含鈮海底油氣輸送管線鋼開發(fā)方興未艾

鈮作為強化元素廣泛應(yīng)用于微合金化鋼，其在國外的應(yīng)用最早始于大口徑管線鋼，國際權(quán)威專家在總結(jié)管線鋼技術(shù)發(fā)展時，做出“耐腐蝕的鈮是管線鋼成分結(jié)構(gòu)和冶金學(xué)的基石”這一科學(xué)論斷。在我國鋼鐵領(lǐng)域，含鈮鋼開發(fā)的最為輝煌的技術(shù)成就，也莫過于在石油天然氣輸送管線領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)過多年努力，中國管線鋼的研究和生產(chǎn)達(dá)到了當(dāng)代世界先進(jìn)水平，國產(chǎn)化的含鈮管線鋼為我國的超級工程———西氣東輸工程、海底油氣輸送工程保駕護(hù)航。

現(xiàn)階段，陸上油氣田已逐步進(jìn)入開采的中后期，勘探開發(fā)難度增大，成本升高，而全球海洋油氣資源潛力巨大，勘測前景良好。海洋油氣資源主要分布在大陸架，約占全球海洋油氣資源的60%；而大陸坡的深水、超深水域的油氣資源潛力也很可觀，約占30%。海底油氣管道處于浪、流、蝕等惡劣環(huán)境下，特別是深海海域，對管線鋼材料提出了更高的要求。同時，海底油氣管道的服役期一般都超過20年，設(shè)計要求免維護(hù)或者少維護(hù)，必須使用高性能的管線鋼作為保障。近年來，我國管線鋼材料技術(shù)雖然已取得長足進(jìn)步，但與國際先進(jìn)水平和我國發(fā)展需求相比，在海底管道方面仍然存在諸多不足。

國內(nèi)外海底油氣管道的發(fā)展日新月異

海底油氣管道是海洋油氣田內(nèi)部設(shè)施連接和油氣資源外輸?shù)闹匾绞?。截至目前，世界各國鋪設(shè)的海底管道總長度已達(dá)十幾萬公里，且水深不斷增加，輸送壓力不斷提高，正在不斷創(chuàng)造新紀(jì)錄；鋪設(shè)管道水深已達(dá)3000米以上；最長管道長度達(dá)到1200千米以上；鋼管最大壁厚也達(dá)41毫米，最大管徑達(dá)到1219毫米。

1985年，我國建成第一條海底輸油管道；2012年，國內(nèi)海底管道最高應(yīng)用水平的代表工程———南海荔灣深水項目完工，開創(chuàng)了我國1500米作業(yè)水深的管道工程紀(jì)錄。在管道長度方面，從海南島近海某氣田至香港的一條直徑711毫米的海底輸氣管道長達(dá)800千米，是我國目前最長的一條海底管道。

為適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和條件，鋼鐵企業(yè)研發(fā)出各種各樣的海底油氣管道用管線鋼。

一是抗深水?dāng)D毀用管線鋼。海底管道向深海發(fā)展，管道外壓的問題逐漸突出，鋼管發(fā)生擠毀后，管道在很小的載荷下就會發(fā)生屈曲。為了防止管道發(fā)生擠毀，深海管線需要應(yīng)用大t/D（壁厚/外徑）鋼管，這對鋼廠和鋼管廠分別提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。鋼廠方面，我國目前X70海底管線用鋼生產(chǎn)的最大厚度為31.8毫米，尚不掌握更厚規(guī)格X70鋼板的生產(chǎn)技術(shù)。厚規(guī)格鋼板生產(chǎn)的主要難度是DWTT（管線鋼落錘撕裂試驗）性能難以控制。研究發(fā)現(xiàn)，DWTT主要與材料組織中大角度晶界比例和奧氏體晶粒的細(xì)化程度有關(guān)，而厚鋼板壓縮比低，組織細(xì)化困難，難以保證DWTT性能。雖然我國鋼鐵企業(yè)的裝備水平世界領(lǐng)先，但控制和管理水平與國外相比依然存在差距，需要保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。

二是抗位移和變形用管線鋼。在鋪設(shè)海底管道過程中，會遇到很多的困難和問題。例如，使用鋪管船鋪設(shè)時，將承受很大的壓縮、拉伸或者彎曲變形；在服役過程中，浪、流、平臺移動及地質(zhì)活動易造成海底管道的位移；海底管道在施工鋪設(shè)和運行階段的塑性變形等。為解決這些問題，除了在設(shè)計階段就要采用基于應(yīng)變的方法之外，還應(yīng)開發(fā)具有較大變形能力的抗大變形鋼管產(chǎn)品。目前普遍的做法是采用雙相鋼的技術(shù)路線，保證管線鋼的強度和塑性的良好配合。目前國內(nèi)生產(chǎn)的X70含鈮抗大變形管線鋼及鋼管產(chǎn)品性能穩(wěn)定，各項指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

三是抗疲勞損傷用管線鋼。海底管道在浪、流的沖刷作用下不可避免地形成懸跨段，當(dāng)水流在無支撐的管跨段之上或之下流動時，會在管道周圍產(chǎn)生漩渦。漩渦離開管道，震動會引發(fā)周期載荷，使管道受損。此外，海底管道在交變載荷（如海流載荷和波浪載荷）作用下的疲勞損傷是一個累積過程。提高鋼管的抗疲勞性能，可以降低管道管理過程中對管跨段長度和支撐條件的要求，降低海底管道管理運營成本。這就要求鋼管材質(zhì)純凈度高，夾雜物含量低，需要鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步提升生產(chǎn)水平。

