焊接钢管绿色高性能混凝土轴压短柱承载力研究
来源:至德钢业 日期:2021-06-12 11:04:22 人气:581
焊接钢管以其独有的特性被广泛用于油气输送、油井开采及机械加工制造等领域。在发生全球金融危机后,焊接钢管的消费结构仍然与国家国民经济结构密切相关。通过对焊接钢管消费结构的差异性分析,揭示出焊接钢管产品结构调整既要依托市场化来扩展产品的功能性需求,又要优化产品制造技术和加工延伸,以积极引导市场应用。
焊接钢管以其制造技术的经济性和优良的产品质量,广泛应用于国民经济的诸多领域。改革开放以来,随着国民经济快速发展,我国焊接钢管产量由1990年的220.82万t增长到2009年的3 102.99万t,产量增长14倍多。国内焊接钢管的制造几乎囊括了世界上所有较为先进的制管工艺及设备,并具备了成套设备的研发及其加工制造的能力。焊接钢管产品的应用从流体输送用管、结构用管、油气开采、长距离输送,到集输、海洋工程、大型工程结构和机械加工制造等广泛领域,产品质量显著提高。但在长期的发展过程中,由于过多追求产量的增长,焊接钢管制造工艺技术和产品基本类同,使焊接钢管生产与市场的结构性供需矛盾日益突出。在自2008年以来的国际金融危机及国际贸易摩擦的双重影响下,我国焊接钢管产品的结构性矛盾愈显激烈和突出。分析和认识金融危机前后的焊接钢管产品的结构合理性,将会促进国内焊接钢管行业结构理性发展。
1钢管市场的消费结构
钢管作为产品的基本属性,首先是满足消费的功能性需求,其次是不断扩展和引导市场对其潜在功能的应用。
美国是当今世界最发达的国家,经过了长期的经济发展和调整,其焊接钢管产品的消费结构与产品潜在功能和市场延伸应用的关系具有一定的代表性。日本拥有先进的焊接钢管制造技术及产品,其制造技术和产品特性国际领先。我国正处在经济和社会建设蓬勃发展时期,焊接钢管产品具有广阔的潜在市场,引导和培育焊接钢管的市场应用对行业的可持续发展显得尤为重要。
1.1美国钢管市场的消费结构
依据美国普林斯顿报告,将钢管按照市场用途划分为:油套管、管线管、标准管、机械用管、结构用管、压力用管和不锈钢管七大类。由于发生金融危机,美国2009年的钢管整体消费量相对2008年有明显下降,但在产品结构方面仍保持着相近的构成比例,如图1所示。其油套管、管线管、机械用管、结构用管和标准管依然占了97%以上的比例,位居前三位的产品依次为油套管、管线管、机械用管。
2008年与2009年,美国焊接钢管消费构成同样保持相近的构成比例,如图2所示。其中管线管、结构用管和机械用管所占的比例均超过焊接钢管总消费量的20%,在管线管比例有所降低的同时,结构用焊接钢管和机械用焊接钢管有所增加,成为焊接钢管消费潜在的领域,充分显示出焊接钢管产品在制造、规格和性能方面的优势。
1.2国内钢管市场的消费结构
国内钢管行业尽管受到金融风暴的影响,但2009年焊接钢管表观消费量占钢管消费量的比例仍然由2008年的43%增加到2009年的57%,增加了14%。在对焊接钢管市场对比分析的基础上,预估2010年焊接钢管消费中列在前三位的依次为建筑结构用管、机械用管和管线管。这与我国当前经济发展的情况以及行业特点是一致的,基础设施建设和房地产投资规模较大,从而带动建筑结构用焊接钢管的生产,而能源需求及战略对国民经济至关重要,使得建筑结构用管、机械用管以及管线管成为国内焊接钢管生产应用的主要品种。
世界上不同的经济体,尽管各自的经济发展环境不同,但管线管、机械用管及油套管用焊接钢管都占据着主要的焊管市场份额,只是比例不同而已。
2焊接钢管制造技术与产品结构
焊接钢管按照其焊接制管方式的不同,产品制造范围及其属性也不同,因而在不同的使用环境中呈现出品种价值的差异性(表1)。这种产品的差异性满足了市场个性化的要求,同样新的需求引领着焊接钢管制造技术的进步。
2.1管线管
2.1.1产品应用
管线管主要用于石油及天然气等工业输送水、油气、矿浆、煤浆等。按照其应用的环境介质和使用工况要求,管线管产品的应用拓展主要呈现如图3所示的主要态势,并将随输送工程的环境介质、施工工况的不同,以及原材料制造技术的发展而出现新要求,这些都将会引领焊接钢管制造技术的完善和产品更新。管线管品种中生产难度较大的主要是高强度管、海底输送用管、抗氢致裂纹和复合钢管等。由于长输管线长度和压力的不断增加,提高管线管强度对降低工程费用至关重要。对于海底管线管,重要的是周围的水压和管线管的抗压溃性。输送含H2S、CO2等介质的油气,对管线管用钢的抗氢致裂纹、应力腐蚀性能都会有所要求。
