本文介紹了大口徑鋼管制造工藝、鋼管性能要求和上游工藝的技術進步。

1 總結鋼管制造方法

1.1 大口徑焊接鋼管的制造方法

大口徑鋼管由厚板和熱軋板成型焊接而成。制造方法首先按焊接方法進行分類，采用高效可靠的埋弧焊（submerged arc welding）鋼管稱為saw鋼管。本文討論的大口徑鋼管主要針對這種saw鋼管。saw鋼管分為l-saw和螺旋焊接埋弧焊螺旋鋼管-saw。l-saw鋼管有適合大批量生產(chǎn)的uo成型法，適用于品種多少的彎曲輥法和壓力機床法。

jcoe成型法介于uo成型法和壓力機床法之間。壓力末端是否有膨脹工藝對鋼管性能有很大影響，是否有該工藝也是分類方法之一。h-saw相當于螺旋焊管，將板卷鋼板形成螺旋形，然后焊接對接部分。除了傳統(tǒng)的成型定位焊接方法外，為了獲得高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的鋼管，還可以在其他生產(chǎn)線上采用定位焊接后的兩步螺旋焊接方法。

1.2 uo鋼管的制造方法

UO鋼管的原材料一般采用厚板，有時也采用剪切熱軋帶卷。鋼板焊接坡口的加工方法有：預彎邊緣（用C型壓力機將鋼板邊緣彎曲至接近產(chǎn)品曲率）；u形成型(用u形壓力機將鋼板壓成u形)；o形成型(用o形壓力機冷成型為o形)。加工后采用gmaww（gas metal arc welding：熔化極氣體保護電弧焊)等方法對焊縫進行定位焊接，從內(nèi)到外采用saw焊縫后，進行約1%的擴徑。該方法一般稱為uoe成型法，在提高正圓度的同時，消除焊縫部位的殘余應力。為了衡量鋼管的完整性，1%的塑性變形不會破裂作為衡量指標。

1.3 螺旋焊管的制造方法

螺旋焊管軋機由開卷機、成型機、內(nèi)外焊機、超聲波探傷機、飛剪等設備組成。一般以熱軋帶卷為原料，也采用斯特克爾軋機生產(chǎn)的熱軋鋼板。一般先焊接內(nèi)表面，旋轉0.5或1.5后焊接外表面，一般采用埋弧焊法焊接。螺旋焊管法從連續(xù)成型到焊接，采用氣體切割法或等離子體切割法切割成規(guī)定長度。然后進行端面加工、無損檢測、二次加工和外觀尺寸檢查。

2 性能要求

2.1 管道鋼管性能要求

采用管道輸送原油和天然氣，特別是在保證氣體管道安全方面，要求管道鋼管具有高科技特性。天然氣基本上是通過管道輸送的，長途輸送可以減少液化天然氣（lng）運輸成本。輸送量為10bcm/a時，lng成本合理的輸送距離為3000km。當輸送量為25bcm/a時，合理值為5000km。若氣體輸送量增加，管道輸送將增加成本優(yōu)勢。此外，如果采用高壓輸送，如將管道的進站壓力從原來的10mpa增加到14mpa，則可以延長管道輸送的運輸距離。用于該管道的大口徑管道鋼管具有以下技術特點。

2.1.1 高內(nèi)壓

為增加氣體輸送量，可在同一輸送氣體壓力下擴大管道內(nèi)徑，或在同一管道內(nèi)徑下增加輸送氣體壓力。高壓輸送氣體主要用于控制管道施工成本。10mpa通常用于陸上管道。西氣東輸二線管道設計壓力為12mpa，阿拉斯加管道設計壓力為15mpa。由于海底管道鋼管中途難以設置空氣壓縮站，因此壓力輸送較高。陸地管道鋼管也計劃提高輸送壓力，但維護空氣壓縮機等周邊機器，降低空氣壓縮機的運行能耗，確保安全也非常重要。

如果用近似薄壁圓筒表示鋼管的周向應力σ，那么σ=pid/2t（pi：內(nèi)壓；d：直徑；t：壁厚)，可見增加對總壁厚的應力，會增加內(nèi)壓。因此，有兩種選擇可以增加壁厚或增加強度，因此管道鋼管需要厚壁和高強度。在相同的直徑下，提高強度可以降低管壁厚度。無論在哪種情況下，提高強度也可以減輕各單位長度的鋼管重量。即使重量降低率不大，鋼材成本也可以降低，從而降低鋼管的運輸成本、鋪設溝的挖掘和圓周焊接成本。

在這種情況下，高強度管道鋼管的開發(fā)和應用。代表性的管道鋼管標準是2007年版的iso 在原x80級以下的基礎上，3183補充了x90、x100、x120。

