【內(nèi)容提要】本文闡述了耐酸鋼管廣泛應(yīng)用于石油天然氣、石油化工、電力、海洋運(yùn)輸船舶、汽車等行業(yè)的市場需求。在耐酸鋼管技術(shù)上簡介了腐蝕機(jī)理及耐酸鋼管研制的基本思路，舉出鞍鋼和寶雞鋼管公司分別開發(fā)X65QS耐酸無縫鋼管和X65MS耐酸焊管（HFW/HSAW/LSAW）的實例。并介紹雙金屬復(fù)合管在國內(nèi)外發(fā)展概況，指出國內(nèi)雙金屬復(fù)合鋼管機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度低，而上海藍(lán)天陽海洋工程公司開發(fā)冶金復(fù)合雙金屬鋼管結(jié)合強(qiáng)度高，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

一、耐酸鋼管廣泛應(yīng)用的市場需求

全世界每年因腐蝕而損耗的鋼材約占鋼材年產(chǎn)量的25%，國內(nèi)每年因鋼管腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為2800多億元，其中鋼管受到腐蝕的環(huán)境多為酸性腐蝕，耐酸鋼管的研究是一個重要發(fā)展方向。

當(dāng)前耐酸鋼管的市場應(yīng)用越來越廣泛，下游用戶有陸地石油天然領(lǐng)域的輸送石油、天然氣管道和油田的油井管（OCTG）；海洋工程有鉆井平臺的隔水套管、油井管和海洋輸油氣管；海洋船舶用的鋼管；化工用鋼管；汽車用排氣管；火力發(fā)電廠凝汽器和給水加熱用管等。下面分別簡介其廣泛應(yīng)用的概況。

1.1陸上石油天然氣用管

①石油天然氣長輸用管：根據(jù)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，我國對照2015年的數(shù)據(jù)，到2020年全國原油、成品油、天然氣管道長度分別達(dá)到3.2萬、3.3萬和10.4萬公里，評估2018年長輸油氣管道用鋼管量700萬噸，其中長輸天然氣管道用鋼管量400萬噸，原油管道用鋼管量200萬噸。由于天然氣及原油在某些管道含有腐蝕介質(zhì)（如H₂S和CO₂等），使管道在酸性條件下服役。目前造成油氣管道失效的28起故事中，由于腐蝕失效的比例達(dá)到17.86%，居第三位。我國今后可能會采用富氣（即未經(jīng)凈化處理的天然氣）輸送方式，因此，耐酸鋼管的開發(fā)顯得愈加重要。國外在未來4年將有18萬公里油氣管道要建設(shè)，其中就有富氣輸送管道。例如早已建成的加拿大-美國的聯(lián)盟管道就實現(xiàn)了高壓富氣輸送，僅歐洲鋼管公司近20年來已生產(chǎn)酸性服役鋼管300多萬噸，占總產(chǎn)量30%，最大管徑φ1219mm，最大壁厚41mm，最高鋼級X70。國內(nèi)外對耐酸的管線管的需求還在增加，國際上主要集中在中東、北非和北美，國內(nèi)主要集中在西南、西北和東北地區(qū)。評估油氣長輸管道用耐酸鋼管量約80萬噸/年。

②油田集輸管道：油田腐蝕中，從油井到地面原油和天然氣輸送進(jìn)入處理廠之間，是內(nèi)部集輸管道（未經(jīng)脫水、脫H₂S、脫CO₂），由于存在CO₂-H₂S- Cl^--H₂0-0₂ 電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致穿孔事故。某油田集輸管線總長4121.5公里，2014年全年共發(fā)生穿孔或刺漏170次，平均穿孔數(shù)為4.1次/100公里，主要以內(nèi)腐蝕為主，由于管道材質(zhì)大多數(shù)是普碳鋼，不能耐酸。評估油田集輸管道需求耐酸鋼管約30萬噸/年。油田集輸管道主要分布在西南、西北和東北地區(qū)。

③油井管（OCTG）和連續(xù)油管（CT）：油井管由于地質(zhì)條件較差，例如勝利、大慶等油田進(jìn)入高含水開發(fā)期，而西南油氣田、長慶油氣田等出現(xiàn)了含CO₂、H₂S等腐蝕介質(zhì)的油井，遼河油田、勝利油田、克拉瑪依油田、河南油田出現(xiàn)高含稠油的油井。我國稠油儲量預(yù)測為198億噸，約占石油資源總量的20%以上。因此，需求抗H₂S油套管、抗CO₂油套管、抗H₂S+CO₂+Cl^-油套管及隔熱稠油管。我國油井管國產(chǎn)化率已達(dá)95%以上。評估耐酸油井管和隔熱稠油管年用量約300萬噸，占油井管總量約80%。

