近十年來，我國油氣供給與管道建設呈現跨越式發展，管道總里程超過12×104km，跨入中國五大運輸體系行列。在全球油氣資源方面，非常規油氣資源占比更大（約80％），且非常規油氣資源幾乎未開采，將是未來開發的重點。非常規油氣資源，一般分布于偏遠且地理環境惡劣的區域，這給管道建設及管材選用提出了更高的要求。為保障油氣輸送管道的安全運行，盡可能降低成本，需著力開展高性能油氣輸送管的研發與應用，如超高強度鋼管、低溫環境用鋼管、腐蝕環境用管、大應變鋼管和深海油氣開發用鋼管等。

1 超高強度（X90及以上）鋼管

提高強度不僅可以減小鋼管壁厚和質量，節約鋼材成本，而且由于鋼管壁厚的減小，還可降低鋼管運輸成本和焊接工作量，從而大幅降低管道建設的投資成本和運行成本，高鋼級鋼管的應用已經成為管道工程發展的一個必然趨勢。

目前，國外的新日鐵和歐洲鋼管公司均開發了X100、X120鋼管，國內也正在開展X90/X100鋼管開發、工程應用關鍵技術研究，提出了典型高強度油氣輸送管的化學成分和力學性能。

國內鋼鐵企業在第1輪X90管線鋼試制中，采用了較高的合金成分設計方案（A廠），與國外JFE同類產品相比，碳當量更高，合金成本更大。此方案主要通過增加鋼中碳和合金元素的含量來提高鋼的強度水平，優點是TMCP工藝要求相對較低，缺點是現場焊接性能差。在我國長輸管道的現場環焊中，一般采用自保護藥芯焊絲半自動焊工藝，其自保護藥芯焊絲中的高鋁成分設計，會顯著惡化焊縫金屬組織及性能。因此，第一輪試制的X90鋼管未通過自保護藥芯焊絲半自動焊環焊工藝評定。在此基礎上，調整設計方案，降低合金元素含量，進行了第2輪試制。第2輪試制產品的碳當量（B廠）與JFE產品相差不大，通過了自保護藥芯焊絲半自動焊環焊工藝評定。

國內第2輪試制的X90鋼管雖然合金成本及整體性能指標與JFE產品相當，但在個別性能方面（如屈服強度等）仍存在不足，說明我國X90等高鋼級鋼管的生產水平與世界先進水平相比尚有一定差距，因而需要冶金企業、鋼管制造廠、施工單位、管材用戶和科研院所等機構協調配合、深入研究，逐步提升國內高強度管線鋼生產及應用水平。

2 低溫環境用鋼管

我國新疆油田和大慶油田外輸管道冬季最低溫度為-34℃或更低。幾年前西一線輪南首站的低溫液氣分離器脆性斷裂，造成了嚴重后果，近年來高鋼級三通在試壓過程中也頻繁出現脆性爆裂，為此，輸送管的低溫脆斷問題需引起高度重視，并積極開發低溫環境用高強度鋼管。

目前，對于低溫環境鋼管的斷裂韌性要求，不同標準規定不同。ISO 3183-3：1999（GB 9711.3－2005）規定夏比沖擊功（CVN）不低于σy（MPa）/10，CVN 試驗溫度與鋼管壁厚有關（尺寸效應，表3）。2007 年，ISO 3183：2007與API Spec 5L 44 版合并，降低了CVN 值的要求，試驗溫度改為0℃。當時專家們的爭議很大，現歐洲部分用戶仍采用老版本標準中更嚴苛的規定。

俄羅斯技術規范（OJSC 公司，STT-08.00-60.30.00-KNT-013-1-05）針對14MPa下X70和X80規定，管體CVN試驗在-40℃下進行，焊縫中心和熱影響區CVN試驗溫度為管道正常運行的最低管壁溫度，但不能高于-10℃。加拿大ALLIANCE管道規范規定，裸露鋼管落錘撕裂（DWTT）和CVN試驗均在-45℃下進行。ASMEB31.8規定，當管道在低于-45℃的環境下運行時，DWTT和CVN的試驗溫度為管道服役時所預期的最低金屬壁溫或更低溫度。

針對以上問題，在研究開發低溫環境用高強度鋼管（表4）的同時，應該繼續深入研究裸露管道CVN和DWTT試驗溫度的確定方法（考慮尺寸效應），以及CVN值和DWTT判據的確定等問題。