四是抗腐蝕環(huán)境用管線鋼。由于石油天然氣中含有大量硫化氫等腐蝕介質(zhì)，尤其是海底油氣田內(nèi)部管道輸送的凈化前油氣介質(zhì)中的腐蝕成分含量高，有的甚至需要加熱輸送，內(nèi)腐蝕問題十分突出。為了解決這個問題，大量采用不銹鋼或耐蝕合金是一種很不經(jīng)濟(jì)的選擇，于是雙金屬復(fù)合管結(jié)構(gòu)成為首選。因為該結(jié)構(gòu)是以耐腐蝕合金管（不銹鋼或耐蝕合金）作為內(nèi)襯層（壁厚0.5毫米~3毫米）與腐蝕介質(zhì)接觸，以碳鋼或低合金鋼作為外面基管承受壓力，其成本只有耐蝕合金純材的20%~50%。

這種雙金屬復(fù)合管按制造工藝可分機械復(fù)合管和冶金復(fù)合管兩類。在高溫下，機械復(fù)合鋼管因碳鋼和抗腐蝕合金層間膨脹系數(shù)差異、層間存在氣體，容易造成內(nèi)覆層失穩(wěn)、鼓泡。同時，機械復(fù)合鋼管內(nèi)襯抗腐蝕合金焊管處于焊接和冷加工狀態(tài)，抗腐蝕能力較差，而且其不能進(jìn)行冷、熱加工制造彎管、三通等配件。但采用冶金復(fù)合鋼管就可以克服上述機械復(fù)合鋼管存在的問題。

注重海底油氣輸送管道的失效與控制

海底管道在服役運行中，工作環(huán)境較陸地管道更加惡劣，不僅可能受到波浪、海流、潮汐、腐蝕等，還可能面臨船錨、平臺或船舶掉落物、漁網(wǎng)撞擊拖掛等危險，很容易發(fā)生失效事故。其失效模式主要包括———斷裂、變形、腐蝕、外來機械損傷4大類，但海底管道各種失效模式的具體形式、失效原因和影響因素與陸地管線不盡相同。因此需要針對引起海底管道失效的各種原因分別采取對策防止管道失效，這些措施和方法涉及海底管道選線、設(shè)計、材料和施工質(zhì)量檢測等多個方面。

海底管道設(shè)計的過程其實也就是采取措施防止管道失效的過程，它是防止管道失效最重要的環(huán)節(jié)。腐蝕、波流沖刷等造成的海底管道失效在一定程度上都可以通過合理的設(shè)計來防止。例如，在設(shè)計中可以采用增加管壁厚度、管外涂防腐層、陰極保護(hù)法、在管內(nèi)流體內(nèi)加緩蝕劑等方法來防止管道發(fā)生腐蝕；采用將海底管道填埋、用砂袋或混凝土對管道進(jìn)行外部防護(hù)、給懸空管道加固定支撐等方法來防止管道底部被波流沖刷淘空而發(fā)生渦激振動。設(shè)計方應(yīng)選取合理的計算理論和計算方法對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計算，并根據(jù)海底管道工作環(huán)境條件、工程施工難易程度、施工單位能力等實際情況來選擇最有效可行的安全防護(hù)方法。海底管道系統(tǒng)的材料不僅包括鋼管材料，還包括閘門、法蘭、墊片等附件，以及犧牲陽極塊、混凝土等防護(hù)材料。這些材料在被用于海底管道工程前都應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格檢測，以免將有質(zhì)量缺陷或性能不滿足要求的材料用于工程中，為海底管道失效留下隱患。

未來5年~10年，海洋油氣資源勘探開發(fā)對海底管道的建設(shè)需求會更加旺盛，材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景十分廣闊，尤其是對新材料、新工藝的需求日益強烈。毫無疑問，鋼鐵工業(yè)技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了現(xiàn)代海底管道工業(yè)的發(fā)展。

大口徑海底管道用鋼管目前均采用焊接方式加工制造，并一根根將其連接起來，以構(gòu)成一條長距離的輸送管道。因此，管線鋼的可焊接性是十分重要的?？梢哉f，現(xiàn)代管線鋼是以高強度、高韌性和良好焊接性為其主要特點的。從20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)末，管線鋼最大鋼級從是X52（屈服強度大于360兆帕）發(fā)展到X70（屈服強度大于483兆帕），在管線鋼沖擊韌性方面也從在0℃不足50焦耳提高到-20℃以下達(dá)到400焦耳以上，工業(yè)性批量生產(chǎn)高強度、高韌性和良好焊接性能的管線鋼已成為現(xiàn)實。

在海底油氣管道主要用材———低碳含鈮微合金化鋼管發(fā)展方面，抗大變形、高疲勞性能、大t/D等海底管線鋼管是未來海底管道低碳微合金化鋼管材料發(fā)展的主要方向。在腐蝕環(huán)境用雙金屬復(fù)合管的研究方面，冶金復(fù)合管性能優(yōu)異，但是成本較高；機械復(fù)合管內(nèi)外層的結(jié)合較弱，但是可以通過管端堆焊等工藝加強內(nèi)外層結(jié)合，同時保持較低的成本。未來，選擇冶金復(fù)合管還是選擇機械復(fù)合管，需要根據(jù)兩種產(chǎn)品的研發(fā)情況來確定。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。