第27卷第2期河北科技大学学报Vol.27,No.2 2006年6月Journal of Hebei University of Science and Technol ogy June2006
文章编号:100821542(2006)022*******
李鹤林1，吉玲康1，谢丽华2
(1.中国石油天然气集团公司管材研究所，石油管力学和环境行为重点实验室，陕西西安 710065;
2.浙江海洋学院石化学院，浙江舟山 316004)
摘 要：在阐述了中国石油钢管产品的发展历程和技术进步的基础上，着重介绍了各主要钢管企业面对石油工业对石油钢管日益严格的技术要求，积极研究开发新产品，指出了中国石油钢管制造行业的广阔发展前景。
铅酸蓄电池组装中图分类号:TE9+.104 文献标识码:A
Pr os pect of oil steel pi pe in China
L I He2lin1,J IL ing2kang1,X I E L i2hua2
(1.Tubular Goods Research Center,Key Laborat ory f orM echanical and Envir on mental Behavi or of Tubular Goods,C NPC,Xi’an Shanxi 710065,China;2.Petr oche m ical College,Zhejiang Ocean University,Zhoushan Zhejiang316004,China)
Abstract:Based on p resenting devel opment course and p r ogress of the oil steel p i pe p r oducts,the paper mainly describes the ne w p r oduct research and devel opment in China steel p i pe cor porati ons,which are facing more and more strict technical requirements of the petr oleu m industry for oil p i pes,and reveals the p r os perity of China’s steel p i pe cor porati ons.
Key words:oil steel p i pe;tubing and casing;trans portati on p i pe;p r os pect
石油钢管主要包括油井管(钻杆、钻铤、套管、油管等)和油气输送管2大类，其在石油工业中占有很重要的地位。石油工业是仅次于建筑行业的钢管消费大户。本文试图在对中国石油钢管的使用、生产历史进行回顾和发展现状分析的基础上[1]，对中国石油钢管的发展前景进行展望，提出中国石油钢管的发展方向，以期对中国的石油钢管发展有所帮助。
1 中国石油钢管发展的历史回顾
1.1 油井管发展历程回顾
中国生产油井管已有50多年的历史，但20世纪50-70年代，中国油井管的生产技术比较落后，其数量、品种和质量都远远满足不了石油工业发展的需要。1978年以来，虽然国家在油井管国产化方面做了很大努力，使产量有所增加，但是却远远赶不上工业对油井管的需求(从1981年的每年29万t增加到1990年的每年90万t左右)。例如,1989年油井管的消耗量为89万t，而从1959年起到1989年底，中国全国才共生产油井管81.2万t，即30年的总产量还满足不了1年的需求。1949-1994年，中国共进口油井管1150万t，中国国内总产量约120万t，自给率仅10%[2]。
1990年以来，在冶金部和中国石油天然气总公司的统一领导下，油井管的生产部门和使用部门协同攻
收稿日期:2005212220；修回日期:2006203230；责任编辑：陈玉堂
作者简介：李鹤林(19372)，男，陕西南郑人，中国工程院院士，高级工程师，主要从事材料科学与工程方面的研究。
