X80管线钢在高压大流量输气管道上的应用与发展前景黄志潜中国石油物资装备(集团)总公司摘要本文概述了X80级管线钢在国外输气管道上的应用和国内业界在应用X80级管线钢方面存在的困惑。
介绍了澳大利亚业界的分析和观点以及国外在应用X80级管线钢方面的标志性进展。
总结了在此基础上召开的《2004北京X80级管线钢及钢管国际研讨会》的主要结论。
对国内应用X80级管线钢的前景作了分析与建议。
关键词输气管道X80级管线钢设计制造施工运行应用前景1 概述国外X80级管线钢的开发已经有20多年，生产与使用也有了15年以上的历史。
在X80级管线钢的管道设计、冶炼与轧制、钢管制造、现场焊接工艺、管道防腐保护与运营维护等方面已积累了丰富的经验。
目前国外普遍认为X80级管线钢的工业应用在技术上已经不存在问题。
2 国内的困惑尽管国外高压输气管道使用X80级管线钢已有15年以上的历史，但是为什么至今全世界使用并不广泛，总量也不过1600 km左右。
是因为还有什么关键技术问题没有解决，还是因为没有经济效益？这个问题近几年来一直困扰着国内管道工业界，在一定程度上影响着对应用X80级管线钢的认识和规划。
3澳大利亚管道工业协会(APIA)的分析澳大利亚的输气管道管径多在500mm以下，但广泛使用很高的输气压力，通常为15Mpa。
我们的澳大利亚同行也具有相似的困惑，即在X80已经可以供货15年之后，澳大利亚的高压输气管道的管材为什么仍以X70为主，X80只是在少量管道上使用？使用X80可以带来什么好处，同时又具有什么风险？为了解决这些问题，澳大利亚管道工业协会在于2002年10月召开了一次X80管线钢应用专题研讨会，邀请澳大利亚国内外与输气管道有关的各领域的专家一起进行分析。
形成了以下主要结论[1]：(1)采用X80肯定可以带来经济效益。
同一项目用X80代替X70，管材费用可以节省8~12%，项目总费用可以节省3~5%。
(2)在同一条输气管道上用X80代替X70，并没有什么重大技术问题需要解决，也不会因此带来什么附加的风险。
与会人士的一致共识是，X80的工业应用是一项业经证实的成熟技术(A proven technology)。
(3)管线钢由X70发展到X80级，技术上的跨越并不太大。
相比之下，当初由X65发展到X70级的技术提升的幅度更大。
实际上，X80钢材的冶炼和轧制技术与X70基本相同，这在生产实践中已经得到证实。
(4)X80级钢管的制造技术与X70级钢管基本相同，属于常规工艺。
钢管质量的一致性和性能的重复性均可达到预期的结果，不存在什么困难。
(5)在现场焊接方面，包括德国RuhrGas、英国Transco、加拿大Trans Canada(以下简称TCL)在内的多家X80输气管道业主指出，不论采用气体保护自动焊(GMAW)或是手工焊方法，在焊缝质量、生产速度、强度匹配和生产成本等方面均可获得满意的结果。
澳大利亚标准AS 2885.2-2002完全适用于X80钢管的现场焊接，可供参考。
(6)采用X80级钢材后管道的壁厚减小，会不会因钢管的刚度下降导致在施工和运营中发生钢管变形和失稳问题？对此会议的结论是，管道的刚度主要是由管径对壁厚的比值(D/ t)决定的。
采用X80级钢材后，在管道壁厚减小的同时，只要管道采用足够高的输气压力，就可以使直径减小，D/ t值往往还能下降。
(7)事实证明X80级管线钢在提高强度的同时，仍然可以获得很高的塑性和韧性指标。
管道对延性断裂的止裂控制是可以保证的。
(8)已经应用现有的技术与装备成功地在现场生产了X80冷弯管，在弯管厂也已生产了感应加热弯管，技术上不存在问题。
(9) 在X80管道施工的其他方面，包括钢管的起吊、运输、摆放、下沟、填充、试验等，均与通常的方法相同，并不会增加风险。
(10) 研究表明，X80级管线钢对于应力腐蚀开裂(SCC)的敏感程度并不比其它钢级更高。
关键仍是采取正确的防腐涂层和阴极保护措施，并合理运行。
(11) 应用X80级钢的关键是保证获得符合技术要求的、质量稳定的钢管。
(12) 在澳大利亚至今未能广泛使用X80级管线钢并不是因为不能带来经济效益，也不是因为存在着重大技术问题。
其主要原因是：A 大型输气管道的业主常常不愿意作采用X80级钢材的“第一家”；B 选择管道钢级的决策过程在时间上往往十分短促，在对X80应用技术的各个方面缺乏深入了解的情况下，设计人和业主在短时间内常常很难下决心；C 管道工业界存在着一种“对未知事物的恐惧”(Fear of unknown)，需要通过对X80应用技术的各方面深入了解的过程来逐步消除。
笔者认为，澳大利亚同行的上述分析对国内考虑X80级管线钢的应用具有很大的参考价值。
此外，根据笔者近7年来多次参加国际管道学术会议和进行国外考察所了解的情况，澳大利亚同行的上述结论与国际管道工业界对X80级管线钢的普遍看法是一致的。
4应用X80级管线钢的标志性工程目前全世界究竟建成了多少公里X80输气管道是国内关心的问题。
在国内被广泛引用的数字是462 km。
2004年9月从加拿大专家Alan Glover那里了解到最新的数字是大约1600 km。
具体构成为：加拿大TCL 公司建成约450km；德国Ruhrgas公司250km；英国Transco公司约200km；美国于2004年建成Cheyenn Plains输气管道，全长608km。
