1, 管線鋼的發(fā)展歷史

 美國在19世紀下半葉，隨著油田的開發(fā)，出現(xiàn)了輸油管線系統(tǒng),最早的輸油管線是木制，但很快就被鐵質(zhì)管道取代。 在焊接技術(shù)于20世紀20年代誕生后，長距離輸油管線系統(tǒng)進入了大發(fā)展時期。到了二戰(zhàn)期間，由于納粹德國無限制潛艇戰(zhàn)對美國油輪的打擊，迫使美國建立了德克薩斯油田到新澤西煉油廠的長輸管道系統(tǒng)；蘇聯(lián)也建設(shè)了輸油管線，以便把高加索的石油繞過德占區(qū)運往莫斯科。這些輸油管線成為現(xiàn)代油氣長輸管線系統(tǒng)的開端。 戰(zhàn)后至今，隨著石油天然氣開采、消費量的快速上升，油氣長輸管線系統(tǒng)的建設(shè)掀起了一輪又一輪的高潮，目前世界油氣長輸管線(見圖1)（包括原油管線、成品油管線、天然氣管線）總長度達到200萬公里以上。 
 

圖1 寒冷地區(qū)建設(shè)中的管線

而在1959年，我國第一條油氣長輸管線——克拉瑪依到獨山子管線開始建設(shè)。至今已建設(shè)完成總長度14萬公里的油氣長輸管網(wǎng)，形成了“北油南運”、“西油東進”、“西氣東輸”、“海氣登陸”的輸送格局；并建設(shè)了哈薩克斯坦到新疆，俄羅斯到東北、新疆，緬甸到西南等國際油氣輸送管道。還有設(shè)想巴基斯坦瓜達爾港到喀什的線路。

2019年12月9日，國家油氣管網(wǎng)集團公司成立，接管整合三桶油所屬全部長輸管網(wǎng)資產(chǎn)。 統(tǒng)籌規(guī)劃在2025年前，我國油氣長輸管網(wǎng)總長度將達到24萬公里。天然氣、原油、成品油管道里程數(shù)分別達到16.3萬公里、3.7萬公里、4萬公里。屆時，全國省區(qū)市成品油、天然氣主干管網(wǎng)將全部實現(xiàn)聯(lián)通。 具估算天然氣管道、成品油管道、原油管道單公里投資規(guī)模分別約為1500萬元/公里、600萬元/公里、800萬元/公里?？傮w預(yù)計油氣長輸管道規(guī)劃投資規(guī)模約1.68萬億元。 

而當前美國、俄羅斯管網(wǎng)總長度分別為68萬公里、25萬公里，我國與之差距較大。另外，從2019年我國一次能源消費結(jié)構(gòu)占比分析，其中煤炭：57.7%， 石油：18.9%， 水電、核電、風電、天然氣等清潔能源：23.4%（其中：天然氣占 8.1%。消費3100億立方米，年增長10%，包括液化天然氣LNG進口9039萬噸）。由此可見輸送天然氣需管道發(fā)展較快，故預(yù)計未來建設(shè)投資規(guī)模將繼續(xù)提速，“十四五”期間待建規(guī)?？臻g巨大。

  從上世紀50年代提高鋼的強度是采用“淬火”加“回火”的方法，到60-70年代開始使用金屬鈮配合控制軋制和控制冷卻，通過細化晶粒和析出強化機制顯著提高材料的性能，使焊接管線鋼有了飛速的發(fā)展，其強度和韌性均得到極大提高，從初期的X42到X80的批量應(yīng)用，鋼的強度在不斷提高。

2，管線鋼的技術(shù)要求

 美國石油協(xié)會(API)最新公布的API標準為第45版。其鋼級為：

X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80、X100、X120，其數(shù)字代表最小屈服強度，為英制單位psi(磅/英寸²)，換算為國標的方法為：乘7減5

即： X70最小屈服強度為：70×7－5＝485MPa

 X80最小屈服強度為：80×7－5＝555MPa 

此外，還有A、B級管線鋼，其最小屈服強度為215MPa、245MPa。  

相應(yīng)的我國也等效采用國際先進標準，頒布了管線用鋼標準GBT14164, GB2123等。

除強、塑、和低溫韌性要求之外，重要用途管線鋼還提出較低屈強比、高的動態(tài)撕裂剪切面積、高的抗H₂S腐蝕性能、低的“分離”斷口傾向和良好的焊接性能等特殊技術(shù)要求。這些要求均與鋼的勻質(zhì)、潔凈化冶金與熱機械控制軋制密切相關(guān)。