近年來，對x80級鋼管的需求急劇增加。在降低管道施工成本的需要下，現(xiàn)場圓周焊接從手工焊接到gmaw自動焊接，提高了焊接效率，高強度鋼焊接低溫裂紋不再是問題。

隨著高強度趨勢的發(fā)展，出現(xiàn)了最基本的強度測量問題。管道鋼管的等級規(guī)定表明內(nèi)壓參數(shù)為圓屈服強度（c-ys），但是很難測量鋼管的c-ys。膨脹環(huán)試驗用于正確的圓周強度測定，但不適用于大量測定。圓弧剪切材料作為小型試驗，一般制備成平整厚度樣品，進行強度測量。x65級以下扁平樣品的強度變化較小，但對于x80級以上，材料加工硬化較小，扁平樣品的鮑辛格效果明顯，用扁平樣品測定的ys低于實際ys。

此外，x80級以上不使用扁平拉伸樣品，而是使用可加工的圓棒樣品，所有標準都認可圓棒樣品。但圓棒樣品的值只表示壁厚方向的一部分，必須認識到與整個壁厚的值有些不同(ts低)。在之前的api標準中，油井管和管道鋼管ys被定義為0.5%輕負荷屈服強度。比如x120是0.65%輕負荷屈服強度；x100是0.60%，輕負荷屈服強度接近ys。在iso 在3183中，位移0.2%的屈服強度用于x90級以上。但在加拿大標準csa中，x100的屈服強度為0.5%輕負荷屈服強度，略低于位移0.2%的屈服強度。

2.1.2 高韌性

隨著極地的發(fā)展，需要較低的低溫韌性。敷設在加拿大北部的管道韌性保證溫度一般為-5℃，但部分極地陸地管道需要-60℃。此外，還應考慮當管道破裂時，當氣體噴射時，溫度降低。

對于輸氣管道的低溫韌性，應考慮裂紋及其擴展的高速延性斷裂。焊接缺陷從現(xiàn)場圓周焊接部位出現(xiàn)裂紋的可能性很高。因此，規(guī)定了焊接金屬和焊接熱影響區(qū)的焊接部位（haz）的韌性。在iso 3183要求x80級以上焊縫的焊接金屬和haz達到40j以上v型缺口沖擊值。近年dnv-os-F101規(guī)范要求45j以上。在過去，斷裂力學性能值ctod很少用于評估管道鋼管的焊縫韌性，但現(xiàn)在有增加的趨勢。

此外，由內(nèi)部焊接形成的粗晶粒haz，由于外部焊接，兩相區(qū)再加熱的iroghaz韌性較低，難以提高該部分的韌性。然而，uoe鋼管在塑性區(qū)域擴管，并在這部分用ust探傷，沒有超過1mm的裂紋。一般情況下，基于dnv的-os-ctod，如F101等?！莅踩栽u價0.15mm斷裂力學計算時，要求值往往遠大于要求值。因此，試著采用淺缺口ctod試驗和sent試驗。此外，考慮到約束應力，采用等效ctod評價方法也是有效的。

即使輸氣管道破裂，內(nèi)壓也很難降低，所以如果出現(xiàn)裂紋，不穩(wěn)定性就會擴大。裂紋止裂的必要條件是裂紋傳播面首先成為延性破壞的主體，裂紋擴展速度緩慢下降，比減壓速度慢。因此，dwtt的韌性斷面率要求在85%以上。所需的夏比沖擊值一般采用巴特爾二維曲線法計算?？梢哉f，dwtt的傳播能力或預裂dwtt比夏比沖擊值更合適，高強度鋼管很難預測夏比沖擊值。近幾年來，也嘗試用ctoa來評估。然而，有時高強度管道鋼管很難停止裂紋膨脹。在這種情況下，裂紋制止器在一定的間隔內(nèi)使用。

2.1.3 高變形性

管道必須相當于最小屈服強度（smys）的72%、設計內(nèi)壓80%等。因此，只考慮彈性變形來規(guī)定圓周強度。但是，在設計管道時，應考慮海底管道的s-lay鋼管彎曲、地震引起的地層變化、不連續(xù)凍土地帶的季節(jié)性地層變化、管道塑性變形等。這些特性對鋼管縱向強度的影響大于圓周強度。由于彎曲和壓縮，鋼管本體的變形值很大。

彎曲變形時，壓縮側的壓縮首先受鋼管直徑/壁厚比的影響很大。如果d/t小，壓縮變形極限(壓縮變形極限)大。在同一個d/中 t時，降低屈服比（y/t），增加加工硬化系數(shù)(n)和均勻伸長率（uel），壓縮變形極限可以提高。拉伸應變極限與鋼管機械性能的關系不明確，但鋼管縱向ys低于圓形焊接金屬ys。為了實現(xiàn)這一目標，有時設置垂直ys（l-ys）標準下限低于圓周c-ys標準下限。變形性能和低溫韌性已成為高強度管的研究課題。

