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      全球能源變換及管線鋼的發展趨勢

      潘家華 (中國石油天然氣管道局,河北廊坊065000)
      摘要:簡要分析了全球能源變換的趨勢,指出2l世紀人類所用的能源主要有核聚變能源和 天然氣水合物兩大類。分析了我國目前的能源現狀,指出我國的天然氣資源較石油資源更為 豐富。天然氣主要采用管道輸送,為高效經濟地輸送天然氣資源,開發高強度X80,X100和 X120級管線鋼十分必要。目前,發達國家已先后建成多條X80級輸氣管線和若干條X120級 ‘輸氣管線試驗段。我國也于2006年試制成功x120鋼級、16 mm鋼板,并試制出合格的直縫埋 弧焊鋼管。預計在2010~2015年,X80,X100和X120級管線鋼管將會廣泛應用于輸氣管線。 關鍵詞:能源變換;核聚變能源;天然氣水合物;高強度管線鋼;天然氣輸送

      1全球能源的變換

         管道工業以輸送天然氣、石油、成品油等能源 為主要任務,管線鋼的發展趨勢必須順應未來能源 的變化。預計從21世紀20年代開始全球能源將 發生巨大的變化,那時人類所使用的能源主要有核 聚變能源和天然氣水合物兩大類。

      1.1核聚變能源

         氫的同位素氘(D)和氚(T)的原子核相聚碰撞 時,會結合成一個氦原子核,并釋放出一個中子和 17.6 MeV的能量,人類可以利用這種能量來發電, 太陽上的核聚變反應已經持續50億年,所以人們 又稱這種核聚變技術為“人造太陽”。
          1985年11月,美國、前蘇聯、日本、歐共體四方 啟動國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目計劃,以后 中國、韓國、印度陸續加入,目前七方共同合作開發 研究。最近中國在安徽省合肥科學島及四川相繼 進行初步試驗,并取得進展,邁出了可喜的第一步, 估計幾年后會在法國再次進行試驗。核聚變不僅 無污染,而且在地球上的資源足夠人類用上數十億 年,同時核聚變的廢料無任何放射性,預計此項技 術最早會在2l世紀30年代開始進入實用階段。

      1.2天然氣水合物

          天然氣水合物被譽為21世紀的新能源,1 m3 天然氣水合物蘊藏的能量相當于164 m3天然氣的 熱值,據稱在世界大洋中天然氣水合物的總量換算 成甲烷氣體,高達2×1016 m3,其含碳量比迄今世界 上所有已知石油、天然氣、煤炭礦產多2倍。
      2007年5月1日凌晨在我國南海北部成功 鉆獲天然氣水合物樣品,此項工作由國土資源部 中國地質調配局統一組織,由廣州海洋地質調查 局具體實施,委托輝固國際集團公司Bavenit號鉆 探船承擔鉆探,初步估計我國南海北部陸坡天然 氣水合物遠景資源可達上百億噸油當量。
      我國海域面積470多萬平方千米、海水平均 深度961 m,有非常好的天然氣水合物的開發前 景。除海上外,經初步勘測,在我國青藏高原也有 著極為豐富的天然氣水合物資源。據有關專家估 計,在發達國家,2015年將會用上由天然氣水合 物制成的天然氣,估計相隔數年后,中國也將會大 量使用由天然氣水合物制成的天然氣【l。4J。

      1.3全球能源消耗和我國能源狀況

      目前人類消耗的能源中,石油占居第一位,天 然氣占居第二位,但估計不久以后,天然氣將占居 首位,而石油會位居第二。從全球看,天然氣資源 遠比石油豐富,我國更是如此。
      近年來,我國先后三次做過全國性油氣資源 評估。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年開始,2004 年底結束。
      從第三次全國性油氣資源評估結果來看,石 油資源并不樂觀,可采儲量約為67×108 t,可采 資源探明率約為44.7%。從資源看我國石油產 量預計在2010~2020年間能維持在(1.8~2)× 108 t/a。
      與石油資源相反,我國天然氣資源情況十分 樂觀,天然氣儲量達47×1012 m3,可采儲量預測 可達14×1012 m3,我國天然氣就資源看在世界上 名列前茅。我國天然氣產區在陸上主要位于塔里 木、四川、陜甘寧、準噶爾、柴達木等高原邊遠地 區,在海上位于南海、東海、渤海等海域"。6 J。 此外,最近二三年許多石油專家認定在北極 地區有著極為豐富的天然氣資源,領土在北極或 靠近北極的一些國家,如美國、加拿大、挪威等都 加緊準備開發北極地區的天然氣。
      總之,21世紀全球能源并不短缺,利用核聚 變產生的能源發電和天然氣將在本世紀“并駕齊 驅”,成為主要能源。本世紀的前二三十年,在核 聚變能源進入實用階段之前,能源使用會以天然 氣為主,早期將依靠地下天然氣資源,后期直至本 世紀末,將會共同使用天然氣水合物和天然氣地 下資源。
      核聚變發電靠高壓電網輸送至用戶。而天然 氣主要靠管道輸送。如何經濟、可靠地建設天然 氣管道,管道用鋼的發展、鋼管制造以及管道建設 技術等是全國管道工作者、冶金工作者以及制管 工作者的共同責任。