图1 中国油井管消耗量、进口量和国产量Fig .1 Figures of consu m ing,i m porting,self 2sur porting of Chinese oil well p i pe 关，特别是“宝钢”、天津钢管公司投产
后，国产量逐年大幅度提高(见图1、图
2)，国产化率已经由原来不足10%上升
到1996年的50%,1997年的60%，至
2002年国产化率已达80%，使中国由一
个油井管进口大国变成绝大部分自给,
硅胶模具制作方法
少量进口和有一定量出口的国家。
1980年前，钻杆和钻铤几乎100%进
口，经过近20年的努力现已基本自给。香皂包装
1.2 油气输送管发展历程回顾
管道输送是石油、天然气最经济和
合理的运输方式。目前，全世界石油、天
以每年2万～3万k m 的速度增加。中国
从1958年开始建设长距离原油输送管线
图2 中国油井管国产化率Fig .2 Chinese oil well p i pe self 2supporting rati o
(新疆),1963年开始建设长距离天然气输送
管线(四川)。
中国人的祖先在公元前600年即开始用
竹筒输送天然气，后来，英国人用木管和铅管
输送天然气，其安全性极差。输送油、气的大
口径钢管是20世纪初首先在美国发展起来
的。1926年，美国石油学会发布的AP I 5L 标
准只包括3个碳素钢级。1947年发布的AP I
5LX 增加了X42,X46和X523个钢级。1964
年的AP I 5LS 将螺旋焊管标准化。1967-
1970年期间AP I 5LX 和5LS 增加了X56,
X60和X653个钢级,1973年增加了X70钢级。1987年6月,AP I 5LX 和5LS 合并于第
36版SPEC 5L 中。第36版到现在的第43版包括A25,A ,B ,X42,X46,X52,X56,X60,X65,X70和X80共11个钢级。X100和X120已开发成功，但尚未列入AP I 和I S O 标准。管道输送压力也从1870年的0.25MPa 发展到1950-1960年的6.2MPa，当前新建管线的输送压力普遍达到10MPa 以上(最高压力达20MPa 左右)。
中国已建成的石油天然气长距离输送管线所使用的螺旋焊管，主要是由原中国石油天然气总公司的6个焊管厂(宝鸡石油钢管厂、华北石油钢管厂、沙市石油钢管厂、辽阳石油钢管厂、资阳石油钢管厂、胜利石油钢管厂)生产的，螺旋缝焊管全面实现了国产化。X80螺旋缝埋弧焊管钢级也已经开发成功。2000年以来，为了迎战西气东输工程,“宝鸡”、“华北”等6个石油焊管厂对螺旋缝埋弧焊管(SS AW )生产线进行了大规模技术改造，改进了成型、焊接工艺，加强了在线检验，增加了管端扩径工序,SS AW
质量进一步提高。大量检验数据表明：国产SS AW 焊管与进口UOE 焊管的管体、焊缝、热影响区力学性能(包括CVN 和DW TT )处于同一水平；而全尺寸爆破试验的爆破应力，国产SS AW 略高于进口UOE 焊管。
螺旋缝埋弧焊管使用的热轧板卷，在20世纪50年代到70年代主要采用“鞍钢”等厂家生产的A3,16Mn;70年代后期和80年代则采用从日本进口的TS 52K (相当于X52);90年代，塔里木3条油气管线、鄯2乌输气管线、库2鄯输油管线和陕2京输气管线的X52,X60和X65热轧板卷主要由“上海宝钢”和“武钢”生产供应。现在,“鞍钢”、“本钢”、“太钢”、“梅钢”也都能生产高钢级X 系列热轧板卷。目前已经竣工和正在建设的“西气东输”工程、陕京二线工程等采用X70钢级热轧卷板由“宝钢”、“武钢”等生产(少量从韩国P OSCO 进口)。X80热轧板卷也已由“宝钢”、“武钢”、“鞍钢”试制成功。
中国在1997年以前，还没有一套大口径直缝埋弧焊管生产机组。近几年巨龙钢管公司JCOE 焊管和番89河北科技大学学报 2006年
禺珠江钢管公司UOE 钢管填补了中国直缝埋弧焊管的空白。
直缝埋弧焊管所使用的宽厚钢板以前主要依赖进口，但经过技术开发，目前中国的舞阳钢铁公司、鞍山钢铁公司相继开发成功X80以下的宽厚钢板，目前已经用于西气东输和陕京二线等管线建设工程。X80钢级的宽厚板开发工作也已完成。“宝钢”的宽厚板生产线项目现在已经完成，同时其UOE 焊管生