3，管線鋼制管工藝分類

管線鋼制管主要分為焊接鋼管和無縫鋼管。其中焊接成型的又分為埋弧螺旋焊和直縫焊。而由板寬和加工方式比較可見：直縫焊管 (LSAW)用中厚板厚通常20mm-40mm，適宜制作高壓輸氣管、海底管線等。由于單張鋼板制管，鋼管長度有限；且鋼管直徑受到鋼板寬度的限制，所以不能做大口徑的鋼管（見圖2）。而螺旋埋弧焊工藝（見圖3）對原料鋼板尺寸要求較低，生產(chǎn)速度快，一般作為長輸管道。所用熱軋卷板壁厚通常小于20mm，制成的螺旋焊管(SSAW)輸氣壓力相對稍低。在焊接成型過程可根據(jù)螺旋角、板寬的不同，制造大口徑鋼管，如鋼管直徑可達2m以上。

圖2 直縫焊接

 圖3 螺旋埋弧焊 

? 4.高等級管線鋼的成分和性能特

下表列出管線鋼的化學(xué)成分和性能見表1和表2：

由此可見，隨著強度級別的提高，降碳，提高錳含量，減少鋼中有害元素。而提高耐腐蝕性加入了鉻和銅等元素，也為隨后的中溫轉(zhuǎn)變獲得所需組織提供了基礎(chǔ)。

管線鋼冶煉和軋制工藝流程如下圖4-5

圖4 爐外預(yù)處理 LD轉(zhuǎn)爐 爐外精煉 連鑄

圖5低溫加熱  控軋、控冷 低溫卷曲

從技術(shù)角度分析，無論采取何種冶金和熱加工工藝，其要達到的最終目標和效果如下： 1）通過爐外處理和各種精煉方法組合以及結(jié)晶組織控制技術(shù)，獲得鋼質(zhì)潔凈、組織致密、細小而均勻的鑄態(tài)組織。 2）利用控制軋制和控制冷卻工藝，充分發(fā)揮合金元素對鋼的強化和韌化作用，通過鋼的細化組織形態(tài)與析出強化機制，滿足不同鋼級的要求。

  利用變形和相變相結(jié)合的原理細化微合金鋼的最終組織是熱變形控軋控冷工藝（TMCP）要達到的主要目的。其本質(zhì)即將變形細化的組織保持到隨后的冷卻相變中，最終獲得細化的顯微組織，這種顯微組織有三種類型：鐵素體+珠光體（照片1）、針狀鐵素體（照片2）、鐵素體+馬氏體（照片3）。

現(xiàn)代管線鋼（尤其高級別）的組織控制均是以針狀鐵素體為最終組織特征，并且是細化了的針狀組織。這是因為制管彎曲成型過程造成鋼的屈服強度下降是兩相組織金屬材料的特征，其機制是基體受力發(fā)生的形變主要在軟相，而硬項僅有彈性變形，兩相之間形成的內(nèi)應(yīng)力，使宏觀屈服的下降稱為包辛格效應(yīng)。而不規(guī)則非等軸狀針狀鐵素體鋼不發(fā)生屈服強度下降效應(yīng)，所以無需考慮鋼板強度余量。

針狀組織的特點還表現(xiàn)為帶狀組織不明顯，材料各向異性小，具有相當高的韌性和焊接性能，具體表現(xiàn)為焊接裂紋敏感指數(shù)低（Pcm小于0.2）。針狀鐵素體組織是連續(xù)冷卻過程中形成的具有高亞結(jié)構(gòu)和位錯密度的非等軸項，具有切變和擴散混合相變機制，形成溫度略高于上貝氏體，它與貝氏體的最大區(qū)別在于貝氏體鐵素體具有原奧氏體晶界網(wǎng)的特征，而針狀鐵素體沒有這種原奧氏體晶界網(wǎng)。

 組織照片1-3

管線鋼一直伴隨著微合金的發(fā)展而得到不斷提高。在激烈的市場競爭下，各國均在不斷尋求降低管線鋪設(shè)的成本。而在管線投資中鋼管的成本占40%左右，故采用高鋼級管線鋼可以減少壁厚，高壓輸送可以不改變輸量而減少管徑。而管徑和壁厚的減少就可帶來工程費用的降低，這就是天然氣管線鋼鋼級越來越高，輸送壓力越來越大的主要原因。而冶金行業(yè)的技術(shù)裝備水平的不斷提高又為滿足天然氣輸送管線鋼強度級別的不斷增加和輸送壓力的提高提供了技術(shù)保障。如此看來高鋼級、耐腐蝕、大管徑已成管線鋼發(fā)展的總趨勢。

下圖6給出不同鋼級的高強度管線鋼在相同管徑和輸送壓力時所需的壁厚和重量之間的關(guān)系。

圖6