2.1.2制造技术及其发展
对于中直径焊接管线管,多以ERW、SAWH焊接钢管为主,大直径管线管以SAWH、SAWL焊接钢管为主。不同管种由于其采用的原材料和制管技术水平的不同而存在差异性。
1)原材料制造技术
对小直径ERW管线管,控制带钢中部分层,能有效避免分条后焊接边部出现的缺陷;控制窄带钢尺寸及板形将会为焊接钢管的质量提供保证。具有良好加工性能和低硬化性的钢卷材料的开发为小直径焊接钢管在机械加工及结构工程领域的应用提供了保证。
中直径ERW管线管,多以X52~X65钢级为主,其能够制造的钢管最高钢级为X80。通常需要具有高的强度和优良的低温韧性。具有领先技术的日本JFE公司针对X80钢级ERW管线管,通过降低C含量,以减少热轧板在卷取温度区间内珠光体和马氏体等较硬相的析出,从而获得具有均匀贝氏体和铁素体组织的X80钢级管线钢,并经过制管获得焊缝和管体性能优良的X80钢级管线管,其韧-脆转变温度低于-50℃。
大直径SAW管线管以X60~X100钢级为主,X120钢级是其现阶段所能达到的最高钢级。2004年,美国美孚公司在加拿大-30℃冻土地带采用新日铁公司生产的X120钢级管线钢建成了世界首条X120钢级管线管示范段。与X80钢级相比,X120钢级的强度提高了近50%,管线工程成本节省约10%,成为市场引导技术进步的典型实例。日本新日铁公司因此成为国际上最早开发出X120钢级焊接钢管的厂家之一,其由冶炼到制管的一贯制研发,为具有高强度、良好塑性和焊接性产品的开发提供了技术保证。宝钢曾采用微合金化及强冷控制技术制造出X120钢级钢板,经河北巨龙钢管有限公司制成Φ914 mm×16 mm焊接钢管,并经中石油管材研究所测试,其力学性能及冲击韧性、落锤撕裂等性能指标满足标准要求,成为国内第一家具备X120钢级管线钢生产能力的企业。焊接管线管的发展与管线钢制造是密切相关的。20世纪70年代,控轧技术的应用使得以Nb、V微合金化为主要技术手段的X70钢级管线钢制造得已实现。到80年代,控轧控冷技术的应用,使管线钢的可生产钢级提到X80。近几年,利用添加微合金、采用控轧及强制加速冷却技术,使管线钢的钢级提高到X120,焊接管线管也随之发展进步。
2)制管工艺技术
焊接钢管是以钢卷(板)为原料,经过不同的冷加工成型为管筒状,然后经焊接(主要以电阻焊接和埋弧焊接为主)成钢管。以中等直径ERW焊接钢管为例,规格通常以Φ355.6~660.0 mm(14~26 in)为主,产品主要为油气开采用套管、支管网输送用管线管及机械用管。制造工艺及技术线路的差异性直接决定着产品的基本属性。图4所示为国内外中直径ERW焊接钢管典型机组的工艺流程。图中所示的产品以管线管为主导,但延伸有所不同,日本新日铁公司和宝钢兼备生产石油套管产品,其在板管一体化技术、检测技术和管加工技术方面具有明显优势;韩国SeAH公司兼备制造输送用镀锌及结构钢管产品,其在钢管镀锌技术方面呈现出优势;日本JFE公司以引领高端、厚壁管线管为先导,其在板管一体化技术、焊接技术及厚壁管检测技术方面具有明显优势。上述厂家产品的差异化体现在从钢的冶炼、轧制到成型焊接及检测技术的各个环节,只是工序技术手段有所不同。
一般而言,对于输送用管线管产品,长输大直径管线以SAWL焊接钢管为主,集输及管网中直径管线以SAWH、ERW焊接钢管为主。在同一管型焊接钢管中其技术线路类同,因而在材料研发、焊接质量保障及检测技术中的工序技术成为产品主导的核心要素;对于不同管型,其材料的成分及特性、变形技术、焊接机理及检测技术成为提升产品竞争力的所在。
2.2机械用焊接钢管
2.2.1产品应用
焊接钢管由于采用热轧带钢制造,其壁厚及几何尺寸精度相对较高,加之材料冶炼技术及成型制管技术的发展,高强度、高韧性以及具有良好加工性能的多用途焊接钢管相继得到开发和应用。机械用焊接钢管主要以小直径焊接钢管为主。在此仅以汽车用管和机械加工用厚壁管为例进行阐述。
(1)汽车传动轴用钢管,主要满足汽车传动轴对载荷传递和安全性的要求,需要钢管尺寸精度高、壁厚均匀、焊缝内外毛刺清除良好,以保证传动轴良好的动平衡性和抗疲劳性能要求。同时为了满足对车体减重和日益增加的安全性需要,强度的提高成为发展方向之一。日本住友公司在制造一般用途用500 MPa强度等级传动轴的基础上,开发出700 MPa强度等级的汽车传动轴用焊接钢管,从而使部件重量减轻13%,扭转疲劳寿命大大提高,尺寸、可焊性及变形性能良好。目前,国内汽车传动轴多采用440~570 MPa和480~580 MPa强度等级的焊接钢管,而高强度传动轴用焊接钢管尚处于研发和应用阶段。
