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目前，uo 轧机在日本国内市场占据主导地位。为满足海外用户需求，日本提升了炼钢技术、连铸技术、厚板生产技术以及钢管制造技术，开发出新产品，还提高了生产高性能管线钢管上游工序的制造技术。并且，上游工序大规模引进了新的制造设备。本文将介绍大口径钢管制造方法、钢管性能要求以及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
大口径钢管由厚板、热轧板经成形与焊接制成。制造方法首先依焊接法来分类，把采用高效率且可靠性高的埋弧焊（arc）钢管称作 saw 钢管。本文所讨论的大口径钢管主要以这种 saw 钢管作为对象。saw 钢管又可分为纵向焊接的埋弧焊直缝钢管 l-saw 以及螺旋焊的埋弧焊螺旋钢管 h-saw。l-saw 钢管有 uo 成型法，这种方法适合大批量生产；还有弯曲辊法，此方法适合品种多量少；另外还有压力机床法。
jcoe 成型法处于 uo 成型法和压力机床法之间。压力最末段存在扩径工序与否会对钢管性能产生很大影响钢材屈服强度是否可变，此工序的有无也是分类方法之一。h-saw 相当于螺旋焊管，它能把板卷状的钢板成型为螺旋状，然后焊接对接部位从而形成。除了先采用成型、定位焊接，然后再进行 saw 的传统方式之外，为了得到高生产率和高质量的钢管，还可以先进行定位焊接，接着在其他生产线上进行 saw，采用两步螺旋焊法。
1.2 uo钢管的制造方法
uo 钢管的原料一般采用厚板，有时也会采用剪切后的热轧带卷。对于钢板进行焊缝坡口加工的方式有：预先将钢板边缘通过 C 形压力机弯曲至接近制品的曲率，即预弯边；利用 U 形压力机把钢板压制成 U 形，即 U 成型；借助 O 形压力机进行冷成形使其成为 O 形，即 O 成型。加工后，用 gmaw（gas metal arc ：熔化极气体保护电弧焊）这类方法对焊缝进行定位焊接。先从内面，再从外面采用 saw 焊接焊缝，之后进行约 1%的扩径。在提升正圆度的同时，把焊缝部位的残余应力消除掉。这种方法通常被叫做 uoe 成型法。为了对钢管的完好程度进行衡量，以 1%的塑性变形不出现破裂作为衡量的指标。
1.3 螺旋焊管的制造方法
螺旋焊管轧机由开卷机、成型机、内外面焊接机、超声波探伤机及飞剪等设备组成。一般以热轧带卷为原料，也会使用斯特克尔式轧机生产的热轧钢板。通常先焊接内面，之后旋转 0.5 转或 1.5 转再焊接外面，一般运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，经过飞剪，采用气体切割法或等离子切割法将其剪切成规定长度。接着进行端面加工，接着进行无损探伤，接着进行二次加工，接着进行外观尺寸检查等工序。
2 性能要求
2.1 管线钢管性能要求
使用管道来输送原油和天然气，尤其是在保障气体管道的安全性方面，这就要求管线钢管具备高技术特性。天然气通常是通过管道进行输送的，而长距离输送能够降低液化天然气（LNG）的输送成本。当输送量为 10bcm/a 时，能使 LNG 成本较为合理的输送距离是……。当输送量为 25bcm/a 时，合理的数值为……。如果气体输送量有所增加，那么管道输送的成本优势就会增加。另外，如果采取高压输送的方式，像是把管道的进站压力从原本的 10mpa 提升到 14mpa ，管道输送的运距就能够变长。而用于这种管道的大口径管线钢管需要具备以下这些技术特性。
2.1.1 高内压
为增加气体输送量，可在同一输送气体压力下把管道内径扩大，也可在同一管道内径下把输送气体压力提高。为控制管线建设成本，多会采用高压输送气体。陆上的管线通常使用 10mpa 的压力。西气东输二线干线管道的设计压力是 12mpa，阿拉斯加管线项目的设计压力是 15mpa。海底管线钢管中途难以设置空气压缩站，因此采用更高压力输送。陆上管线钢管也打算提高输送压力，然而空气压缩机等周边机器的维修很重要，降低空气压缩机运转能耗也很重要，确保安全性同样很重要。
如果用近似薄壁圆筒式来表示钢管的周向应力σ，那么就有σ=pid/2t，其中 pi 表示内压，d 表示直径，t 表示壁厚。由此可见，加大对总壁厚的应力，就能够提高内压。这样一来，就有加大壁厚或者提高强度这两种选择。所以要求管线钢管厚壁化并且高强度化。在相同直径的情况下，提高强度就可以减少管壁的厚度。不管是哪种条件，提高强度都能使每单位长度的钢管重量降低。即便重量降低的比率不大，通常也能够降低钢材的成本，接着也就能够降低钢管的运输成本以及敷设沟的挖掘成本和圆周焊接成本。