产线也即将启动。
直缝高频电阻焊管主要用于支线和城市管网，部分用于中、小口径干线，其生产厂家较多，代表厂家有宝鸡住金石油钢管有限公司等。
2 中国石油钢管发展展望
2.1 油井管发展展望
2.1.1 高性能钻柱构件
日盲紫外探测器随着钻井工况趋于苛刻,AP I 标准钻柱构件已不能满足某些服役条件，需要承载能力超过S135的超高强度钻杆(在确保韧性的前提下提高钢的强度)，能满足“先漏后破”准则并解决摩擦热裂纹问题的高韧性钻杆(提高钢的韧性)和能在含硫深井钻井中使用的高强度抗硫钻杆(提高钢的SSCC 抗力)，高抗扭钻杆(改进接头的结构设计与改进接头和管体材料相结合)。
为确保钻井安全和钻井效率，钻柱构件的韧性必须满足“先漏后破”准则，即钻柱构件疲劳或腐蚀疲劳
裂纹失稳扩展的临界尺寸应大于钻柱构件壁厚。根据断裂力学理论，临界裂纹尺寸与(K I C /σy )2成正比。
因此，材料屈服强度越高(或钻柱构件承受载荷越大)，需要匹配的韧性越高[3]。
2.1.2 高性能油管、套管
在深井和其他苛刻工况条件下，钢级超过Q125的超高强度套管，在强度提高的同时，必须大幅度提高韧性。其难点在于:1)Q125以上钢级套管需要匹配的韧性极高，号称世界级难题;2)钢的强度越高，提高SSCC 抗力越困难，硬度超过HRC25是禁区。
钢的强度与塑性、韧性通常表现为互为消长的关系，强度高的常常塑性、韧性就低；反之亦然，即为求得高的塑性、韧性，必须牺牲强度。S135以上钢级钻杆和Q125以上钢级套管，需要匹配的韧性极高，近年来一直是研究的热点。英国能源部指导性技术文件规定，压力钢管横向最低CVN 的计算公式为
CVN ƒσy /10,
(1)式中:CVN 的单位为J;σy 的单位为MPa
。
图3 柯深21井破裂套管井下成相照片Fig .3 Downhole phot ograph of the fracture casing in Keshen 21well
几年前，中国西部某深井完井测试时,
V150套管产生螺旋状裂纹而导致这口井
报废，直接损失上亿元。图3所示为该套
管井下成相图。失效分析认为，这种螺旋
状裂纹是钢管潜在的螺旋状损伤(无损探
伤难以发现)在承受很高的载荷(内压)后
形成宏观裂纹的。而钢管的螺旋状损伤是
穿孔工序形成的。
套管及油管内在的微小缺陷或损伤是
难以避免的。其临界值与(K I C /σy )2有关,
即套管强度越高，需要匹配的韧性也越高。
中国石油天然气集团公司管材研究所
正着手研究油井管的强韧性匹配问题，包
括探索提高高强度油井管韧性的途径。
2.1.3 抗CO 2腐蚀油井管近年来，世界范围一些严酷腐蚀环境油气田相继开发。国外加大了研究和开发抗CO 2及CO 2,H 2S,Cl -共存(当然还有H 2O )的耐腐蚀油井管的力度。中国已将抗CO 2腐蚀油井管列入“八六三”计划。
AP I Spec 5CT 列有一个13Cr 钢级(L80213Cr )，而各生产厂均建立了自己的非AP I 钢级系列。以川崎制99 第2期 李鹤林等 中国石油钢管的发展前景展望
铁为例，其非AP I 13Cr 有8个钢级，即K O 213Cr80,K O 213Cr85,K O 213Cr95,K O 213Cr110,K O 2HP1213Cr95,K O 2HP1213Cr110,K O 2HP2213Cr95和K O 2HP2213Cr110。其中，后4个钢级称超级13Cr 。
在CO 2和H 2S 共存，或H 2S 分压未达临界但Cl -很高时,13Cr 钢(包括超级13Cr 钢)是不能满足要求
的，需要采用22Cr 双相不锈钢(ASF2205)或超级双相不锈钢25Cr，甚至要采用w (Cr )为20%以上、含w (N i )为30%以上的高N i,Cr 不锈钢和N i 基合金。上述钢级的钢价格十分昂贵，对于低产气田是无力承受的。因此，抗CO 2腐蚀油井管的正确选择和合理使用以及经济性的抗CO 2腐蚀油井管也是研究
的热点。近年来国内外都在研究开发w (Cr )为2%～5%的经济型抗CO 2腐蚀油井管。
