本文介绍大口径钢管制造工艺、钢管性能要求和上游工序的技术进步。
1 钢管制造方法概要
1.1 大口径焊接钢管的制造方法
大口径钢管是由厚板、热轧板经过成形、焊接而成。制造方法首先按焊接法分类，将采用高效率和可靠性高的埋弧焊（submerged arc welding）钢管称为saw钢管。本文讨论的大口径钢管主要以这种saw钢管为对象。saw钢管又分为纵向焊接的埋弧焊直缝钢管l-saw和螺旋焊的埋弧焊螺旋钢管h-saw。l-saw钢管有适合大批量生产的uo成型法、适合品种多量少的弯曲辊法和压力机床法。
jcoe成型法是介于uo成型法和压力机床法之间的方法。在压力的最末段是否有扩径工序对钢管性能有很大影响，有无该工序也是分类方法之一。h-saw相当于螺旋焊管，将板卷状的钢板成型为螺旋状，再焊接对接部位而成。除采用成型、定位焊接后再进行saw的传统方法外，为了获得高生产率和高质量的钢管，也可采用定位焊接后在其他生产线进行saw的两步螺旋焊法。
1.2 uo钢管的制造方法
uo钢管的原料通常使用厚板，有时也使用剪切的热轧带卷。对钢板进行焊缝坡口加工的方法有：预弯边（用c形压力机将钢板边缘弯曲到接近制品曲率）；u成型（用u形压力机将钢板压成u形）；o成型（用o形压力机冷成形为o形）。加工后，采用gmaw（gas metal arc welding：熔化极气体保护电弧焊）等方法对焊缝进行定位焊接，从内外面采用saw焊接焊缝后，进行约1%的扩径。在提高正圆度的同时，消除焊缝部位的残余应力，这种方法一般称为uoe成型法。为了衡量钢管的完好程度，采用1%的塑性变形不出现破裂作为衡量指标。
1.3 螺旋焊管的制造方法
螺旋焊管轧机是由开卷机、成型机、内外面焊接机、超声波探伤机及飞剪等设备构成。一般使用热轧带卷作为原料，也使用斯特克尔式轧机生产的热轧钢板。通常先焊内面，旋转0.5或1.5转后焊接外面，一般采用埋弧焊接法进行焊接。螺旋焊制管法是从连续成型到焊接，经飞剪，采用气体切割法或等离子切割法剪切成规定长度。然后，进行端面加工，无损探伤、二次加工及外观尺寸检查等工序。
2 性能要求
2.1 管线钢管性能要求
使用管道输送原油和天然气，特别是在确保气体管道安全性上，要求管线钢管具有高技术特性。天然气基本是用管道输送，长距离输送可以降低液化天然气（lng）的输送成本。当输送量为10bcm/a时，使lng成本比较合理的输送距离是3000km。当输送量为25bcm/a时，合理值为5000km。如果增加气体输送量，管道输送就会增加成本优势。此外，如果采用高压输送，例如将管道的进站压力从原来的10mpa增加到14mpa，管道输送的运距可变长。用于这种管道的大口径管线钢管要求具有下述技术特性。
2.1.1 高内压
为了增加气体输送量，可以在同一输送气体压力下扩大管道内径，或在同一管道内径下提高输送气体压力。为了控制管线建设成本，多采用高压输送气体。陆上的管线一般使用10mpa。西气东输二线干线管道设计压力是12mpa，阿拉斯加管线项目设计压力是15mpa。由于海底管线钢管在中途难以设置空气压缩站，所以用更高的压力输送。陆上管线钢管也计划提高输送压力，但空气压缩机等周边机器的维修、降低空气压缩机运转能耗以及确保安全性也很重要。
如果用近似薄壁圆筒式表示钢管的周向应力σ，那么σ=pid/2t（pi：内压；d：直径；t：壁厚），可见加大对总壁厚的应力，就会提高内压。这样就存在加大壁厚或提高强度两种选择，因此要求管线钢管厚壁化和高强度化。在相同直径下，提高强度可以减少管壁厚度。不论是哪种条件，提高强度还可降低每单位长度的钢管重量。即使重量降低率不大，一般也可降低钢材成本，进而降低钢管的运输成本、敷设沟的挖掘和圆周焊接成本。