在这种情形下，高强度管线钢管被开发并得以应用。其中具有代表性的管线钢管标准是 2007 年版的 。该标准在原先 x80 级的基础上，对 x90、x100、x120 进行了补充。
近几年，x80 级钢管的需求量呈现出急剧上升的态势。由于存在降低管道建设成本的需求，所以现场圆周焊接从手工焊接转变为 gmaw 自动焊接。这样一来，焊接效率得以提高，并且高强度钢的焊接低温裂纹也不再成为难以解决的问题。
随着趋势向高强度发展，最基本的强度测定问题出现了。管线钢管有级别规定，其承受内压性的参数是圆周屈服强度（c-ys），然而测定钢管的 c-ys 较为困难。正确测定圆周强度可通过膨胀环试验，但此试验不适合大量测定。作为小型试验，通常把圆弧状剪切的材料制备成扁平全厚度试样，然后进行强度测定。x65 级以下的扁平试样，其强度变化较小。然而对于 x80 级以上的材料，加工硬化会变小，扁平试样的鲍辛格效应较为明显，存在这样的问题，即使用扁平试样测定的 ys 比实际的 ys 要低。
此外，x80 级以上不使用扁平拉伸试样，而是多采用可加工的圆棒试样，并且各标准都认可圆棒试样。然而，圆棒试样的值仅仅表示壁厚方向的一部分，必须要认识到它与全壁厚的值存在一些不同（ts 低）。在以前的 api 标准中，对于油井管、管线钢管 ys 的定义是 0.5%轻负载屈服强度。x120 的轻负载屈服强度为 0.65%；x100 的轻负载屈服强度接近 ys，且为 0.60%。在 iso 3183 里，x90 级别及以上采用位移 0.2%的屈服强度。然而，在加拿大标准 csa 中，x100 的屈服强度是 0.5%的轻负载屈服强度，比位移 0.2%的屈服强度值略低。
2.1.2 高韧性
随着极地的开发，对低温韧性提出了更低的要求。加拿大北部敷设的管道，其韧性保证温度通常为-5℃，然而极地的陆上管道，有的却要求达到-60℃。并且，还需要考虑到当管道破裂后，气体喷出时，由于隔热膨胀而导致温度降低的这种情况。
输气管道的低温韧性需考虑裂纹发生及其扩展的高速延性断裂。现场圆周焊接部位焊接缺陷发生裂纹的可能性极高。所以规定了焊缝部位的焊接金属以及焊接热影响区（haz）的韧性。在 中，要求 x80 级以上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 规范规定 45j 及以上。过去对于管线钢管焊缝韧性的评价，很少采用用裂纹发生特性的断裂力学性能值 ctot。但如今这种采用趋势有增加的态势。
另外，内部焊接形成的粗晶粒 haz，因为又进行了外部焊接，所以在两相区经受再加热的 irog-haz 部位韧性较低，提升该部位的韧性比较困难。然而，uoe 钢管在塑性区域进行扩管，并且在这部分用 ust 探伤，不存在大约 1mm 及以上的裂纹。一般情况下，在对基于 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，通常要求值会比需要值大很多。所以，会尝试使用浅缺口 ctod 试验和 sent 试验。另外，由于考虑到拘束应力，觉得采用等效 ctod 评价方法也是有效的。
输气管道即便破裂，其内部压力也难以降低。一旦发生裂纹，不稳定性就会扩大。要使该裂纹止裂，就必须让裂纹传播面首先成为延性破坏的主体，使裂纹扩展速度慢慢降低，并且要比减压速度慢。所以，dwtt 的韧性断面率需在 85%以上。通常多采用巴特尔二维曲线法来计算所需的夏比冲击值。可以说，dwtt 的传播能力或预裂 dwtt 的能力比夏比冲击值更适宜。高强度钢管难以预测夏比冲击值。近年来，也尝试使用 ctoa 来进行评估。但是，有时高强度管线钢管难以让钢管自行停止裂纹扩展，在这种情况下会以一定间隔采用裂纹制止器。
2.1.3 高变形性
管道需能耐受设计内压，该内压相当于最小屈服强度（smys）的 72%以及 80%等。所以，原先仅依据弹性变形来规定圆周强度。然而，在进行管线设计时，要考虑到海底管线采用 s-lay（海底管道 s 型敷设法）时钢管会发生弯曲，地震会引发地层变动和不连续冻土地带出现季节性地层变动，还有管道会产生塑性变形等情况。这些特性对钢管纵向强度特性的影响要比圆周强度的影响大。钢管本体在弯曲和压缩作用下会发生压曲变形，且其变形值较大。