      2管線鋼的發展趨勢

      天然氣管道,尤其是長距離天然氣管道用鋼 將會向高強鋼發展,高強鋼(high strength steel簡 稱HSS)主要指X80,X100和X120三種鋼級,多 數管道專家,包括筆者在內,預測若干年后X120 級管線鋼在用量方面可能占第一位。
      采用高強鋼的優勢有以下幾方面:
      (1)當輸量確定以后,如采用高強鋼鋼管輸送,可提高輸送壓力,從而使管徑減小、管壁減薄, 因此管道所用的鋼管質量減小。再者高強鋼,尤 其是X120鋼級,其屈服強度上升幅度大,而單位 質量的價格上升幅度小,使管道用鋼管的投資有 較大幅度的降低。
      (2)由于管徑減小、管壁減薄使施工時開溝 費用減小,所使用的焊條費用減少,環焊縫施工費 用減小,內、外涂層用量及施工費用減小,鋼管由 工廠運往工地的運輸費用也減少……總之,采用 高強鋼可大幅度降低施工費用。
      (3)輸送壓力提高以后,壓縮機站的站問距 增大,同時因輸送壓力高、天然氣密度大而使壓縮 機效率提高,能耗減小。
      由于以上所述經濟效益的驅動,相信高強度 管線鋼將來會在世界范圍內廣泛應用。
      1993年德國Ruhrgas公司在世界上首先建成 長度為250km的X80鋼級輸氣管線,以后加拿大 Trans Cansda公司、英國Transo公司、美國Elpaso 公司先后又建成數條X80鋼級管道。目前已建 成的X80鋼級輸氣管道總長度大約有2 200多 km,其中最長的一條達620 km,由美國Elpaso公 司建設。
      2004年Exxon Mobil公司在加拿大一30℃凍 土地帶建成了世界第一條X120鋼級輸氣管道, 目前Exxon Mobil正在與日本新日鐵及住友兩家 公司合作進一步完善X120鋼級,準備建設由 Alaska北端向南穿過加拿大至美國本土的長距離 輸氣管道,現已建成試驗段若干條,做了包括止裂 試驗在內的多種試驗和理論研究T作。
      2005年我國寶鋼集團開始攻關X120鋼級, 并于2006年12月試制成功X120鋼級、厚16 mm 的鋼板,河北巨龍鋼管公司進行了數十次焊材匹 配試驗,最終成功試制出合格的直縫埋弧焊接鋼 管。當然在這方面,包括冶煉、軋板、制管還有很 多工作要做,世界上多數專家預計,在2010年至 2015年期間,X80,X100和X120級鋼管均會廣泛 地應用于輸氣管線。

      3  X120級管線鋼的化學成分和力學性能

      X120級管線鋼的主要化學成分和力學性能 見表l和表2。
      國外著名的鋼鐵企業所做的大量試驗表明, X120級管線鋼在按規定的化學成分加B以后,抗拉強度為931—1 020 MPa;一40℃時的沖擊韌性 值為280~330 J。
      如同樣的化學成分只是不加B,則:抗拉強度 為970~1 130 MPa;一40℃時的沖擊韌性值為70 ~158 J。
      由以上數據看出,加B以后抗拉強度及沖擊 韌性值均合格,而不加B沖擊韌性不合格,此外 加B后熱影響區(HAZ)沖擊韌性亦佳,一般可在 220—320 J之間。
      有很多讀者提出,根據通常的概念,鋼中C 含量增加以后馬氏體會增加,相應的強度值增加, 為何X120級高強鋼含c量規定值僅小于或等于 0.04%?為何不采取提高C含量增加強度值的 辦法?據筆者了解,按現有X120級管線鋼的冶 煉、軋制工藝,目前的C含量已完全可以滿足強 度要求而不必再增加,且低C可提高鋼材的可焊 性。據了解Exxon Mobil公司研制X120級管線鋼 時,當to(C)增加至0.1%時強度極限可達1 240 MPa,但X120級管線鋼的強度極限要求僅為931 MPa,因此。tfJ(C)=0.02%一0.04%是適當的。
      由于含C量低,可焊性好,所以一些公司較 快解決了X120級管線鋼的焊接(包括直縫和環 縫)問題。據了解Exxon Mobil等公司采用咖1.2 mm焊絲、CO:氣體保護焊,環境溫度20℃,濕度 不大于60%,并選用不同的兩種焊絲進行試驗, 結果均合格。A焊絲的屈服強度及抗拉強度分別 為829 MPa及956 MPa,B焊絲的屈服強度及抗拉 強度分別為844 MPa及993 MPa,兩種焊絲焊前均 不必預熱,焊后亦無裂紋產生。
      據了解Exxon Mobil等公司在研制出X120管 線鋼板以后,很快試制了X120級鋼管。在UOE 成型過程中,U成型時曾發生較大的回彈(spring back),以致O成型難以進行,后來采取增加u成 型深度的辦法解決了UOE鋼管的制造問題,鋼管 各項指標均合格。

      4X120級管線鋼的研究成果

      管道經過地震區,尤其是斷層、永凍層、滑坡 地區等以應變為基礎的設計地區,必須考慮鋼管 的變形能力(deformation ability)。所謂變形能力 指管材達到屈服強度以后,均勻拉長至將斷裂時 突然變細然后斷開,管材均勻延伸的能力稱為變 形能力,又稱抗大變形能力,這方面國外許多專家 已取得很多可喜的研究成果。此外,在全尺寸爆 破試驗及止裂方案等方面也取得一些成果,并建 成若干條X120級管線試驗段,至今運行良好。 預計在不久的將來,X120管線鋼將會廣泛應用于 天然氣管道輸送行業"J。
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      作者簡介:潘家華(1930一),男,教授,中國石油天然氣管 道局高級顧問,中國石油管道公司高級顧問,上海交通大 學、天津大學、中國石油大學等6所高校兼職教授,中科 院金屬研究所客座研究員。 收稿日期:2007—08—29 編輯:謝淑霞  http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hg200801002.aspx www.docin.com
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