管道鋼管應涂防腐涂料，特別是近年來常用的環(huán)氧樹脂涂料（fbe）。鋼管冷成型產(chǎn)生應變時效，應力-應變曲線發(fā)生變化，強度增加。在某些情況下，涂層前后的強度特性滿足要求值，不產(chǎn)生屈服延伸。有報道稱，如果屈服延伸，壓縮變形極限降低。

2.1.4 高壓潰性

在深海鋪設管道時，鋼管有可能被水壓壓碎。若水深超過2000m，壓潰壓力成為第一設計要素。無高壓操作(無內(nèi)壓)時無壓潰(安全率1.41)，即要求管道鋼管具有高壓潰瘍性。由于彎曲應力降低了壓潰值，因此在設計中也要注意彎曲應力的影響。壓潰值在很大程度上受到d/t的影響，因此使用d/t小鋼管防止鋼管壓潰。低d/t，即鋼管徑（d）如果鋼管壁厚變小，輸送量減少；（t）增大，使用厚壁鋼管。因此，深海工程需要超厚壁鋼管。

近年來，在黑海(最深2150m)、地中海(最深2160m)建設了水深2000m以上的深海管道，計劃建設第四條穿越深海的地中海管道(最深2800m)。

2.1.5 耐酸性

硫化氫常含于原油和天然氣(h2)s）。若鋼材暴露在潮濕的硫化氫環(huán)境(酸性環(huán)境)中，大量氫氣侵入鋼材，則會導致各種形式的氫脆化。管道鋼管的代表性損壞形式是氫裂紋（hic），日本開發(fā)了人工海水，將鋼材浸泡在h2s飽和氣中（ph=5)方法，稱為bp試驗。后來，這種hic試驗被用作nace標準tm0284(1984年制定)。然而，在溶液中，Cu添加到鋼中容易形成硫化物，雖然抑制了氫侵入，但存在裂紋敏感性無法正確評價的問題。

然后，用于評估低ph值h2s飽和溶液0.5%ch3的油井管硫化物應力腐蝕試驗cooh+5%nacl(一般nace溶液，初始ph值2.7，試驗結束時上升到4.0 ）用于hic試驗。后者現(xiàn)在被稱為a溶液，前者被稱為b溶液，記錄在tm0284修訂版中。近年來，大多數(shù)人都要求使用a溶液進行hic試驗，并要求clr(裂紋長度率)≤0.15%。

酸性環(huán)境是一種腐蝕性環(huán)境，因此一般采用耐酸管鋼。使用抑制劑時，最高腐蝕速度為0.1-0.5mm/a的情況。因此，采用比按設計壓力計算的壁厚更厚的鋼管。即使輸送含有h2s的氣體，脫水后也不會腐蝕，也不會引起氫侵入。如果只是為了應對脫水設備的故障，可以使用高強度鋼管，而不考慮腐蝕量。在這種情況下，還可以使用耐酸性x80級鋼管。

2.1.6 高耐腐蝕性

當含水量高、二氧化碳分壓高、抑制腐蝕的油少時，根據(jù)環(huán)境采用13cr、耐腐蝕材料，如雙相不銹鋼、鎳基合金等。由于鎳基合金價格昂貴，鋼管內(nèi)表面僅采用耐腐蝕合金層，耐壓材料表面多采用低合金鋼管復合鋼管。壓力機床法廣泛用于成型、軋制、涂層、焊接管縫后熱處理的鋼管和將耐腐蝕內(nèi)管機械插入外管的鋼管。也有報道稱，高鎳合金復合鋼管是利用uoe工藝開發(fā)的。此外，還開發(fā)了13cruoe鋼管。

2.1.7 UT化現(xiàn)場焊接

自動ust用于大口徑管道鋼管現(xiàn)場圓周焊接后的無損檢測。為了安裝機器的導向裝置，需要增加工廠內(nèi)外切割管端的管縫焊接，實現(xiàn)切割自動化和高效。

2.2 土木建筑鋼管性能要求

國內(nèi)螺旋焊管主要用于土木建筑、自來水管道等領域。特別是鋼管樁和鋼管板樁占很大一部分。作為一種產(chǎn)品，大多數(shù)都需要輔助產(chǎn)品的加工和涂層，以提高產(chǎn)品的附加值。結構件的力學性能通過將抗拉強度優(yōu)越的鋼管與壓縮強度好的混凝土結合起來提高。為提高鋼管與混凝土的結合力，需采用網(wǎng)紋熱軋帶卷的螺旋焊管。涂層需要防止腐蝕的聚乙烯和聚氨酯涂層。