2.1.4 连续管
连续管过去主要用于修井和完井作业。连续管钻井技术是近年来的一个研究热点。连续管是一种强度和韧性良好的钢管，卷在滚筒上，主要采用ER W 焊管。现在已试制成功无缝钢管连续管，其材料也由碳钢发展到低合金钢(包括淬火回火钢)及钛合金。目前正在研制复合材料连续管。20世纪80年代末能够制造外径1,121/4,121/2和123/4英寸(1英寸=2.54c m ，下同)的连续软管，现已能生产2,223/8和321/2英寸外径的连续管，可满足小井眼钻井需要。连续管的屈服强度一般为492MPa 或562MPa，现已发展到703MPa 。连续管用钢必须有良好的强韧性匹配，以保证较高的低周疲劳寿命。
美国能源部正致力于以连续管技术为基础的小井眼钻井技术的开发和应用。每年计划用小井眼连续管技术钻2万口浅开发井,100口油藏数据监测井,1000口深勘探井,3000口重入井。目前美国共有40万口井等待重新进行开发新油层。每年重入井钻井总费用至少75亿美元。截至2003年底，全世界应用连续管技术共钻井7000余口，其中加拿大连续管钻井占世界总量90%。
美国应用小井眼连续管技术(外径≤321/2英寸)钻井的成本目标比现有常规钻井技术节省40%～50%的开支，最大深度6000英尺(1英尺=30.48c m ，下同)。西得克萨斯用常规技术钻一口5000英尺油井的总成本为25～35万美元，而小井眼连续管钻井成本为15万美元。
中国生产连续管和用连续管钻井均是空白，有关科研机构正起步研究开发工作。
2.1.5 膨胀管
膨胀管技术是近年发展起来的一项实用钻井技术。通过一种机械膨胀装置，靠液体压力推进，在膨胀锥体推进过程中使井下管件经过塑性变形达到扩大管径的目的。膨胀管分实体膨胀管和割缝膨胀管2类。实体膨胀管主要用于：封堵漏失层和高压水层；封隔破裂带；修补损坏套管和封堵已射孔套管；取代常规尾管悬挂器和尾管悬挂器封隔器(以达到保持井眼尺寸的目的)；常规套管的替代产品。割缝膨胀管主要用于：封隔破碎带；膨胀防砂网；作为一种新的完井手段，提高油井产量。扩管机
图4
常规套管设计与膨胀套管设计及单管井设计比较Fig .4 Comparis on of conventi onal casing design with expandable casina design and single p i pe well design 在钻井中，如果从开钻到完钻全部采用膨
胀管技术，则可以实现开钻井眼直径和完钻井
眼直径基本一致，即由原来的倒梯形井眼结构
变成自上而下单一尺寸井眼结构。这是钻井
技术的重大革命。图4从左至右显示的是“常
规套管设计”、“目前可以实施的嵌套式膨胀套
管设计”和“未来将要达到的单管井设计”。
壳牌公司的研究人员估计，实体膨胀管技
术在降低钻井成本方面具有很大的潜力，它可
以将钻机场地缩小75%，钻井液减少20%，钻
屑量减少50%，固井水泥减少50%。
膨胀管钢材的选用是膨胀管钻井的关键技术之一：膨胀管在井眼中被径向膨胀(发生无铬钝化液
大塑性变形)，之后还要在严酷的井下环境中
服役(承受较大的外挤力、内压力，有时还有腐
蚀介质的侵蚀)；膨胀管应有足够的塑性变形能力，膨胀后，其力学性能、尺寸精度等应符合AP I 或有关标准的规定。
中国膨胀管研究工作已经进行了3年，总体上尚处于实验室阶段。
001河北科技大学学报 2006年
2.2 油气输送管发展展望
当前，油气管道业面临的挑战是：在高寒、深海、沙漠、地震和地质灾害等恶劣环境下建设长距离、高压、
大流量输气管道。因此，急需开发如下高性能油气输送管[4]。
2.2.1 高强度(X80及X80钢级以上)管线钢及钢管
油气输送管道(特别是天然气管道)总的发展趋势是持续提高钢管的强度水平，以期最大限度降低管道建设成本和输送成本。X80是日本、欧洲和北美批量生产并正式投入使用的管线钢的最高纲级。X100和X120管线钢也相继研制成功，正在进行工业性试验。
世界著名的大石油公司积极开展X80及X80以上钢级管线钢的开发和应用研究:Exxon Mobil 公司1996年分别与新日铁公司和住友金属公司签订了共同开发X120管线钢的协议,2001年已经全面完成,2004年2月在加拿大建成长1.6k m 的试验段。BP 公司5年前与几家钢铁企业和制管企业合作，开发了X100钢
