发达以及发展中国家，而油气田大部分产生于极地、冰原、荒漠、海洋等其他偏远地带。全球的管道工业以输送天然气、原油、成品石油等能源为主要任务，其特点主要是长距离、不间断、经济、安全、输送量大等其他特点。经过多年的管道发展研究，2011年底，我国的油气管道总长约为9.1万千米。其中约4.9万千米的天然气管道，

2.3万千米的原油管道，1.9万千米的成品油管。到2015年，总长度预计将达15万公里左右的国内油气管道。未来5年，新建天然气管道将达3万公里以上，新建原油管道达1万公里以上，新建成品油管道1万至15万公里以上，油气管线共需投资约3500亿元。

由于我国天然气产地于下游市场相距甚远，工业发展不太发达，导致管道投资、运营成本远远高于石油成本。但是在近些年的管道发展，发现采用X80、X100、X120等高级钢管输送，可以大大提高输送的压力，从而可以减少管径、减薄管道壁厚，大幅度的节省管道成本和施工费用。同时，由于提高了输送石油天然气时的压力使输送能耗减少，降低了运营时需要的成本。所以，长距离的天然气运输管线钢将会向高强度、高压力输送方向发展。

1.1.1国内自主研发X70管线用钢

1999年，我国开始筹建“西气东输”管道工程。经过大量研究和论证，最终决定采用X70管线钢管，规格为Φ1016mm×（14.6～26.4）mm，并且开始研发X70管线钢管的工作。在API5L的基础之上，我国综合考虑各个方向的因素，其中包括实际工况、制作管道的工艺性、可行性的检测技术、国际先进标准水平、国内外同类管道的经验以及经济性等其他要求。经过多次研究和修改之后X70管线钢已大批量应用到西气东输工程上，X70在零下20℃时，可达300J以上冲击韧性值，其韧脆转变温度在零下60℃以下，钢中有害元素P和S分别低于10pm。现在，宝钢等国内几大钢厂都已经具备了生产X70级管线钢的规模能力，并陆续投入项目使用。并且经过几年的研究，我国学会了X70螺旋缝埋弧焊大口径钢管焊接技术，从无到有，成功的填补了国内空白。针状铁素体X70管线钢应用于西气东输管道工程，成功的使中国钢铁企业加大技术进步的步伐，国

外多家钢铁和钢管企业认为该工程对热轧板卷、螺旋缝埋弧焊管的技术要求是在最严格的技术条件之列。陕京和“西气东输”工程二线天然气管道的项目，标志着我国采用高压、大口径、壁厚输送管的一个新的起点。

1.1.2X80及更高钢级的管线钢的自主研发

在“西气东输”管道工程后，冶金部门和石油部门开始对X100、X80技术开发、高钢级管材的研究和应用基础研究项目。鞍钢，宝钢，武钢等大型企业也陆续成功的开发出X80热轧板卷和厚板。目前，刚刚开工建设的总长接近10000km多的“西气东输二线”管道工程线路，其中需要采用X80钢管干线管道长达4000km多，钢管直径Φ1219mm，设计压力12MPa，将体现世界油气输送管道的最高水平。

1.2油气输送管线钢的焊接

1.2.1管线钢的焊接方法

管线钢必需经历的一个重要的工艺过程那就是焊接，管线的重要组成部分是焊接接头，所以管线钢的焊接质量直接影响着管线的安全。目前，我国主要使用埋弧焊、手工电弧焊以及气体保护焊来进行管线钢的焊接，使用埋弧焊焊接生产的主要是直缝焊管或者螺旋焊管。以前一般都是采用双丝埋弧焊来进行管线钢的焊接，但随着管线钢的厚度不断增加，导致双丝埋弧焊的焊接效率下降，所以正向着高速多丝埋弧焊发展，与常规埋弧焊焊接工艺不同的是，其焊接速度可达到1m/min以上，主焊接电流可达到1000A。管线的现场安装的环焊缝焊接或者管体的维护使用手工电弧焊和气体保护焊。

1.2.2管线钢焊接所遇到的问题

通过以往的管线钢的发展史，了解到管线钢级别的提高并没有成分设计上的重大突破，都是通过精确的控制钢材合金成分，控制轧制和冷却速度等方法冶炼、改进轧制工艺而提高管线钢的级别。这些方法制作的钢材在控制HAZ脆化现象和冷裂纹现象有着显著的提高，但是在焊接过程中又出现了以下一些新的问题：