3 腐蝕環境用管

在油氣田開發中，未經凈化處理的石油和天然氣，通常含有H2S、CO2、Cl-、H2O 等腐蝕性介質。為避免管道腐蝕失效，此類油氣輸送需要采用具有耐腐蝕性能的材料，包括碳鋼和低合金鋼、不銹鋼、鎳基/鐵鎳基合金以及鈦合金等。管道選材應根據輸送介質的壓力、溫度及H2S、CO2和Cl-含量等確定。根據日本住友金屬的選材指南，當管輸介質中pH2S<0.0003MPa，pCO2≤0.02 MPa 時，選用碳鋼和低合金鋼；當管輸介質中pCO2>0.02 MPa，pH2S<0.003MPa 時，選用13Cr或超級13Cr 不銹鋼；當管輸介質中pCO2>0.02 MPa，0.003 MPa≤pH2S<0.01 MPa 時，選用雙相不銹鋼；當管輸介質中pCO2>0.02MPa，pH2S≥ 0.01 MPa 時，選用鎳基或鐵鎳基合金。NACE MR0175標準則提供了在含濕硫化氫的油氣產品環境下管材的評價和選用方法。

根據NACE MR0175，APISpec 5L（45 版）附錄H給出了酸性服役條件PSL2鋼管（下稱“抗酸管”）的技術要求( 表5、表6)。國外抗酸管的研制較早，歐洲鋼管公司抗酸管的銷售量已占30％以上。國外批量供應的抗酸管主要是X65鋼級，X70鋼級的抗酸管業已研制成功，并在墨西哥一條管道工程中得到應用。我國抗酸管的研發剛剛起步，部分鋼廠開發出了X65MS、X70MS耐酸管。

根據抗酸管的基本成分和力學性能要求，抗酸管的化學成分比低溫用鋼管要求更加嚴格，需進一步降低P、S含量，并添加Cu和Ni，同時采用Ca處理。從成分和整體性能上看，國內研發的抗酸管與國外水平相當，但批量生產時的性能穩定性有待實踐檢驗。

當油氣介質中的腐蝕性成分含量較高，普通碳鋼和低合金鋼難以滿足耐蝕要求時，需要選用不銹鋼、鎳基/鐵鎳基合金或鈦合金等具有更高耐蝕性能的材料。其中，常用的不銹鋼包括：奧氏體不銹鋼如316L，超級奧氏體不銹鋼如904L、254SMO，雙相不銹鋼如2205、2507，超級雙相不銹鋼如2707HD；常用的鎳基/鐵鎳基合金包括028、G3、625、825等；常用的鈦合金包括TC4（Ti-6Al-4V）等。在實際應用中，因不銹鋼和耐蝕合金的價格較高，油氣輸送管道一般選用以不銹鋼或耐蝕合金為襯里的雙金屬復合管。

雙金屬復合管是以不銹鋼或耐蝕合金為內襯層，提供抗腐蝕能力，以碳鋼或低合金鋼為外層基管，承受壓力。國外在雙金屬復合管的應用方面早于我國，日、美等國較早開展了雙金屬復合管的研究，于1991年開始使用，隨后用量逐年擴大。現行產品標準為美國石油學會制訂的API5LD-2009《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》。目前國內雙金屬復合管的主要廠家包括西安向陽、浙江久立、上海海隆、新興鑄管等公司，其中以西安向陽的機械復合雙金屬復合管開發年限最長，供貨業績最大。我國雙金屬復合管產品基本以機械復合管為主，內襯材料主要是316L，而以鎳基/鐵鎳基合金、鈦合金為內襯的雙金屬復合管尚處于起步階段。為此，可以重點關注以耐蝕合金為襯層的雙金屬復合管的開發及應用。

4 大應變鋼管

我國處于地震多發區域，如西二線和西三線管道沿線經過相當長的強震區（地震峰值加速度0.2g以上，其中峰值加速度0.3 g的地段約96 km）和22條活動斷層。當地震發生時，這些地區的管道將發生較大的位移和變形，必須進行應變控制，要求管道的極限應變（臨界屈曲應變）大于設計應變（地震和地質災害可能對管道造成的最大應變）。為適應大應變環境，管道應該采用大應變鋼管。大應變鋼管具有較低的屈強比、高的形變硬化能力和均勻的伸長率。

大應變鋼管（表7）的制取，目前普遍采用雙相鋼的技術路線，典型組織類型有F+B、B+M/A等。采用雙相鋼的大應變鋼管，最早由日本NKK鋼鐵株式會社提出，并在NKK福山工廠試制成功X65大應變鋼管。目前國外已公開的大應變鋼管有日本JFE鋼鐵株式會社（前NKK鋼鐵株式會社與川崎制鐵合并）開發的HIPER和新日本制鐵株式會社的TOUGHACE。歐洲鋼管公司也宣稱開發了X100級別的大應變鋼管，并用于North Central Corridor管道。我國在2011年中緬油氣管道工程項目中首次采用了國產X70大應變鋼管。