連續(xù)油管是近年來發(fā)展的油田新技術(shù)，全世界每年用量約500萬米。我國寶雞石油鋼管公司已開發(fā)出高強(qiáng)度連續(xù)油管，并得到大量應(yīng)用。從國外引進(jìn)的連續(xù)油管在西南油氣田川東某油井實際使用時，由于服役條件惡劣，在含有Cl^-和SO₄^2-等弱堿水溶液中高溫高壓環(huán)境下，在作業(yè)272小時后腐蝕失效。又例如某油田80鋼級φ31.8mm*3.18mm連續(xù)油管在井內(nèi)H₂S和CO₂酸性腐蝕環(huán)境下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂而失效。因此需求耐酸連續(xù)油管約年用量10萬米。

1.2海洋石油天然氣用管

目前全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多個海洋油氣田，海洋油氣的儲量已經(jīng)占到全球儲量的30%～40%，產(chǎn)量約占30%以上。我國海洋石油資源量240億噸，天然氣資源量14萬億立方米，未來石油產(chǎn)量的增長主要來自海洋，我國已經(jīng)能制造海底管線管鋼管及海洋平臺結(jié)構(gòu)管。

①海洋石油天然氣海底管道：印度與阿曼建設(shè)阿拉伯海的深海天然氣管道，水深3500米為最深紀(jì)錄；俄羅斯北溪沿波羅海的海底管道，長1200公里為最長紀(jì)錄；此外，目前全球海底管道非酸性環(huán)境中最高鋼級X70，在酸性環(huán)境中為X65，最大壁厚41.0mm。

我國海底管線總長度約達(dá)到2000公里，1985年我國南海崖“13-1”氣田至香港輸氣海底管線，全長770公里，φ711mm，壁厚25.4mm，鋼級X65，最大壓力15.8mpa，引進(jìn)日本UOE鋼管建造的。現(xiàn)在我國已經(jīng)海底鋼管國產(chǎn)化，2012年建成南海荔灣“3-1”海底管道長160公里，管徑φ765.2mm，最大壁厚31.8mm，綱級X65，最大壓力23.9mpa，水深1500米。寶雞鋼管公司寶世順秦皇島公司直縫埋弧JCOE機(jī)組應(yīng)用鞍鋼鋼板生產(chǎn)出φ765.2mm，壁厚40.5mm，X70海底管線鋼管，具有優(yōu)良的強(qiáng)塑性、低溫韌性、斷裂韌性及抗氫致裂（HIC）、硫化物應(yīng)力腐蝕及鹽霧腐蝕的耐腐蝕性能，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

②X80級深水鉆井隔水管主管：鉆井隔水管的功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液、起下海底防噴器、系附壓井、防噴、增壓管線、補(bǔ)償鉆井船的升沉運(yùn)動，在勘探和鉆井平臺、浮式鉆井船上得到了廣泛應(yīng)用，海洋鉆井隔水管要經(jīng)受海水的腐蝕。寶雞石油鋼管公司在國內(nèi)率先用JCOE直縫埋弧焊管研制了海洋鉆井隔水管主管，鋼級X80，φ533.4mm，壁厚25.4mm，單根長度最長為27.43米，具有高強(qiáng)度、高韌性和耐腐蝕的高技術(shù)的石油鉆井裝備。

③X100/X100Q級海洋鉆井平臺樁腿管：海洋樁腿支撐管主要用于海洋油氣鉆井平臺，要具有高強(qiáng)度，高韌性，耐腐蝕。天津鋼管公司和衡陽鋼管公司開發(fā)了高鋼級（X100/X100Q）大直徑大壁厚（φ324 mm *36 mm /φ168 mm *28 mm）海洋鉆井平臺樁腿用無縫鋼管。

