全球能源变换及管线钢的发展趋势

潘家华 （中国石油天然气管道局,河北廊坊０６５０００）
摘要：简要分析了全球能源变换的趋势,指出２ｌ世纪人类所用的能源主要有核聚变能源和 天然气水合物两大类。分析了我国目前的能源现状,指出我国的天然气资源较石油资源更为 丰富。天然气主要采用管道输送,为高效经济地输送天然气资源,开发高强度Ｘ８０,Ｘ１００和 Ｘ１２０级管线钢十分必要。目前,发达国家已先后建成多条Ｘ８０级输气管线和若干条Ｘ１２０级 ‘输气管线试验段。我国也于２００６年试制成功ｘ１２０钢级、１６ ｍｍ钢板,并试制出合格的直缝埋 弧焊钢管。预计在２０１０～２０１５年,Ｘ８０,Ｘ１００和Ｘ１２０级管线钢管将会广泛应用于输气管线。 关键词：能源变换；核聚变能源；天然气水合物；高强度管线钢；天然气输送

１全球能源的变换

   管道工业以输送天然气、石油、成品油等能源 为主要任务,管线钢的发展趋势必须顺应未来能源 的变化。预计从２１世纪２０年代开始全球能源将 发生巨大的变化,那时人类所使用的能源主要有核 聚变能源和天然气水合物两大类。

１．１核聚变能源

   氢的同位素氘（Ｄ）和氚（Ｔ）的原子核相聚碰撞 时,会结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和 １７．６ ＭｅＶ的能量,人类可以利用这种能量来发电, 太阳上的核聚变反应已经持续５０亿年,所以人们 又称这种核聚变技术为“人造太阳”。
    １９８５年１１月,美国、前苏联、日本、欧共体四方 启动国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ）项目计划,以后 中国、韩国、印度陆续加入,目前七方共同合作开发 研究。最近中国在安徽省合肥科学岛及四川相继 进行初步试验,并取得进展,迈出了可喜的第一步, 估计几年后会在法国再次进行试验。核聚变不仅 无污染,而且在地球上的资源足够人类用上数十亿 年,同时核聚变的废料无任何放射性,预计此项技 术最早会在２ｌ世纪３０年代开始进入实用阶段。

１．２天然气水合物

    天然气水合物被誉为２１世纪的新能源,１ ｍ３ 天然气水合物蕴藏的能量相当于１６４ ｍ３天然气的 热值,据称在世界大洋中天然气水合物的总量换算 成甲烷气体,高达２×１０１６ ｍ３,其含碳量比迄今世界 上所有已知石油、天然气、煤炭矿产多２倍。
２００７年５月１日凌晨在我国南海北部成功 钻获天然气水合物样品,此项工作由国土资源部 中国地质调配局统一组织,由广州海洋地质调查 局具体实施,委托辉固国际集团公司Ｂａｖｅｎｉｔ号钻 探船承担钻探,初步估计我国南海北部陆坡天然 气水合物远景资源可达上百亿吨油当量。
我国海域面积４７０多万平方千米、海水平均 深度９６１ ｍ,有非常好的天然气水合物的开发前 景。除海上外,经初步勘测,在我国青藏高原也有 着极为丰富的天然气水合物资源。据有关专家估 计,在发达国家,２０１５年将会用上由天然气水合 物制成的天然气,估计相隔数年后,中国也将会大 量使用由天然气水合物制成的天然气【ｌ。４Ｊ。