弯曲变形时，压缩侧发生的压曲首先受钢管直径/壁厚比的影响较大。若钢管的直径/壁厚比小，那么压曲变形极限（压缩变形极限）就大。在相同的直径/壁厚比时，降低屈服比（y/t），同时增加加工硬化系数（n 值）和均匀伸长率（uel），就能够提高压缩变形极限。拉伸应变极限与钢管力学性能的关系不甚明晰，然而钢管纵向的 ys 要低于圆周焊接金属的 ys。为达成此目的，有时会将纵向 ys（l - ys）的标准下限值设定得比圆周 c - ys 的标准下限值更低。变形性能以及低温韧性成为了高强度管的研究课题。
管线钢管的外面会施加防腐涂层，尤其是近些年经常使用的环氧树脂涂料（fbe）。钢管经过冷成形后会产生应变时效，其应力 - 应变曲线会发生改变，强度会上升。在某些情况下有这样的要求，即涂层前后的强度特性要满足规定的值，并且不能产生屈服延伸。有报道指出，如果发生屈服延伸，当内压降低时，压缩变形的极限会变小。
2.1.4 高压溃性
深海敷设管道时，钢管有被水压压溃的可能。当水深超过 2000m 时，压溃压力就会成为首要设计要素。在不进行高压操作（即没有内压）的情况下不会产生压溃（安全率为 1.41），这就要求管线钢管具备高压溃性。因为弯曲应力会降低压溃值，所以在设计时要留意弯曲应力对其产生的影响。压溃值在很大程度上受 d/t 的影响。为防止钢管压溃，应使用 d/t 小的钢管。当 d/t 小，也就是钢管径（d）变小时，输送量会降低；而当钢管壁厚（t）变大时，就会使用厚壁钢管。正因如此，深海项目要求超厚壁钢管。
近年来，在黑海（其最深处达 2150 米）建设了水深 2000 米以上的深海管线。同时，在地中海（其最深处达 2160 米）也建设了水深 2000 米以上的深海管线。并且还计划建设穿过深海的第 4 条地中海管线（其最深处达 2800 米）。
2.1.5 耐酸性
原油和天然气中通常含有硫化氢（h2s）。当钢暴露在湿润的硫化氢环境（酸性环境）中时，大量的氢会侵入到钢中，从而会引发各种形态的氢脆化。管线钢管具有代表性的损伤形态为氢致裂纹（hic），日本研发出了一种将钢材浸泡在 h2s 气饱和的人工海水（ph=5）中的方法，这种方法被称为 bp 试验。后来这种试验已成为 nace 标准（1984 年制定）。然而，在该溶液中，将 cu 添加入钢中容易形成硫化物。尽管它抑制了氢的侵入，但存在无法正确评价裂纹敏感性的问题。
其后，把用于油井管硫化物应力腐蚀试验评价的溶液进行了使用调整。这种溶液是 ph 值低的 h2s 饱和溶液，其中含有 0.5%的 h2s 和 5%的 nacl（一般为 nace 溶液，初期 ph 值为 2.7，试验结束时上升到 4.0），现在将其用于 hic 试验。现在把用于 hic 试验的这种溶液称为 a 溶液，而之前用于油井管硫化物应力腐蚀试验评价的那种溶液称为 b 溶液，并记录在修订版中。近年来，大部分试验要求使用 a 溶液进行 hic 试验，并且要求裂纹长度率（clr）小于等于 0.15%。
酸性环境属于腐蚀环境，所以通常会使用耐酸管线钢的管道。当使用抑制剂时，能够应对腐蚀速度在 0.1 - 0.5mm/a 这个范围的情况。基于此，会采用比按照设计压力计算出来的壁厚更厚的钢管。即便输送含有 h2s 的气体，但若已经脱水，就不会发生腐蚀，也不会引起氢侵入。如果只是为了应对脱水设备出现故障的情况，那么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
当含水量较高，二氧化碳分压较大，抑制腐蚀作用的油分较少时，需根据环境选用 13cr、双相不锈钢、镍基合金等具有耐蚀性的材料。因为镍基合金价格较为昂贵，所以只是在钢管的内面使用耐蚀合金层，而耐压材料的表面大多使用低合金钢管的复合钢管。广泛应用的是通过压力机床法成形轧制包覆，焊接管缝后进行热处理的钢管，以及将耐蚀内管机械插入外管的钢管。目前有关于利用 uoe 工艺开发出高镍合金复合钢管的相关报道。同时，也开发出了 13cr 的 uoe 钢管。
2.1.7 现场焊接的ut化
大口径管线钢管在现场圆周焊接后进行无损检测时使用自动 ust。因为要安装机器的导向装置，所以需要增加在工厂切削内外面管端部管缝焊道的情况，并且要实现切削的自动化和高效化。