在这种情况下，开发并应用了高强度管线钢管。代表性的管线钢管标准是2007年版的iso 3183，在原来x80级以下基础上，补充了x90、x100、x120。
近几年，x80级钢管需求量急剧增加。在降低管道建设成本的需求下，现场圆周焊接从手工焊变为gmaw自动焊，提高了焊接效率，高强度钢的焊接低温裂纹也不再是难题。
随着高强度趋势的发展，出现了最基本的强度测定问题。管线钢管的级别规定，表示承受内压性的参数为圆周屈服强度（c-ys），但测定钢管的c-ys比较困难。正确的圆周强度的测定有膨胀环试验，但不适用大量的测定。作为小型试验，一般将圆弧状剪切的材料，制备成扁平全厚度试样，进行强度测定。x65级以下扁平试样的强度变化小，但对于x80级以上，材料的加工硬化变小，扁平试样的鲍辛格效应明显，存在用扁平试样测定的ys比实际ys低的问题。
此外，x80级以上不使用扁平拉伸试样，而多采用可加工的圆棒试样，各标准都认可圆棒试样。但是，圆棒试样的值只表示壁厚方向的一部分，必须认识到与全壁厚的值有些不同（ts低）。以前api标准中，对油井管、管线钢管ys的定义是0.5%轻负载屈服强度。例如，x120是0.65%轻负载屈服强度；x100是0.60%轻负载屈服强度接近ys。在iso 3183中，x90级别以上使用位移0.2%的屈服强度。但是，加拿大标准csa中，x100的屈服强度为0.5%轻负载屈服强度，比位移0.2%的屈服强度值稍低。
2.1.2 高韧性
随着极地的开发，要求更低的低温韧性。加拿大北部敷设的管道韧性保证温度一般为-5℃，但极地的陆上管道有的要求-60℃。而且，还要考虑当管道破裂后，气体喷出时隔热膨胀导致温度降低的情况。
输气管道的低温韧性，应该考虑裂纹发生及其扩展的高速延性断裂。从现场圆周焊接部位的焊接缺陷发生裂纹的可能性极高。因此，规定了焊缝部位的焊接金属、焊接热影响区（haz）的韧性。在iso 3183中要求x80级以上的焊缝部位的焊接金属和haz达到40j以上的v型缺口冲击值。近年dnv-os-f101规范要求45j以上。以前很少用裂纹发生特性的断裂力学性能值ctod评价管线钢管的焊缝韧性，但现在有增加的趋势。
另外，内面焊接形成的粗晶粒haz，由于又进行外面焊接，两相区经受再加热的irog-haz部位的韧性低，要提高该部位的韧性比较难。但是，uoe钢管在塑性区域进行扩管，并且在该部分用ust探伤，不存在约1mm以上的裂纹。一般情况下，对基于dnv-os-f101等规定的ctod≥0.15mm的断裂力学计算进行安全性评价时，常常是要求值远大于需要值。因此，尝试采用浅缺口ctod试验和sent试验。此外，考虑到拘束应力，认为采用等效ctod评价方法也有效。
输气管道即使破裂，内压也难以降低，所以如果一旦发生裂纹，不稳定性扩大。使该裂纹止裂的必要条件是裂纹传播面首先成为延性破坏主体，裂纹扩展速度慢慢降下来，且比减压速度慢。因此，dwtt的韧性断面率要求在85%以上。一般多用巴特尔二维曲线法计算所需夏比冲击值。可以说，dwtt的传播能或预裂dwtt能比夏比冲击值更适合，高强度钢管很难预测夏比冲击值。近年来，也尝试用ctoa来评估。但是，有时高强度管线钢管很难使钢管自行停止裂纹扩展，这种情况下以一定间隔采用裂纹制止器。
2.1.3 高变形性
管道必须耐相当于最小屈服强度（smys）的72%、80%等的设计内压。因此，原来只考虑弹性变形来规定圆周强度。但是，在管线设计时应考虑到海底管线的s-lay（海底管道s型敷设法）时发生的钢管弯曲，地震导致的地层变动和不连续冻土地带的季节性地层变动，以及管道发生的塑性变形等。这些特性对钢管纵向强度特性的影响比圆周强度大。钢管本体因弯曲和压缩发生压曲的变形值大。
