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国内外高性能油气输送管的研发进展

放大字体 缩小字体 发布日期:2016-08-03 13:53:56   来源:新能源网  编辑:全球新能源网  浏览次数:56


近十年来,我国油气供给与管道建设呈现跨越式发展,管道总里程超过12×104km,跨入中国五大运输体系行列。在全球油气资源方面,非常规油气资源占比更大(约80%),且非常规油气资源几乎未开采,将是未来开发的重点。非常规油气资源,一般分布于偏远且地理环境恶劣的区域,这给管道建设及管材选用提出了更高的要求。为保障油气输送管道的安全运行,尽可能降低成本,需着力开展高性能油气输送管的研发与应用,如超高强度钢管、低温环境用钢管、腐蚀环境用管、大应变钢管和深海油气开发用钢管等。

1 超高强度(X90及以上)钢管

提高强度不仅可以减小钢管壁厚和质量,节约钢材成本,而且由于钢管壁厚的减小,还可降低钢管运输成本和焊接工作量,从而大幅降低管道建设的投资成本和运行成本,高钢级钢管的应用已经成为管道工程发展的一个必然趋势。

目前,国外的新日铁和欧洲钢管公司均开发了X100、X120钢管,国内也正在开展X90/X100钢管开发、工程应用关键技术研究,提出了典型高强度油气输送管的化学成分和力学性能。

国内钢铁企业在第1轮X90管线钢试制中,采用了较高的合金成分设计方案(A厂),与国外JFE同类产品相比,碳当量更高,合金成本更大。此方案主要通过增加钢中碳和合金元素的含量来提高钢的强度水平,优点是TMCP工艺要求相对较低,缺点是现场焊接性能差。在我国长输管道的现场环焊中,一般采用自保护药芯焊丝半自动焊工艺,其自保护药芯焊丝中的高铝成分设计,会显著恶化焊缝金属组织及性能。因此,第一轮试制的X90钢管未通过自保护药芯焊丝半自动焊环焊工艺评定。在此基础上,调整设计方案,降低合金元素含量,进行了第2轮试制。第2轮试制产品的碳当量(B厂)与JFE产品相差不大,通过了自保护药芯焊丝半自动焊环焊工艺评定。

国内第2轮试制的X90钢管虽然合金成本及整体性能指标与JFE产品相当,但在个别性能方面(如屈服强度等)仍存在不足,说明我国X90等高钢级钢管的生产水平与世界先进水平相比尚有一定差距,因而需要冶金企业、钢管制造厂、施工单位、管材用户和科研院所等机构协调配合、深入研究,逐步提升国内高强度管线钢生产及应用水平。

2 低温环境用钢管

我国新疆油田和大庆油田外输管道冬季最低温度为-34℃或更低。几年前西一线轮南首站的低温液气分离器脆性断裂,造成了严重后果,近年来高钢级三通在试压过程中也频繁出现脆性爆裂,为此,输送管的低温脆断问题需引起高度重视,并积极开发低温环境用高强度钢管。

目前,对于低温环境钢管的断裂韧性要求,不同标准规定不同。ISO 3183-3:1999(GB 9711.3-2005)规定夏比冲击功(CVN)不低于σy(MPa)/10,CVN 试验温度与钢管壁厚有关(尺寸效应,表3)。2007 年,ISO 3183:2007与API Spec 5L 44 版合并,降低了CVN 值的要求,试验温度改为0℃。当时专家们的争议很大,现欧洲部分用户仍采用老版本标准中更严苛的规定。

俄罗斯技术规范(OJSC 公司,STT-08.00-60.30.00-KNT-013-1-05)针对14MPa下X70和X80规定,管体CVN试验在-40℃下进行,焊缝中心和热影响区CVN试验温度为管道正常运行的最低管壁温度,但不能高于-10℃。加拿大ALLIANCE管道规范规定,裸露钢管落锤撕裂(DWTT)和CVN试验均在-45℃下进行。ASMEB31.8规定,当管道在低于-45℃的环境下运行时,DWTT和CVN的试验温度为管道服役时所预期的最低金属壁温或更低温度。

针对以上问题,在研究开发低温环境用高强度钢管(表4)的同时,应该继续深入研究裸露管道CVN和DWTT试验温度的确定方法(考虑尺寸效应),以及CVN值和DWTT判据的确定等问题。