１．３全球能源消耗和我国能源状况

目前人类消耗的能源中,石油占居第一位,天 然气占居第二位,但估计不久以后,天然气将占居 首位,而石油会位居第二。从全球看,天然气资源 远比石油丰富,我国更是如此。
近年来,我国先后三次做过全国性油气资源 评估。第一次在１９８６年,第二次在１９９４年,第三 次,也是水平最高的一次,于２０００年开始,２００４ 年底结束。
从第三次全国性油气资源评估结果来看,石 油资源并不乐观,可采储量约为６７×１０８ ｔ,可采 资源探明率约为４４．７％。从资源看我国石油产 量预计在２０１０～２０２０年间能维持在（１．８～２）× １０８ ｔ／ａ。
与石油资源相反,我国天然气资源情况十分 乐观,天然气储量达４７×１０１２ ｍ３,可采储量预测 可达１４×１０１２ ｍ３,我国天然气就资源看在世界上 名列前茅。我国天然气产区在陆上主要位于塔里 木、四川、陕甘宁、准噶尔、柴达木等高原边远地 区,在海上位于南海、东海、渤海等海域＂。６ Ｊ。 此外,最近二三年许多石油专家认定在北极 地区有着极为丰富的天然气资源,领土在北极或 靠近北极的一些国家,如美国、加拿大、挪威等都 加紧准备开发北极地区的天然气。
总之,２１世纪全球能源并不短缺,利用核聚 变产生的能源发电和天然气将在本世纪“并驾齐 驱”,成为主要能源。本世纪的前二三十年,在核 聚变能源进入实用阶段之前,能源使用会以天然 气为主,早期将依靠地下天然气资源,后期直至本 世纪末,将会共同使用天然气水合物和天然气地 下资源。
核聚变发电靠高压电网输送至用户。而天然 气主要靠管道输送。如何经济、可靠地建设天然 气管道,管道用钢的发展、钢管制造以及管道建设 技术等是全国管道工作者、冶金工作者以及制管 工作者的共同责任。

２管线钢的发展趋势

天然气管道,尤其是长距离天然气管道用钢 将会向高强钢发展,高强钢（ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ简 称ＨＳＳ）主要指Ｘ８０,Ｘ１００和Ｘ１２０三种钢级,多 数管道专家,包括笔者在内,预测若干年后Ｘ１２０ 级管线钢在用量方面可能占第一位。
采用高强钢的优势有以下几方面：
（１）当输量确定以后,如采用高强钢钢管输送,可提高输送压力,从而使管径减小、管壁减薄, 因此管道所用的钢管质量减小。再者高强钢,尤 其是Ｘ１２０钢级,其屈服强度上升幅度大,而单位 质量的价格上升幅度小,使管道用钢管的投资有 较大幅度的降低。
（２）由于管径减小、管壁减薄使施工时开沟 费用减小,所使用的焊条费用减少,环焊缝施工费 用减小,内、外涂层用量及施工费用减小,钢管由 工厂运往工地的运输费用也减少……总之,采用 高强钢可大幅度降低施工费用。
（３）输送压力提高以后,压缩机站的站问距 增大,同时因输送压力高、天然气密度大而使压缩 机效率提高,能耗减小。
由于以上所述经济效益的驱动,相信高强度 管线钢将来会在世界范围内广泛应用。
１９９３年德国Ｒｕｈｒｇａｓ公司在世界上首先建成 长度为２５０ｋｍ的Ｘ８０钢级输气管线,以后加拿大 Ｔｒａｎｓ Ｃａｎｓｄａ公司、英国Ｔｒａｎｓｏ公司、美国Ｅｌｐａｓｏ 公司先后又建成数条Ｘ８０钢级管道。目前已建 成的Ｘ８０钢级输气管道总长度大约有２ ２００多 ｋｍ,其中最长的一条达６２０ ｋｍ,由美国Ｅｌｐａｓｏ公 司建设。
２００４年Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ公司在加拿大一３０℃冻 土地带建成了世界第一条Ｘ１２０钢级输气管道, 目前Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ正在与日本新日铁及住友两家 公司合作进一步完善Ｘ１２０钢级,准备建设由 Ａｌａｓｋａ北端向南穿过加拿大至美国本土的长距离 输气管道,现已建成试验段若干条,做了包括止裂 试验在内的多种试验和理论研究Ｔ作。
２００５年我国宝钢集团开始攻关Ｘ１２０钢级, 并于２００６年１２月试制成功Ｘ１２０钢级、厚１６ ｍｍ 的钢板,河北巨龙钢管公司进行了数十次焊材匹 配试验,最终成功试制出合格的直缝埋弧焊接钢 管。当然在这方面,包括冶炼、轧板、制管还有很 多工作要做,世界上多数专家预计,在２０１０年至 ２０１５年期间,Ｘ８０,Ｘ１００和Ｘ１２０级钢管均会广泛 地应用于输气管线。