弯曲变形时压缩侧发生的压曲首先是受钢管直径/壁厚比的影响很大，如果d/t小，压曲变形极限（压缩变形极限）就大。在同一个d/ t时，降低屈服比（y/t），增加加工硬化系数（n值）和均匀伸长率（uel），能提高压缩变形极限。拉伸应变极限和钢管力学性能的关系不太明确，但钢管纵向的ys比圆周焊接金属的ys低。为了达到这一目的，有时设定纵向ys（l-ys）标准下限值比圆周c-ys标准下限值低。变形性能与低温韧性成为高强度管的研究课题。
管线钢管在外面施以防腐涂层，特别是近年来常用的环氧树脂涂料（fbe）。钢管冷成形产生应变时效，应力-应变曲线发生变化，强度上升。有的情况要求，涂层前后的强度特性满足要求值，且不产生屈服延伸。有报道称，如发生屈服延伸，内压降低时压缩变形极限变小。
2.1.4 高压溃性
深海敷设管道，钢管有可能被水压压溃。如果水深超过2000m，压溃压力成为第一设计要素。不进行高压操作（没有内压）时不产生压溃（安全率1.41），即要求管线钢管具有高压溃性。由于弯曲应力降低压溃值，所以，设计时也要注意弯曲应力对其的影响。压溃值在很大程度上受d/t的影响，所以为防止钢管压溃，使用d/t小的钢管。低d/t，即钢管径（d）变小，输送量降低；若钢管壁厚（t）变大，使用厚壁钢管。因此，深海项目要求超厚壁钢管。
近年来，在黑海（最深处2150m）、地中海（最深处2160m）建设了水深2000m以上的深海管线，并计划建设穿过深海的第4条地中海管线（最深处2800m）。
2.1.5 耐酸性
原油和天然气中常含有硫化氢（h2s）。如果钢裸露在湿润硫化氢环境（酸性环境）中，大量的氢侵入到钢中，会引起各种形态的氢脆化。管线钢管代表性的损伤形态是氢致裂纹（hic），日本开发了将钢材浸渍在h2s气饱和的人工海水（ph=5）中的方法，称为bp试验。后来这种hic试验已作为nace标准tm0284（1984年制定）。但是，在该溶液中，cu添加入钢中易形成硫化物，虽抑制了氢侵入，但存在不能正确评价裂纹敏感性的问题。
其后，将油井管硫化物应力腐蚀试验评价使用的ph值低的h2s饱和溶液0.5%ch3cooh+5%nacl（一般nace溶液，初期ph值2.7，试验结束时上升到4.0 ）用于hic试验。现在将后者称为a溶液，前者称为b溶液，记录于tm0284修订版中。近年来，大部分要求用a溶液进行hic试验，要求clr（裂纹长度率）≤0.15%。
酸性环境是腐蚀环境，所以一般使用耐酸管线钢的管道。当使用抑制剂时，可以应对最高腐蚀速度0.1-0.5mm/a的情况。因此，采用比按设计压力计算的壁厚还要厚的钢管。即使输送含h2s的气体，如果是脱水后也不会腐蚀，不引起氢侵入。如只是为了应对脱水设备出现故障的情况，可以不考虑腐蚀量而采用高强度钢管。在这种条件下，也可使用具有耐酸性的x80级钢管。
2.1.6 高耐腐蚀性
当含水量高，二氧化碳分压高，抑制腐蚀作用的油分少时，根据环境采用13cr、双相不锈钢、镍基合金等耐蚀性材料。由于镍基合金价格昂贵，所以仅钢管内面使用耐蚀合金层，耐压材料的表面大部分使用低合金钢管的复合钢管。广泛使用压力机床法成形轧制包覆，焊接管缝后热处理的钢管和将耐蚀内管机械插入外管的钢管。目前也有利用uoe工艺开发出高镍合金复合钢管的报道。另外，还开发了13cr的uoe钢管。
2.1.7 现场焊接的ut化
大口径管线钢管的现场圆周焊接后的无损检测使用自动ust。为了安装机器的导向装置，要求在工厂切削内外面管端部管缝焊道的情况增加，需要实现切削自动化和高效化。
2.2 土木建筑用钢管性能要求
日本国内螺旋焊管主要用于土木建筑、自来水管道等领域。特别是钢管桩、钢管板桩用占很大一部分。作为制品，大多要求有助于提高制品附加值的附属品加工和涂层。通过将抗拉强度优越的钢管与压缩强度良好的混凝土结合，提高结构件的力学性能。为提高钢管和混凝土的结合力，要求采用网纹热轧带卷的螺旋焊管。涂层要求采用防止腐蚀的聚乙烯、聚氨酯涂层。