3 腐蚀环境用管

在油气田开发中,未经净化处理的石油和天然气,通常含有H2S、CO2、Cl-、H2O 等腐蚀性介质。为避免管道腐蚀失效,此类油气输送需要采用具有耐腐蚀性能的材料,包括碳钢和低合金钢、不锈钢、镍基/铁镍基合金以及钛合金等。管道选材应根据输送介质的压力、温度及H2S、CO2和Cl-含量等确定。根据日本住友金属的选材指南,当管输介质中pH2S<0.0003MPa,pCO2≤0.02 MPa 时,选用碳钢和低合金钢;当管输介质中pCO2>0.02 MPa,pH2S<0.003MPa 时,选用13Cr或超级13Cr 不锈钢;当管输介质中pCO2>0.02 MPa,0.003 MPa≤pH2S<0.01 MPa 时,选用双相不锈钢;当管输介质中pCO2>0.02MPa,pH2S≥ 0.01 MPa 时,选用镍基或铁镍基合金。NACE MR0175标准则提供了在含湿硫化氢的油气产品环境下管材的评价和选用方法。

根据NACE MR0175,APISpec 5L(45 版)附录H给出了酸性服役条件PSL2钢管(下称“抗酸管”)的技术要求( 表5、表6)。国外抗酸管的研制较早,欧洲钢管公司抗酸管的销售量已占30%以上。国外批量供应的抗酸管主要是X65钢级,X70钢级的抗酸管业已研制成功,并在墨西哥一条管道工程中得到应用。我国抗酸管的研发刚刚起步,部分钢厂开发出了X65MS、X70MS耐酸管。

根据抗酸管的基本成分和力学性能要求,抗酸管的化学成分比低温用钢管要求更加严格,需进一步降低P、S含量,并添加Cu和Ni,同时采用Ca处理。从成分和整体性能上看,国内研发的抗酸管与国外水平相当,但批量生产时的性能稳定性有待实践检验。

当油气介质中的腐蚀性成分含量较高,普通碳钢和低合金钢难以满足耐蚀要求时,需要选用不锈钢、镍基/铁镍基合金或钛合金等具有更高耐蚀性能的材料。其中,常用的不锈钢包括:奥氏体不锈钢如316L,超级奥氏体不锈钢如904L、254SMO,双相不锈钢如2205、2507,超级双相不锈钢如2707HD;常用的镍基/铁镍基合金包括028、G3、625、825等;常用的钛合金包括TC4(Ti-6Al-4V)等。在实际应用中,因不锈钢和耐蚀合金的价格较高,油气输送管道一般选用以不锈钢或耐蚀合金为衬里的双金属复合管。

双金属复合管是以不锈钢或耐蚀合金为内衬层,提供抗腐蚀能力,以碳钢或低合金钢为外层基管,承受压力。国外在双金属复合管的应用方面早于我国,日、美等国较早开展了双金属复合管的研究,于1991年开始使用,随后用量逐年扩大。现行产品标准为美国石油学会制订的API5LD-2009《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》。目前国内双金属复合管的主要厂家包括西安向阳、浙江久立、上海海隆、新兴铸管等公司,其中以西安向阳的机械复合双金属复合管开发年限最长,供货业绩最大。我国双金属复合管产品基本以机械复合管为主,内衬材料主要是316L,而以镍基/铁镍基合金、钛合金为内衬的双金属复合管尚处于起步阶段。为此,可以重点关注以耐蚀合金为衬层的双金属复合管的开发及应用。

4 大应变钢管

我国处于地震多发区域,如西二线和西三线管道沿线经过相当长的强震区(地震峰值加速度0.2g以上,其中峰值加速度0.3 g的地段约96 km)和22条活动断层。当地震发生时,这些地区的管道将发生较大的位移和变形,必须进行应变控制,要求管道的极限应变(临界屈曲应变)大于设计应变(地震和地质灾害可能对管道造成的最大应变)。为适应大应变环境,管道应该采用大应变钢管。大应变钢管具有较低的屈强比、高的形变硬化能力和均匀的伸长率。

大应变钢管(表7)的制取,目前普遍采用双相钢的技术路线,典型组织类型有F+B、B+M/A等。采用双相钢的大应变钢管,最早由日本NKK钢铁株式会社提出,并在NKK福山工厂试制成功X65大应变钢管。目前国外已公开的大应变钢管有日本JFE钢铁株式会社(前NKK钢铁株式会社与川崎制铁合并)开发的HIPER和新日本制铁株式会社的TOUGHACE。欧洲钢管公司也宣称开发了X100级别的大应变钢管,并用于North Central Corridor管道。我国在2011年中缅油气管道工程项目中首次采用了国产X70大应变钢管。

