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含铌海底油气输送管线钢开发方兴未艾

作者: 来源: 日期:2017/11/20 21:32:57  【打印此页】

  铌作为强化元素广泛应用于微合金化钢,其在国外的应用最早始于大口径管线钢,国际权威专家在总结管线钢技术发展时,做出“耐腐蚀的铌是管线钢成分结构和冶金学的基石”这一科学论断。在我国钢铁领域,含铌钢开发的最为辉煌的技术成就,也莫过于在石油天然气输送管线领域的应用。经过多年努力,中国管线钢的研究和生产达到了当代世界先进水平,国产化的含铌管线钢为我国的超级工程———西气东输工程、海底油气输送工程保驾护航。

  现阶段,陆上油气田已逐步进入开采的中后期,勘探开发难度增大,成本升高,而全球海洋油气资源潜力巨大,勘测前景良好。海洋油气资源主要分布在大陆架,约占全球海洋油气资源的60%;而大陆坡的深水、超深水域的油气资源潜力也很可观,约占30%。海底油气管道处于浪、流、蚀等恶劣环境下,特别是深海海域,对管线钢材料提出了更高的要求。同时,海底油气管道的服役期一般都超过20年,设计要求免维护或者少维护,必须使用高性能的管线钢作为保障。近年来,我国管线钢材料技术虽然已取得长足进步,但与国际先进水平和我国发展需求相比,在海底管道方面仍然存在诸多不足。

  国内外海底油气管道的发展日新月异

  海底油气管道是海洋油气田内部设施连接和油气资源外输的重要方式。截至目前,世界各国铺设的海底管道总长度已达十几万公里,且水深不断增加,输送压力不断提高,正在不断创造新纪录;铺设管道水深已达3000米以上;最长管道长度达到1200千米以上;钢管最大壁厚也达41毫米,最大管径达到1219毫米。

  1985年,我国建成第一条海底输油管道;2012年,国内海底管道最高应用水平的代表工程———南海荔湾深水项目完工,开创了我国1500米作业水深的管道工程纪录。在管道长度方面,从海南岛近海某气田至香港的一条直径711毫米的海底输气管道长达800千米,是我国目前最长的一条海底管道。

  为适应复杂的环境和条件,钢铁企业研发出各种各样的海底油气管道用管线钢。

  一是抗深水挤毁用管线钢。海底管道向深海发展,管道外压的问题逐渐突出,钢管发生挤毁后,管道在很小的载荷下就会发生屈曲。为了防止管道发生挤毁,深海管线需要应用大t/D(壁厚/外径)钢管,这对钢厂和钢管厂分别提出了技术挑战。钢厂方面,我国目前X70海底管线用钢生产的最大厚度为31.8毫米,尚不掌握更厚规格X70钢板的生产技术。厚规格钢板生产的主要难度是DWTT(管线钢落锤撕裂试验)性能难以控制。研究发现,DWTT主要与材料组织中大角度晶界比例和奥氏体晶粒的细化程度有关,而厚钢板压缩比低,组织细化困难,难以保证DWTT性能。虽然我国钢铁企业的装备水平世界领先,但控制和管理水平与国外相比依然存在差距,需要保证产品的性能稳定。

  二是抗位移和变形用管线钢。在铺设海底管道过程中,会遇到很多的困难和问题。例如,使用铺管船铺设时,将承受很大的压缩、拉伸或者弯曲变形;在服役过程中,浪、流、平台移动及地质活动易造成海底管道的位移;海底管道在施工铺设和运行阶段的塑性变形等。为解决这些问题,除了在设计阶段就要采用基于应变的方法之外,还应开发具有较大变形能力的抗大变形钢管产品。目前普遍的做法是采用双相钢的技术路线,保证管线钢的强度和塑性的良好配合。目前国内生产的X70含铌抗大变形管线钢及钢管产品性能稳定,各项指标均满足相关标准要求。

  三是抗疲劳损伤用管线钢。海底管道在浪、流的冲刷作用下不可避免地形成悬跨段,当水流在无支撑的管跨段之上或之下流动时,会在管道周围产生漩涡。漩涡离开管道,震动会引发周期载荷,使管道受损。此外,海底管道在交变载荷(如海流载荷和波浪载荷)作用下的疲劳损伤是一个累积过程。提高钢管的抗疲劳性能,可以降低管道管理过程中对管跨段长度和支撑条件的要求,降低海底管道管理运营成本。这就要求钢管材质纯净度高,夹杂物含量低,需要钢铁企业进一步提升生产水平。