级UOE 焊管，为了考核其止裂能力，进行了多次全尺寸爆破试验。意大利S NAM 公司用Eur op i pe 公司生产的X100,X80与X70钢级进行对比试验，认为X80的现场焊接可以采用与X70相近的工艺；而X100则有所不同，但只要采取适当措施也可获满意结果。挪威ST AT O I L 公司对“新日铁”、“住友金属”、“NKK ”、“川崎制铁”和Eur op i pe 5家公司提供的钢管进行了X80钢级用于海底管道的可行性研究，重点研究了可焊性、焊材匹配、焊接接头韧性与适应变形的能力，获满意结果。
Trans Canada 管道公司(TCP L )是积极推动高钢级管线钢的先驱。该公司近期动态:1994-1995年开始将X80钢级用于其管网，建成了一条长30km 的试验管线，迄今其管网中已有近400km 的X80钢级管线;X80钢管已成功地用于A lberta 省北部永久冻土地区。2002年,TCP L 在加拿大Salat oga 建成了一条管径1219mm 、壁厚14.3mm 的X100试验段。为检验止裂性能，用36英寸管径的X100钢管进行2次全尺寸爆破试验，试验结果与预测相符。
中国西气东输工程采用X70钢级及10MPa 的工作压力，跟上了国外的发展水平。当前正在进行X80钢级管线钢的研究，应继续加大研究开发和应用力度，并着手更高钢级的前期研究，做好技术储备，迎接国际上新一轮管线钢的升级。
2.2.2 低温状态高强度管线钢及钢管
埋地油气输送管道的最低运行温度一般为0℃，但对于裸露管线(站场及悬跨管段等)，钢管的服役温度
应按当地的最低温度考虑，才能确保管道安全运行。在这种情况下，管线钢的韧脆转变温度应低于当地的极限低温，并且在该温度下有足够的韧性。这对高强度管线钢是相当困难的。
2.2.3 具有合适断裂控制性能的高强度管线钢和钢管
对输气管道而言，由于气体减压波速度(V d )较低，而钢管开裂速度(V m ，裂纹扩展速率)往往较高，致使V m ≥V d ，裂纹长程扩展，造成灾难性后果。提高钢管的韧性，可以降低裂纹扩展速率，使V m <V d 而止裂。
如果输送的天然气是含有C2-C5烃类的富气，需要钢管有更高的止裂韧性值。因为天然气中C2-C5烃类含量越高，即热值越高，其减压波速度越低。
X80钢级自1978年问世迄今尚未大规模用于输气管道，原因之一是断裂控制等问题未完全解决。输送钢管延性断裂的止裂与CVN 的关系，主要采用Battelle 等机构的半经验公式进行计算，并通过实物爆破试验修正。X70以下钢级已积累了大量数据，其预测的准确性也得到公认。而X80钢级的爆破试验数据太少，预测的可靠性受到质疑。EPRG 曾对外径48英寸、壁厚17mm 的X80输送管进行了全尺寸的天然气介质爆破试验。出乎预料的是一根冲击功高达221J 的钢管发生了裂纹扩展，而用Battelle 公式预测的止裂韧性为125J 。
当前急需解决高强度管线钢高压输气(特别是富气输送时)的止裂韧性预测可靠性问题，并在此基础上开发具有合适断裂控制性能的高强度管线钢。而钢的强度与韧性互为相长的关系以及高压输送对管线钢止裂韧性较高的要求，对钢铁材料高性能化和现代冶金技术提出了强烈的挑战。
2.2.4 抗H I C 管线钢及钢管
SSCC 和H I C 是含H 2S 天然气输送管线主要失效模式。国外抗SSCC 和H I C 管线钢已自成体系。SSCC 和H I C 的产生及严重程度决定于输送气体介质中的H 2S 分压。当p (H 2S )>300Pa 时必须对管材提出抗SSCC 和H I C 的要求。随着输气压力的提高，要满足p (H 2S )≤300Pa 则须将H 2S 的含量降得非常低，例如p 0=10MPa 时，需要将φ(H 2S )降至0.003%以下。因此，抗H I C 钢的需求量是相当大的。例如欧洲钢管公
1
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