此外,为准确测定大应变钢管的变形能力,国内还开发了钢管全尺寸弯曲试验系统,其试验能力(管径、钢级及壁厚等参数)是目前国际上同类试验设备中最大的。全尺寸弯曲试验系统的开发为西气东输二线、三线及中缅等管道工程大应变钢管的设计提供了可靠的技术支撑。

5 深海油气开发用钢管

21世纪是海洋的世纪,海洋在国家经济发展及维护国家主权的地位愈加突出。预计2015年末,海洋油气产量占全球油气总产量的比例将分别达到39%和34%。我国海洋油气资源储量巨大,而海上石油资源探明程度约为12.3%(世界平均约为73.0%),天然气资源探明程度约为10.9%(世界平均约为60.5%),探明率远低于世界平均水平。因此,我国海洋油气资源勘探开采潜力巨大。大陆架浅水区域的油气资源勘探开发起步较早,目前需要将开采延伸至海上深水区。

海底管道向深海发展,管道承受的外部压力问题逐渐突出,为了防止管道发生挤毁事故,深海管道需要应用大厚径比(t /D)钢管,而大t /D钢管使DWTT性能面临更大的考验。此外,海底管道在铺设过程中,尤其在使用铺管船铺设时,将承受很大的压缩、拉伸或者弯曲变形,同时,浪、流、平台移动及地质活动亦将造成海底管道在服役过程中发生塑性变形。因此,海底管道需要采用应变设计,并选择使用具有一定应变能力的钢管。此外,海洋环境中的浪、流等可能引起涡激振动(VIV),造成钢管的疲劳损伤。

为适应海底管道的安装要求和服役环境,与陆地管线钢相比,海上服役钢管的要求更高:化学成分规定更严格,硫、磷等有害元素含量及碳当量要求更低。在力学性能方面,增加了失效前后的纵向拉伸及CTOD试验要求;屈服强度、屈强比及硬度要求更高。几何尺寸精度要求也更为严苛,尤其对直径、椭圆度和壁厚偏差的要求更为严格。

欧洲钢管集团、日本新日铁住金公司、JFE公司等老牌的冶金制管企业始终在国际上处于管线钢管制造领域的领先地位。其中,欧洲钢管集团在海底厚壁管线管开发方面一直走在世界前列,是近年来世界多个重大海底管道工程的主要供货商。2004年启动的挪威Langeled工程是当时世界上最长的海底管道工程,全长1173 km,最大水深1000 m,采用了X70管线钢,欧洲钢管集团为供货商。

我国在海底管道工程建设方面起步较晚,但近年来随着海洋油气资源勘探开发的重要性不断提高,对海底管道工程的需求日趋迫切。其中,南海荔湾海底管道工程是目前国内钢管应用水深最深、压力最高、壁厚最大的项目,代表了国内海底管道发展的最高水平。渤海石油装备巨龙钢管有限公司(鞍山钢铁集团公司开发板材)、番禺珠江钢管有限公司(武汉钢铁集团公司开发板材)、宝山钢铁集团公司分别为荔湾项目提供了钢管,实现了X65、X70大壁厚海管的国产化。而与国外先进水平相比,国内产品在性能稳定性、尺寸精度等方面尚有一定差距。因此,针对当前各国趋之若鹜的深海油气资源,国内生产企业和科研院所需要加快进行更高性能深海管道用钢管的研究,实现新产品的研制和性能升级,为深海油气资源的大规模开发做好技术储备。

6 结束语

安全性与经济性的兼顾统一是管道工程发展的不变主题,而伴随非常规油气田、偏远油气田的开发,管道工程面临的服役环境日益恶劣。为此,需要加大低成本、高性能油气输送钢管的研发及应用。虽然我国在油气管道建设方面走在了世界前列,但与国际领先水平相比,我国油气输送管的整体性能和质量还有一定差距。建议国内生产企业和科研院所,对标国外优势产品,针对高性能油气输送管开展联合攻关,同时加强钢管的工程应用和应用基础研究,推动我国管道事业持续、健康发展。




 

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