中船圣匯裝備有限公司為某海洋生活平臺制造四根樁腿，φ3000mm，單根長度79米，壁厚55mm，材料E690，有耐腐蝕性能的超高強(qiáng)度鋼管。

1.3南海島礁和全國生態(tài)島礁工程復(fù)合鋼管樁

南海海灣天然氣海底輸氣管道上岸后，進(jìn)入凈化處理廠。這只是成為南海島礁建設(shè)中的一個組成的微觀單元。何況還有人造島礁，陸域吹填工程，國外例如日本羽田機(jī)場就是填海造地的工程，該機(jī)場D號通道棧橋采用1201支包覆超級奧氏體不銹鋼的耐酸鋼管樁。可見，我國生態(tài)島礁建設(shè)工程需求耐酸鋼管樁的用量十分可觀。

1.4海洋運(yùn)輸船舶耐酸鋼管

一艘20-30萬噸超大型油輪（VLCC）或超大型氣體運(yùn)輸船（VLGC）、海洋采油平臺及浮式生產(chǎn)儲油船（EPSU）往往需要上百至數(shù)百噸耐酸不銹鋼管作為油船加熱管道、油氣裝卸及采輸管道。這是因為，海水含有NaCl等鹵化物，其含有Cl^-（氯化物）、H₂S、CO_2、碳酸鹽等造成不銹鋼及許多金屬腐蝕的危險因素，因此海洋運(yùn)輸船舶設(shè)備中多種管道用材都有考慮耐酸功能，例如內(nèi)襯或內(nèi)覆316L、22Cr、25Cr、6Mo等不銹鋼復(fù)合管是海洋運(yùn)輸船用于油氣輸送管道的主要選材。評估船用耐酸鋼管約40萬噸/年。

1.5石油化工用耐酸鋼管

石油化工的重要原料就是原油，我國每年進(jìn)口原油8000萬噸，其中不泛含有水和腐蝕介質(zhì)的硫化物（H₂S）。石油化工裝備用鋼管除了抗硫化物腐蝕外，還要具有耐高溫（如230℃）或耐低溫如乙烯裝置為-101℃～-170℃，其中耐腐蝕不銹鋼管材質(zhì)為904L。化工用管在向大型化方向發(fā)展，如從φ89mm發(fā)展到φ426mm，評估化工用耐酸鋼管約400萬噸/年。

1.6火力發(fā)電廠凝氣器和給水加熱器用鋼管

凝氣器又名冷凝器（condenser），是火力發(fā)電廠汽輪機(jī)的低壓缸排出的蒸汽，通過冷凝器的冷卻而凝結(jié)成水，經(jīng)加熱器加熱后又重回鍋爐循環(huán)。冷凝器和給水加熱器這類以高溫高壓水蒸氣和水為熱交換兩相的換熱器因不銹鋼焊管產(chǎn)生Cl^-引發(fā)SCC腐蝕而失效，說明304或304L材質(zhì)不理想。國際上雖然也是用薄壁不銹鋼焊管，但技術(shù)很成熟。而我國不銹鋼焊管至今未能有效占領(lǐng)超超臨界熱電站冷凝器、給水加熱器高端領(lǐng)地，此類似問題也產(chǎn)生于石化工程酒精過熱器和氨再生高壓蒸餾器的冷凝器的失效事件中。為此，有專家建議凝氣器和給水加熱器應(yīng)用超級奧氏體、鐵素體、雙相不銹鋼或鎳基合金焊管。

1.7汽車排氣系統(tǒng)用鋼管

目前發(fā)展新能源汽車如采用壓縮天然氣、液化天然氣或以電能為動力的汽車，正是為了環(huán)保而對燃油汽車廢氣排放管理更加嚴(yán)苛；汽車整體輕量化發(fā)展，對排氣系統(tǒng)的材質(zhì)提出高要求。汽車排氣系統(tǒng)包括排氣岐管、前管、柔性管、催化轉(zhuǎn)換管、中心管、消音器和末端管等，工作時承受極大溫度變化（-20℃～850℃）和高頻振動，承受廢氣的污染腐蝕。排氣管的材料目前多用超純鐵素體不銹鋼薄板帶（厚度0.8～1.2mm）卷焊而成，寶武集團(tuán)制造的汽車排氣管不銹鋼管材料升級換為B425DP，在上海通用汽車測試成功。不銹鋼排氣管年用量約2萬噸。