其它国家共建成约100km。
全球已建成的应用X80级管线钢的标志性管道工程主要有两个：一个是德国Ruhrgas公司的X80输气管道，1993年建成；另一条就是2004年11月刚刚完工的美国Cheyenn Plains输气管道。
Ruhrgas公司的X80输气管道，在德国境内由Werne至Schlüchtern，全长259 km，设计压力10Mpa，管径1219mm，壁厚18.3及19.4mm。
全部采用直缝埋弧焊管。
1993年投产至今已成功运行12年未发生问题[2]。
这条管道的意义在于它是全世界第一条成功应用X80管线钢的大型高压输气管道，向世人提供了X80输气管道的设计、施工和运行的丰富经验，展示了X80管线钢在高压、大流量输气管道上应用的广阔前景，有很强的示范作用。
美国Cheyenn Plains输气管道，是近年来X80管线钢在高压输气管道上应用的重大进展。
该管道起点在美国怀俄明州首府夏延市(Cheyenn)附近，途径科罗拉多州东北部，终点为堪萨斯州格林斯堡(Greensburg)。
全长608km，钢级X80，管径914mm，全部采用螺旋焊管，由加拿大IPSCO钢管公司供货。
管道的输送能力以每天输送的热量计算，2005年为每天560 ”千万大卡” (MDth/d)，2006年为每天730 MDth/d。
共建两个压缩站，总装机功率32675马力。
管道总投资4.25亿美元。
计划于2005年1月正式投入运营[3]。
管道的走向见图1。
图1 Cheyenn Plains输气管道走向图笔者认为，Cheyenn Plains输气管道的建成具有以下重要意义：(1)这条管道是迄今全球建成的采用X80钢最长的高压输气管道，再一次展示了高压、长距离、大输量输气管道采用更高钢级的发展趋势；(2) 在这条高压输气管道上全部采用螺旋缝埋弧焊接钢管。
这是继2000年北美建成的Alliance输气管道在加拿大境内1500km长度上采用X70钢螺旋焊管之后，北美地区再次在大型高压输气管道上采用螺旋焊管，而且钢材还提高了一个级别。
充分说明在高压输气管道的管型选择上，只要能够满足管道的具体技术要求、经济上划算和质量上有保证，直缝埋弧焊接钢管和螺旋焊管都可以采用，并不存在必须使用哪一种钢管的问题；(3) 这条采用X80级螺旋焊管的高压输气管道竟然发生在美国，多少让人感到有点意外。
因为在上个世纪的70到80年代，由于当时螺旋焊管制造工艺技术普遍不高，钢管质量问题较多，美国的油气管道工业在管型选择上大多采用直缝埋弧焊管。
笔者曾经指出[4] [5]，自90年代初期以来，由于螺旋焊管制造工艺技术的巨大进步和钢管质量的大幅度提高，西方一些大型石油公司在建设油气管道时，采用螺旋焊管的项目正在逐步增加。
现在美国的管道工业界也加入了这一进程，而且是发生在输气压力为10Mpa、钢级为X80的管道上。
可见在高压输气管道的管型选择方面，传统的观念正在发生重大变化。
(4) 加拿大IPSCO 钢管公司在螺旋焊管的制造技术和产品质量方面一直处于国际一流水平。
从90年代初开始，该公司就为NOVA、TCL等管道公司的小型X80管道项目提供X80螺旋焊管[6]。
但过去其供货地区主要限于加拿大境内。
Cheyenn Plains输气管道的建成标志着该公司已经将其X80螺旋焊管产品市场扩展到了美国境内的重大工程项目上。
预计今后北美地区采用X80管线钢和采用螺旋焊管的项目将日益增加。
除了上述已建成的应用X80钢的标志性工程外，计划采用X80或X80以上钢级的输气管道还有几条。
最令人瞩目的有加拿大麦肯奇河谷输气管道(Mackenzie Valley Gas Pipeline)、北美阿拉斯加高速路输气管道(Alaska Highway Gas Pipeline) 和俄国萨哈林岛至日本的海底输气管道。
Mackenzie Valley 输气管道位于加拿大境内。
起点在北部Mackenzie三角洲，终点在阿尔伯塔省北部，与TCL公司在该省的输气管网相衔接。
整个工程由集气管道、液烃提取、天然气管道与液烃管道双管平行输送等部分组成。
全长1220km，设4个增压站。
输气量初期为1.3Bcfd (134.3x108 M3/a)，与我国西气东输管道的输气量十分接近。
增加增压站后最大输气量可以提高到1.9Bcfd(196.4x108M3/a)。
输气压力高达18 Mpa，因此管径减小到762mm，从而大大节省钢材[7]。
钢级目前暂定X80。
预计2006年可以开工，2008年完工。
图2为Mackenzie Valley 输气管道的走向。
图2 加拿大Mackenzie Valley 输气管道的走向Mackenzie Valley 输气管道的另一个重要特点是，管道有相当长的一部分经过北极圈地区。
由于环境温度、管道自身温度、管道掩埋深度、管道周围土壤温度梯度、周围土壤含水量、土壤压力及土壤粒度等多种因素的相互作用，土壤常常会产生位移，使管道承受附加的负荷而产生变形。
此类地区土壤的位移有两种形式，即冻结隆起(Frost Heave)和解冻沉降(Thaw Settlement)。
图3为管道因冻结隆起而发生变形的示意图。
在这样的区段内，用传统的基于许用应力的设计方法设计出的管道是不能承受如此巨大的应变的。