（1）钢的屈强比增加，应变硬化能力降低

管线钢强度的提高会使其屈强比增加，如已经开工建设的“西气东输二线”工程用X80钢要求屈强比不大于0.95，“西气东输”工程用X70钢要求屈强比不大于0.90。说明高屈强比可让钢的应变硬化能力降低，使管线钢的抗侧向弯曲能力也降低，所以管线钢在不连续冻土区、地震带等地区及土质不稳定区的不安全性增大。所以要求焊接接头具有更高的低温冲击韧性、断裂韧性和

断裂韧性高强匹配（Crack-TipOpeningDisplacement，CTOD）等性能，这是与以往现场环焊接头的焊接性能和工艺所提出的不同要求。

（2）HAZ软化现象

焊接过程中，因为轧制冷却期间的冷却速度高于焊后冷却速度，导致微合金元素形成的第二相质点溶解和晶粒长大，使得高强度管线钢的HAZ软化。虽然X70钢的软化现象并不明显，但X80及以上级别管线钢比较明显，尤其是焊接热输入量较大时，软化现象更为显著。这对焊接过程中提出了较高的要求，要严格控制焊前预热温度，严格控制在较小范围之内的焊接热输入量。

（3）焊接接头与母材的匹配性

管线钢是低碳微合金控轧及加速冷却的产物，有较高的力学性能。如“西气东输”工程考虑到管线延性断裂现象，需要管线钢的Akv（-20℃）大于135J，而鞍钢、宝钢、武钢生产的X70钢板实物韧性都在200J以上。要与母材等韧是相当困难的，因为焊缝是由电弧熔化凝固的“铸态”组织，导致强韧性匹配关系比经过TMCP处理的钢管为差。为了保证长输管线的安全运行和使用寿命，要求钢管对接环焊缝满足下列力学性能要求：-20℃冲击韧性单个试样最小值56J的焊缝和熔合线，三个试样平均值不小于76J，硬度最大值275HV的焊缝和熔合线，最小值为570MPa的抗拉强度。钢级强度和韧性的提高首先迫切需要解决的是焊接材料的配套，这些配套焊接材料包括药芯焊丝、焊条、实心焊丝等高效焊接材料。

（4）现场焊接工作已经成为发展高强度管线钢的技术难点

要求焊接接头的强度比钢管的屈服强度高5%～10%，一般都是国外在地质条件复杂的天然气管线设计时。此时，当管线承受外界负载时，因受力超过屈服强度而使焊管管体发生塑性变形时，环焊接头仅是弹性应变，在焊接接头处可避免发生应力集中而断裂。如果环焊接头对管体的高强匹配不能保证，出现了低强匹配的情况，则外力作用在管线工程时，导致管线环焊接头早期破坏的原因，往往因为是应力集中部位。但通过对X80管线钢的大量试验表明，随着管线钢强度级别的提高，环焊接头实现高强匹配变得困难。

另外，制约焊接质量和施工效率的关键因素也包括根焊的焊接技术。要求根焊工艺能够有效避免焊接裂纹、内咬边和熔合不良，保证根部焊接质量，同时具有良好的焊接工艺性能，以及高的焊接效率。

（5）经济性

随着管径和壁厚的增大，焊接材料消耗量和焊工的劳动强度势必大大地增加，这已经成为制约施工经济性的关键。因此，针对厚壁钢管研究设计出适用的焊接坡口形式具有重大意义。

1.2.3管线钢的裂纹敏感性研究方法

钢的焊接性能的一项重要指标是钢的抗裂性。可以通过焊接热影响区最高硬度试验和拿大焊接所(WIC)试验及插销试验、慢弯试验、斜Y坡口裂纹试验、钢的碳当量CE及Pcm等计算方法进行管线钢焊接性能评估。最常用、最简便的方法是碳当量法。在钢的各种组成元素中，对钢材冷裂纹敏感性影响最显著的元素为碳。将钢中其他元素对冷裂纹敏感性的影响与碳比较，按一定系数折合，与碳含量一起叠加后，可以得出该钢材的碳当量CE或Ceq值，用以评估该钢材焊接的冷裂纹倾向。几种常用的碳当量公式如下。

日本（ITO）的适用于C=0.07～0.22%的公式为

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B；

及日本（YURIOKA）公式为

CEN=C+A（C）*[Mn/6+Si/24+Cu/15+Ni/20+(Cr+Mo+Nb+V)/5+5B]；

式中A（C)为碳的折算系数。

国际焊接学会（IIW）推荐的适用于中、高强度非调质低合金高强度钢的公式为

CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5；

钢的抗裂性与钢的碳当量有密切关系。人们通过大量实验建立了碳含量、碳当量与氢致裂纹敏感性之间的关系，如图1.1所示。当含碳量较低时，即使在较高碳当量的情况下，其抗裂性也是比较好的。因此当今高性能钢的主要研发思路是降低碳含量

。

图1.1碳当量、碳含量与氢裂纹敏感关系