此外，為準確測定大應變鋼管的變形能力，國內還開發了鋼管全尺寸彎曲試驗系統，其試驗能力（管徑、鋼級及壁厚等參數）是目前國際上同類試驗設備中最大的。全尺寸彎曲試驗系統的開發為西氣東輸二線、三線及中緬等管道工程大應變鋼管的設計提供了可靠的技術支撐。

5 深海油氣開發用鋼管

21世紀是海洋的世紀，海洋在國家經濟發展及維護國家主權的地位愈加突出。預計2015年末，海洋油氣產量占全球油氣總產量的比例將分別達到39％和34％。我國海洋油氣資源儲量巨大，而海上石油資源探明程度約為12.3％（世界平均約為73.0％），天然氣資源探明程度約為10.9％（世界平均約為60.5％），探明率遠低于世界平均水平。因此，我國海洋油氣資源勘探開采潛力巨大。大陸架淺水區域的油氣資源勘探開發起步較早，目前需要將開采延伸至海上深水區。

海底管道向深海發展，管道承受的外部壓力問題逐漸突出，為了防止管道發生擠毀事故，深海管道需要應用大厚徑比（t /D）鋼管，而大t /D鋼管使DWTT性能面臨更大的考驗。此外，海底管道在鋪設過程中，尤其在使用鋪管船鋪設時，將承受很大的壓縮、拉伸或者彎曲變形，同時，浪、流、平臺移動及地質活動亦將造成海底管道在服役過程中發生塑性變形。因此，海底管道需要采用應變設計，并選擇使用具有一定應變能力的鋼管。此外，海洋環境中的浪、流等可能引起渦激振動（VIV），造成鋼管的疲勞損傷。

為適應海底管道的安裝要求和服役環境，與陸地管線鋼相比，海上服役鋼管的要求更高：化學成分規定更嚴格，硫、磷等有害元素含量及碳當量要求更低。在力學性能方面，增加了失效前后的縱向拉伸及CTOD試驗要求；屈服強度、屈強比及硬度要求更高。幾何尺寸精度要求也更為嚴苛，尤其對直徑、橢圓度和壁厚偏差的要求更為嚴格。

歐洲鋼管集團、日本新日鐵住金公司、JFE公司等老牌的冶金制管企業始終在國際上處于管線鋼管制造領域的領先地位。其中，歐洲鋼管集團在海底厚壁管線管開發方面一直走在世界前列，是近年來世界多個重大海底管道工程的主要供貨商。2004年啟動的挪威Langeled工程是當時世界上最長的海底管道工程，全長1173 km，最大水深1000 m，采用了X70管線鋼，歐洲鋼管集團為供貨商。

我國在海底管道工程建設方面起步較晚，但近年來隨著海洋油氣資源勘探開發的重要性不斷提高，對海底管道工程的需求日趨迫切。其中，南海荔灣海底管道工程是目前國內鋼管應用水深最深、壓力最高、壁厚最大的項目，代表了國內海底管道發展的最高水平。渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司（鞍山鋼鐵集團公司開發板材）、番禺珠江鋼管有限公司（武漢鋼鐵集團公司開發板材）、寶山鋼鐵集團公司分別為荔灣項目提供了鋼管，實現了X65、X70大壁厚海管的國產化。而與國外先進水平相比，國內產品在性能穩定性、尺寸精度等方面尚有一定差距。因此，針對當前各國趨之若鶩的深海油氣資源，國內生產企業和科研院所需要加快進行更高性能深海管道用鋼管的研究，實現新產品的研制和性能升級，為深海油氣資源的大規模開發做好技術儲備。

6 結束語

安全性與經濟性的兼顧統一是管道工程發展的不變主題，而伴隨非常規油氣田、偏遠油氣田的開發，管道工程面臨的服役環境日益惡劣。為此，需要加大低成本、高性能油氣輸送鋼管的研發及應用。雖然我國在油氣管道建設方面走在了世界前列，但與國際領先水平相比，我國油氣輸送管的整體性能和質量還有一定差距。建議國內生產企業和科研院所，對標國外優勢產品，針對高性能油氣輸送管開展聯合攻關，同時加強鋼管的工程應用和應用基礎研究，推動我國管道事業持續、健康發展。