3 上游工序的技術進步

3.1 煉鋼技術的進步

為了實現(xiàn)管道鋼管的高韌性和耐酸性，需要高純度、高清潔度的鋼液。為了抑制hic和mns的生成，采用真空脫氣法和粉末噴涂生產(chǎn)低硫鋼技術。20世紀80年代中期，鋼鐵公司建立了控制硫含量低于10ppm的技術，并建立了將mns改為cas的ca添加技術。

減少連鑄板坯的中心偏析對抑制hic非常重要。研究表明，中心偏析可以通過縮短輥間距、輕壓板坯凝固端來減少。連鑄機的垂直段對夾雜物的浮動有很大的影響。

3.2 厚板制造技術的進步

3.2.1 tmcp

TMCP技術是一種與高級管道鋼管制造同步發(fā)展的技術。20世紀80年代以來，控制軋制后的加速冷卻工業(yè)化，從x60到x65、在x70級管道鋼的高強度過程中，耐酸鋼和管道鋼的加速冷卻利用率顯著提高。第二代加速冷卻設備旨在進一步快速冷卻和均勻冷卻，例如，super-olac(1998年福山廠)和clc-μ(2006年，君津廠)等?？刂评鋮s的目標是生產(chǎn)材料均勻的厚鋼板，以及在加速冷卻后設置感應加熱裝置的在線熱處理設備（hop），用于快速加熱是TMCP條件多樣化的應用實例。

3.2.2 組織控制

x60采用加速冷卻生產(chǎn)的x60、X65級管道鋼的主體組織由奧氏體相變鐵素體組成。然而，低碳鋼中第二相的比率較低，因此鐵素體主體組織不能高強度化。所以，X80級以上的管道鋼應該適用于貝氏系統(tǒng)組織。從焊接的角度來看，C含量 用低碳貝氏體鋼制造高強度管道鋼管，0.03%-0.08%的鋼液。這些鋼的50%相變溫度與抗拉強度的半定量關系。例如，x120級管道鋼管是一種含有0.04%左右相變的下貝氏體鋼或約500℃相變的下貝氏體鋼 上貝氏體鋼的強度為0.06%。x100級是550-600℃相變的c含量 0.06%上貝氏體+粒狀貝氏體鋼獲得強度。x80級是600-650℃相變粒狀貝氏體鋼的強度。

適用于x120級管道鋼管的下貝氏體鋼中碳對強度影響較大，板坯加熱時會引起異常相變，有時會變成粗奧氏體晶粒。低碳貝氏體組織容易達到高強度，一般夏季比低溫韌性好，但存在dwtt性能有時低、加工硬化小等缺點。為了彌補這些不足，還將ma組元(馬氏體-奧氏體)和多邊形鐵素體引入貝氏體主體組織。此外，細化扁平奧氏體晶粒的厚度也能提高低溫韌性。

隨著ma比例的增加，鋼板y//t(屈服強度/抗拉強度)降低。淬透性高的低碳鋼在加速冷卻狀態(tài)下產(chǎn)生少量ma。使用hop，如相變途中再加熱，碳擴散到未相變的奧氏體相，ma比例增加。當然，如果鋼板采用uoe工藝成型，由于冷加工強度的變化，鋼板y/t低，鋼管y/t不一定低。c方向是主要變形方向。根據(jù)鋼的不同，變化范圍也不同。dwtt韌性斷面率隨著鐵素體比例的增加而增加。當鋼板通過加速冷卻冷卻到低溫區(qū)域時，鐵素體比的變化對抗拉強度影響不大。這是因為如果鐵素體比例增加，碳就會濃縮到周圍的奧氏體，成為高強度的低溫相變組織。

3.3 高強度管道鋼管熱軋鋼板制造技術進步

螺旋焊管管鋼管直徑大，多為厚壁鋼管，高強度優(yōu)勢不易顯現(xiàn)。近年來，為了生產(chǎn)20mm超厚熱軋帶卷，有一種軋機，可以增強軋機的能力，加強水冷設備。然而，與厚板軋制相比，熱軋過程中的低溫控制軋制有更多的限制。例如，由于軋制速度快，很難提高冷卻能力，而且冷卻到低溫時也不容易卷起。

此外，還開發(fā)了0.08%-0.11%nb添加0.04%c鋼htp（high temperature processing）鋼鐵已批量生產(chǎn)。隨著nb添加量的增加，cvn能量降低，強度增加，但飽和度達到0.1%左右。因此，推測0.1%nb是邊界。