3 上游工序的技术进步
3.1 炼钢技术的进步
为了实现管线钢管的高韧性、耐酸性能，要求高纯度和高洁净度的钢液。为了抑制发生hic，应抑制mns的生成，从而采用真空脱气法、喷粉生产低硫钢技术。20世纪80年代中期，各钢铁公司确立了控制硫含量10ppm以下的技术，并确立了将mns改质为cas的ca添加技术。
降低连铸板坯的中心偏析对抑制hic非常重要，研究表明，可以采用缩短辊间距、板坯凝固末端轻压下等技术降低中心偏析。连铸机的垂直段对夹杂物上浮影响很大。
3.2 厚板制造技术的进步
3.2.1 tmcp
tmcp技术是与高级管线钢管制造同步发展起来的一项技术。控制轧制后的加速冷却从20世纪80年代开始工业化，从x60到x65、x70级管线钢的高强度过程中，耐酸钢材和管线钢的加速冷却利用率显著提高。其后，引入了旨在进一步快速冷却和均匀冷却的第二代加速冷却设备，例如，super-olac（1998年，福山厂）和clc-μ（2006年，君津厂）等。控制冷却的目标是生产材质均匀的厚钢板，也有在加速冷却后面设置感应加热装置的在线热处理设备（hop），用于进行快速加热，是tmcp条件多样化的应用实例。
3.2.2 组织控制
用加速冷却生产的x60、x65级管线钢的主体组织是由奥氏体相变的铁素体组成。但是，低碳钢中第二相的比率低，所以铁素体主体组织无法高强度化。因此，x80级以上管线钢应适用于贝氏体系组织。从焊接性的观点，用含c量 0.03%-0.08%的钢液制造高强度管线钢管，并使用低碳贝氏体钢。这些钢的50%相变温度和抗拉强度的半定量关系。例如，x120级管线钢管是用约在400℃发生相变的含c量0.04%的下贝氏体钢或在约500℃发生相变的含c量 0.06%的上贝氏体钢获得强度。x100级是在550-600℃发生相变的含c量 0.06%上贝氏体+粒状贝氏体钢获得强度。x80级是600-650℃发生相变的粒状贝氏体钢获得强度。
适用x120级管线钢管的下贝氏体钢中碳对强度的影响大，板坯加热时引起异常相变，有时变成粗奥氏体晶粒。低碳贝氏体组织易达到高强度，一般测定的夏比低温韧性良好，但存在dwtt性能有时低，加工硬化小等缺点。为了弥补这些不足，也有在贝氏体主体组织引入ma组元（马氏体-奥氏体）和多边形铁素体的情况。此外，细化扁平奥氏体晶粒厚度也可以改善低温韧性。
随着ma比例提高，钢板y/t（屈服强度/抗拉强度）降低。淬透性高的低碳钢，在加速冷却状态生成少量的ma。使用hop，如相变途中再加热，碳向未相变的奥氏体相扩散，ma比例提高。当然，如用uoe工艺将钢板成形，由于冷加工强度发生变化，所以钢板y/t低，钢管y/t不一定也低。c方向是主要变形方向。依据钢的不同，各变化幅度也不同。随着铁素体比例的增加，dwtt韧性断面率提高。用加速冷却将钢板冷却到低温区域时，铁素体比率的变化对抗拉强度的影响不大。这是因为如果提高铁素体比例，碳向周围的奥氏体相浓缩，成为高强度的低温相变组织。
3.3 高强度管线钢管热轧钢板制造技术的进步
螺旋焊管的管线钢管口径大，所以大多是厚壁钢管，高强度化的优点不易显现。近年来，为了生产20mm超厚热轧带卷，有增强卷取机能力、强化水冷设备的轧机。但是，与厚板轧制相比，热轧工序的低温控制轧制限制较多。例如，因轧制速度快提高冷却能力困难，而且，冷却到低温又不易卷取。
此外，还开发了在0.04%c钢中添加0.08%-0.11%nb的htp（high temperature processing）钢，已批量生产。随着nb添加量的增加，cvn能量降低，强度上升，但在约0.1%达到饱和。因此，推测0.1%nb是界限。