  四是抗腐蚀环境用管线钢。由于石油天然气中含有大量硫化氢等腐蚀介质,尤其是海底油气田内部管道输送的净化前油气介质中的腐蚀成分含量高,有的甚至需要加热输送,内腐蚀问题十分突出。为了解决这个问题,大量采用不锈钢或耐蚀合金是一种很不经济的选择,于是双金属复合管结构成为首选。因为该结构是以耐腐蚀合金管(不锈钢或耐蚀合金)作为内衬层(壁厚0.5毫米~3毫米)与腐蚀介质接触,以碳钢或低合金钢作为外面基管承受压力,其成本只有耐蚀合金纯材的20%~50%。

  这种双金属复合管按制造工艺可分机械复合管和冶金复合管两类。在高温下,机械复合钢管因碳钢和抗腐蚀合金层间膨胀系数差异、层间存在气体,容易造成内覆层失稳、鼓泡。同时,机械复合钢管内衬抗腐蚀合金焊管处于焊接和冷加工状态,抗腐蚀能力较差,而且其不能进行冷、热加工制造弯管、三通等配件。但采用冶金复合钢管就可以克服上述机械复合钢管存在的问题。

  注重海底油气输送管道的失效与控制

  海底管道在服役运行中,工作环境较陆地管道更加恶劣,不仅可能受到波浪、海流、潮汐、腐蚀等,还可能面临船锚、平台或船舶掉落物、渔网撞击拖挂等危险,很容易发生失效事故。其失效模式主要包括———断裂、变形、腐蚀、外来机械损伤4大类,但海底管道各种失效模式的具体形式、失效原因和影响因素与陆地管线不尽相同。因此需要针对引起海底管道失效的各种原因分别采取对策防止管道失效,这些措施和方法涉及海底管道选线、设计、材料和施工质量检测等多个方面。

  海底管道设计的过程其实也就是采取措施防止管道失效的过程,它是防止管道失效最重要的环节。腐蚀、波流冲刷等造成的海底管道失效在一定程度上都可以通过合理的设计来防止。例如,在设计中可以采用增加管壁厚度、管外涂防腐层、阴极保护法、在管内流体内加缓蚀剂等方法来防止管道发生腐蚀;采用将海底管道填埋、用砂袋或混凝土对管道进行外部防护、给悬空管道加固定支撑等方法来防止管道底部被波流冲刷淘空而发生涡激振动。设计方应选取合理的计算理论和计算方法对设计参数进行准确计算,并根据海底管道工作环境条件、工程施工难易程度、施工单位能力等实际情况来选择最有效可行的安全防护方法。海底管道系统的材料不仅包括钢管材料,还包括闸门、法兰、垫片等附件,以及牺牲阳极块、混凝土等防护材料。这些材料在被用于海底管道工程前都应该进行严格检测,以免将有质量缺陷或性能不满足要求的材料用于工程中,为海底管道失效留下隐患。

  未来5年~10年,海洋油气资源勘探开发对海底管道的建设需求会更加旺盛,材料产业发展前景十分广阔,尤其是对新材料、新工艺的需求日益强烈。毫无疑问,钢铁工业技术进步促进了现代海底管道工业的发展。

  大口径海底管道用钢管目前均采用焊接方式加工制造,并一根根将其连接起来,以构成一条长距离的输送管道。因此,管线钢的可焊接性是十分重要的。可以说,现代管线钢是以高强度、高韧性和良好焊接性为其主要特点的。从20世纪50年代到20世纪末,管线钢最大钢级从是X52(屈服强度大于360兆帕)发展到X70(屈服强度大于483兆帕),在管线钢冲击韧性方面也从在0℃不足50焦耳提高到-20℃以下达到400焦耳以上,工业性批量生产高强度、高韧性和良好焊接性能的管线钢已成为现实。

  在海底油气管道主要用材———低碳含铌微合金化钢管发展方面,抗大变形、高疲劳性能、大t/D等海底管线钢管是未来海底管道低碳微合金化钢管材料发展的主要方向。在腐蚀环境用双金属复合管的研究方面,冶金复合管性能优异,但是成本较高;机械复合管内外层的结合较弱,但是可以通过管端堆焊等工艺加强内外层结合,同时保持较低的成本。未来,选择冶金复合管还是选择机械复合管,需要根据两种产品的研发情况来确定。