二、油氣輸送鋼管耐酸性腐蝕的研制概況

如前所示的石油天然氣行業(yè)、石油化工行業(yè)、海洋運(yùn)輸船舶行業(yè)、火電行業(yè)以及汽車行業(yè)，腐蝕是鋼管在酸性環(huán)境下引起的破壞，其共同的腐蝕介質(zhì)不同程度存在有H₂S、CO₂、Cl^-、H₂0、0₂ 等。

2.1關(guān)于腐蝕機(jī)理的研究

①關(guān)于濕硫化氫（H₂S）導(dǎo)致氫致裂（HIC），其機(jī)理分為三部：第一步，氫離子進(jìn)入鋼中：Fe+H₂S→Fe+H⁺+2e^-；第二步，氫原子在鋼組織內(nèi)夾雜物，帶狀偏析區(qū)域聚集，變成氫分子，其體積比氫原子擴(kuò)大20倍，形成裂紋的內(nèi)壓：2H⁺+2e^-→H₂；第三步，裂紋沿夾雜物、帶狀偏析區(qū)域擴(kuò)展，最終形成破壞性損傷。

②關(guān)于濕硫化氫（H₂S）導(dǎo)致硫化物應(yīng)力開裂（SSCC）：H₂S產(chǎn)生的H原子滲透入鋼的晶格中，導(dǎo)致鋼脆性增大。SSCC是酸性環(huán)境下三種腐蝕（SSCC、HIC和電化學(xué)腐蝕）破壞危害性最大的一種。

③CO₂和H₂S的共同作用，有可能腐蝕產(chǎn)物分別為FeS和FeCO₃（碳酸亞鐵）。

④ Cl^-：Cl^-半徑較小，極性強(qiáng)，易穿透保護(hù)膜，加速H₂S、CO₂腐蝕過程。

⑤O₂：氧氣溶解于水中，O₂的腐蝕性＞CO₂的腐蝕性＞H₂S的腐蝕，4FeCO₃+O₂→2 Fe₂O₃+ 4CO₂，加速H₂S、CO₂腐蝕。

⑥H₂O：水是造成腐蝕的重要因素，由于有H₂O的存在，攜帶H₂S和CO₂等多種腐蝕離子，如前所述，H₂S在水中形成離子狀態(tài)。H₂S→2H⁺+S^-,才導(dǎo)致H⁺進(jìn)入Fe中。在Cl^-和O₂的催化劑作用下，加速金屬的腐蝕。

2.2關(guān)于高鋼級耐酸鋼管的研制概述

在世界范圍內(nèi)具備大規(guī)模生產(chǎn)耐酸鋼管的管廠較少，只有歐洲鋼管和日本JFE等，最高可生產(chǎn)X65/X70耐酸管。針對腐蝕環(huán)境下管材承受高壓、大流量耐酸油氣輸送鋼管的市場需求，同時兼顧板材及制管工藝的經(jīng)濟(jì)性，我國在開發(fā)高鋼級耐酸鋼管方面取得突破性進(jìn)展，現(xiàn)在以鋼級X65耐酸鋼管國產(chǎn)化為例，其研制要點(diǎn)概述如下：

2.2.1研制的基本思路：①提高鋼的純凈度，減少偏析：低P、超低S、低Mn、低Si，②降低C含量，C是最易造成中心偏析，易于提高強(qiáng)度、硬度從而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。③晶粒細(xì)化，微合金化設(shè)計：添加Nb-Cr合金元素，即可以彌補(bǔ)強(qiáng)度，Nb可以細(xì)化晶粒，Cr可以提高抗CO₂性能；并適當(dāng)加入Cu、Ni等合金元素，使之具有較低碳當(dāng)量及裂紋敏感指數(shù)，并有良好耐H₂S能力，④管體組織應(yīng)以F/AF（鐵素體+針狀鐵素體）為佳。