３  Ｘ１２０级管线钢的化学成分和力学性能

Ｘ１２０级管线钢的主要化学成分和力学性能 见表ｌ和表２。
国外著名的钢铁企业所做的大量试验表明, Ｘ１２０级管线钢在按规定的化学成分加Ｂ以后,抗拉强度为９３１—１ ０２０ ＭＰａ；一４０℃时的冲击韧性 值为２８０～３３０ Ｊ。
如同样的化学成分只是不加Ｂ,则：抗拉强度 为９７０～１ １３０ ＭＰａ；一４０℃时的冲击韧性值为７０ ～１５８ Ｊ。
由以上数据看出,加Ｂ以后抗拉强度及冲击 韧性值均合格,而不加Ｂ冲击韧性不合格,此外 加Ｂ后热影响区（ＨＡＺ）冲击韧性亦佳,一般可在 ２２０—３２０ Ｊ之间。
有很多读者提出,根据通常的概念,钢中Ｃ 含量增加以后马氏体会增加,相应的强度值增加, 为何Ｘ１２０级高强钢含ｃ量规定值仅小于或等于 ０．０４％？为何不采取提高Ｃ含量增加强度值的 办法？据笔者了解,按现有Ｘ１２０级管线钢的冶 炼、轧制工艺,目前的Ｃ含量已完全可以满足强 度要求而不必再增加,且低Ｃ可提高钢材的可焊 性。据了解Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ公司研制Ｘ１２０级管线钢 时,当ｔｏ（Ｃ）增加至０．１％时强度极限可达１ ２４０ ＭＰａ,但Ｘ１２０级管线钢的强度极限要求仅为９３１ ＭＰａ,因此。ｔｆＪ（Ｃ）＝０．０２％一０．０４％是适当的。
由于含Ｃ量低,可焊性好,所以一些公司较 快解决了Ｘ１２０级管线钢的焊接（包括直缝和环 缝）问题。据了解Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ等公司采用咖１．２ ｍｍ焊丝、ＣＯ：气体保护焊,环境温度２０℃,湿度 不大于６０％,并选用不同的两种焊丝进行试验, 结果均合格。Ａ焊丝的屈服强度及抗拉强度分别 为８２９ ＭＰａ及９５６ ＭＰａ,Ｂ焊丝的屈服强度及抗拉 强度分别为８４４ ＭＰａ及９９３ ＭＰａ,两种焊丝焊前均 不必预热,焊后亦无裂纹产生。
据了解Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ等公司在研制出Ｘ１２０管 线钢板以后,很快试制了Ｘ１２０级钢管。在ＵＯＥ 成型过程中,Ｕ成型时曾发生较大的回弹（ｓｐｒｉｎｇ ｂａｃｋ）,以致Ｏ成型难以进行,后来采取增加ｕ成 型深度的办法解决了ＵＯＥ钢管的制造问题,钢管 各项指标均合格。

４Ｘ１２０级管线钢的研究成果

管道经过地震区,尤其是断层、永冻层、滑坡 地区等以应变为基础的设计地区,必须考虑钢管 的变形能力（ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ）。所谓变形能力 指管材达到屈服强度以后,均匀拉长至将断裂时 突然变细然后断开,管材均匀延伸的能力称为变 形能力,又称抗大变形能力,这方面国外许多专家 已取得很多可喜的研究成果。此外,在全尺寸爆 破试验及止裂方案等方面也取得一些成果,并建 成若干条Ｘ１２０级管线试验段,至今运行良好。 预计在不久的将来,Ｘ１２０管线钢将会广泛应用于 天然气管道输送行业＂Ｊ。
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作者简介：潘家华（１９３０一）,男,教授,中国石油天然气管 道局高级顾问,中国石油管道公司高级顾问,上海交通大 学、天津大学、中国石油大学等６所高校兼职教授,中科 院金属研究所客座研究员。 收稿日期：２００７—０８—２９ 编辑：谢淑霞　　http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hg200801002.aspx www.docin.com
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