(2)汽车梁和平衡杆用钢管,主要需满足对抗疲劳性、韧性及钢管弯曲性的要求,日本JFE公司开发了高速焊接及最优减径技术的HISTORY焊接钢管,采用在张力减径和定径前对钢管进行热处理,从而获得抗疲劳性、低温韧性和弯曲加工性能优良的焊接钢管,用于汽车底盘零部件,可使车重降低20%~30%[8]。国内在该方面的技术尚为空白。
(3)缸体、支柱等配件用机械用管,采用焊接钢管而具有良好的尺寸精度和表面质量,能有效降低再加工的材料消耗和工序成本。日本住友公司曾对其Φ50.8 mm焊接钢管机组进行技术改造:改进其成型技术、采用三辊定径技术和多通道UT检测技术,研发出t/D最大达25%的机械用焊接钢管,机组改造后的产品规格范围如图5所示。
2.2.2产品发展
机械用焊接钢管以中、小直径ERW焊接钢管为主,并以几何尺寸精度高和焊缝光滑而得到普遍认可。国内中小直径ERW焊接钢管具有生产机组多、产品种类多、使用领域广泛的特点,而在制造上产品种类简单,输送管以GB/T 3091为代表,结构管以GB/T 13793为代表,汽车传动轴以YB/T 5209为代表。在产品使用和选择上单一类同,这与现今的产品标准单一状况相似,与引导产品潜在功能的最大化使用的发展目标不一致。在日本焊接钢管产品中,针对不同种类和不同的环境工况制定有相应的产品标准(图6),方便市场对焊接钢管产品的选择性使用,避免在标准选择上的泛泛而论,以最大程度应用产品附加属性来满足使用要求。
2.3油套管用焊接钢管
套管用焊接钢管以Φ508 mm(20 in)以下规格产品为主。具有典型代表的日本JFE公司,采用ERW焊接钢管制造出H40、J55、K55、N80、L80-1及C95钢级石油套管,并形成JFE系列特殊油井管,即用于一般用途的JFE-40E、JFE-55E、JFE-80E钢管和用于高抗挤的JFE-80ET钢管。其力学性能见表2。
套管用焊接钢管由于尺寸精度高、材料组织性能均匀,在抗压溃性能、残余应力及管端加工性等方面呈现明显的优势。产品规格、钢级按照API Spec 5CT标准形成系列化。根据文献对ERW焊接钢管及无缝钢管残余应力及压毁性的对比研究,ERW套管的外径变异系数是无缝钢管的1/2,ERW套管的抗外挤毁强度超出了API BUL C3计算名义值的70%,无缝钢管仅超出了15%~32%。故焊接套管在抗压溃性、密封性及焊缝耐腐蚀性等方面具有广阔的应用前景。
油管用焊接钢管以Φ114.3 mm以下规格为主。连续油管(Coiled-Tubing,简称CT)是国内焊接钢管的一个新领域。国外在20世纪60年代制造出Φ19.05 mm连续油管,到90年代已制造出外径为168.3 mm的连续油管,材料由高强度低合金钢到复合材料,屈服强度由345 MPa到960 MPa。连续油管在降低作业成本、增加油井产量及进行海上作业方面具有明显优势。2009年国内某公司开发出CT80钢级Φ31.8 mm×3.18 mm×7 000 m的HFW连续油管,填补了国内焊接连续油管的制造空白。
3焊接钢管技术的发展方向
焊接钢管在发展过程中,需要关注的几个方向:①用于焊接钢管的材料技术的发展;②焊接钢管的制造技术的发展;③焊接钢管的附加应用技术的发展。图7简要展示了焊接钢管结构调整的阶段性技术需求。
4结语
焊接钢管制造技术延伸到应用技术领域是产品专业化发展的方向之一。应从产品使用的特性要求结合加工制造技术的特点进行材料及性能控制,以最为经济的手段制造满足使用要求的产品;同时应从产品制造技术改造着手,提高产品的使用寿命,引导市场的功能性应用。
焊接钢管制造技术的延伸加工是产品全面多元化的途径之一。应进行焊接钢管产品制造流程的差异化延伸加工,引导产品技术的多元化发展。改变重焊接钢管生产主线,轻精整、延伸加工工序,以及同一类型机组的重复引进现象,最大限度地发挥机组的潜在能力。
多元化技术将成为顺应国内经济发展的方向。我国已成为焊接钢管生产的大国,但与日本、韩国等国焊接钢管生产的发展存在明显差异。日本的焊接钢管生产是以高档产品和技术领先为标志;韩国的发展是以产品全面化和技术的差异化为典型;美国是以产品应用及技术信息和标准化技术为核心。而我国焊接钢管的产品及技术趋于类同,规模巨大,同质化竞争激烈。在金融危机环境下,应及时转变生产模式,走符合国情、低碳环保、可持续发展的健康之路。