2.2.2鋼級X65耐酸鋼管國產(chǎn)化實例

實例一、鞍鋼無縫鋼管廠開發(fā)X65QS抗H₂S無縫鋼管，采用先進(jìn)PQF連軋工藝，淬火+回火熱處理，金相組織為回火索氏體。

表1 鞍鋼X65QS無縫鋼管實際化學(xué)成分

因為加入含金元素較少，成本降低了。

實例二、寶雞石油鋼管公司開發(fā)鋼級X65MS集輸管線抗H₂S焊管（HFW/HSAW/LSAW），采用低Mn的X65MS卷板制造。

表2 寶雞鋼管X65MS板材實際化學(xué)成分

表1中W(Mn)=0.25%時，為制作HFW高頻電阻焊管用卷板；W(Mn)=0.5%時，為制作HSAW/LSAW（螺旋和直縫埋弧焊管）的板材。

HFW焊縫組織為PF+P（多邊鐵素體+珠光體），HSAW/LSAW的焊縫組織為AF+B粒+F先（針狀鐵素體+粒狀貝氏體+先共析鐵素體）。和無縫鋼管的區(qū)別，埋弧焊管用Mn-Ni-Mo-Ti-B系抗酸焊絲，達(dá)到綜合要求。以上X65QS和X65MS兩種耐酸鋼管各項力學(xué)和抗H₂S的指標(biāo)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3. 上海藍(lán)天陽海洋工程裝備公司開發(fā)冶金復(fù)合雙金屬鋼管產(chǎn)品達(dá)到世界領(lǐng)先水平

取代貴金屬管道的雙金屬復(fù)合管自2001年在我國油氣田領(lǐng)域應(yīng)用以來，以低廉的價格，較高的強(qiáng)度和較好的耐酸性能，也得到化工、電力行業(yè)的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，雙金屬復(fù)合管在國內(nèi)累計應(yīng)用約2000公里。在國外，復(fù)合管發(fā)展比較完善，雙金屬復(fù)合管應(yīng)用于油田已近20萬噸。但國內(nèi)雙金屬復(fù)合管制造方法在實際應(yīng)用方面還有待于完善，如機(jī)械復(fù)合工藝其雙金屬結(jié)合強(qiáng)度低，只有0.2 mpa。有鑒于此，上海藍(lán)天陽海洋工程裝備公司了解到德國復(fù)合管技術(shù)居于世界領(lǐng)先地位，因此與德國艾克工業(yè)有限公司技術(shù)合作，共同研發(fā)制造具有中國特色的德國工藝復(fù)合管成型生產(chǎn)線，于2011年起步，經(jīng)過5年的不斷試驗，在2015年研制成功屬于藍(lán)天陽品牌的冶金復(fù)合雙金屬無縫鋼管，這種新產(chǎn)品是通過冶金結(jié)合技術(shù)可實現(xiàn)兩種鋼管的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到300 mpa以上，徹底解決了機(jī)械式復(fù)合管等結(jié)合力不足、無法滿足高端客戶需求的問題。藍(lán)天陽冶金結(jié)合技術(shù)及冶金復(fù)合雙金屬無縫鋼管新產(chǎn)品2015年通過中國鋼鐵協(xié)會評審認(rèn)證，先后獲得上海市質(zhì)量管理獎、上海市名牌產(chǎn)品、國家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書（DIN/EN系列高精度精密無縫鋼管（高鐵專用）國家重點(diǎn)新產(chǎn)品）等榮譽(yù)稱號，并得到國際上許多知名品牌的管理部門的認(rèn)證和證書，如AS 9100航空航天質(zhì)量管理體系（BV）、歐盟承壓設(shè)備指令證（TUV NORD）、ISO9001:2008質(zhì)量管理體系以及美國、英國、法國、意大利等船級社工廠證書。藍(lán)天陽冶金復(fù)合無縫鋼管產(chǎn)品躋身于世界復(fù)合管先進(jìn)水平的前列，在國內(nèi)外應(yīng)用開局良好，廣泛應(yīng)用于上海、北京、天津等12個省市40多家企業(yè)及石油、化工、電力等18個行業(yè)，和美、德、日本等30多個國家，例如廣泛應(yīng)用于化工熱交換器、超超臨界火電機(jī)組、高壓蒸氣管系列。同時三元聚合技術(shù)生產(chǎn)不銹鋼聚合換熱管其熱導(dǎo)率高于純不銹鋼管熱導(dǎo)率的200%，層間結(jié)合率達(dá)到210mpa以上，應(yīng)用于克拉瑪依油田高含稠油的油井，效果很好。

上海藍(lán)天陽海洋工程裝備有限公司是一個中型民企，20年來從生產(chǎn)機(jī)械復(fù)合管起家，不斷創(chuàng)新，追求卓越，終于在雙金屬復(fù)合管行業(yè)嶄露頭角，我們鋼管行業(yè)從中得到的啟示是：“創(chuàng)新是發(fā)動機(jī)，改革是點(diǎn)火器”。

2018.7.4修改