2.2 土木建筑用钢管性能要求
日本国内的螺旋焊管主要被应用于土木建筑以及自来水管道等领域。其中，钢管桩和钢管板桩的使用占比较大。从制品的角度来看，大多都需要有助于提升制品附加值的附属品加工以及涂层。通过把抗拉强度优良的钢管与压缩强度良好的混凝土进行结合，能够提高结构件的力学性能。为了提高钢管和混凝土之间的结合力，就需要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
要实现管线钢管的高韧性和耐酸性能，就需要高纯度且高洁净度的钢液。为了抑制 hic 的发生，需要抑制 mns 的生成，所以采用了真空脱气法以及喷粉生产低硫钢技术。在 20 世纪 80 年代中期，各钢铁公司确立了将硫含量控制在 10ppm 以下的技术，并且确立了将 mns 改质为 cas 的 ca 添加技术。
降低连铸板坯的中心偏析对于抑制 hic 而言是很重要的。研究显示，能够通过缩短辊间距以及对板坯凝固末端进行轻压下等技术来降低中心偏析。连铸机的垂直段对夹杂物的上浮有着很大的影响。
3.2 厚板制造技术的进步
3.2.1 tmcp
tmcp 技术是随着高级管线钢管制造一同发展起来的。20 世纪 80 年代开始实现控制轧制后的加速冷却工业化。在从 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有了显著提升。其后，引入了第二代加速冷却设备，其目的是进一步实现快速冷却和均匀冷却。例如，1998 年在福山厂引入了 super-olac，2006 年在君津厂引入了 clc-μ等。控制冷却的目标是生产材质均匀的厚钢板。同时，还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，这是 tmcp 条件多样化的应用实例。
3.2.2 组织控制
加速冷却生产的 x60、x65 级管线钢，其主体组织是由奥氏体相变形成的铁素体构成。然而钢材屈服强度是否可变，低碳钢中第二相的比例较低，这导致铁素体主体组织难以实现高强度化。所以，x80 级及以上的管线钢适合采用贝氏体系组织。从焊接性的角度来看，要用含碳量为 0.03%-0.08%的钢液来制造高强度管线钢管，并且要使用低碳贝氏体钢。这些钢存在 50%相变温度与抗拉强度的半定量关系。比如，x120 级管线钢管是通过含碳量为 0.04%且在约 400℃发生相变的下贝氏体钢，或者含碳量为 0.06%且在约 500℃发生相变的上贝氏体钢来获得强度。x100 级则是由含碳量 0.06%且在 550 - 600℃发生相变的上贝氏体 + 粒状贝氏体钢来获得强度。x80级是600-650℃发生相变的粒状贝氏体钢获得强度。
下贝氏体钢适用于 x120 级管线钢管，其中碳对强度影响较大。板坯加热时会引起异常相变，有时会变成粗奥氏体晶粒。低碳贝氏体组织容易达到高强度，一般测定的夏比低温韧性良好，但存在 dwtt 性能有时较低以及加工硬化小等缺点。为弥补这些不足，有时会在贝氏体主体组织中引入 ma 组元（马氏体 - 奥氏体）和多边形铁素体。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 比例的上升，钢板的 y/t（屈服强度/抗拉强度）会下降。淬透性较高的低碳钢，在加速冷却的状态下会生成少量的 ma。如果使用 hop，比如在相变途中进行再加热，碳会向未相变的奥氏体相扩散，从而使 ma 比例提高。当然，要是用 uoe 工艺将钢板成形，因为冷加工强度发生了变化，所以钢板的 y/t 会较低，而钢管的 y/t 不一定也会低。c 方向是主要的变形方向。不同的钢，各变化幅度不同。铁素体比例增加，dwtt 韧性断面率会提高。用加速冷却把钢板冷却至低温区域，此时铁素体比率的变化对抗拉强度影响不大。因为提高铁素体比例，碳会向周围的奥氏体相浓缩，从而形成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较大，因此大多为厚壁钢管，其高强度化的优点不太容易显现出来。近年来，为了能够生产 20mm 超厚的热轧带卷，出现了一些增强卷取机能力、强化水冷设备的轧机。然而，与厚板轧制相比，热轧工序在低温控制轧制方面存在较多限制。比如，由于轧制速度较快，提高冷却能力较为困难；并且，冷却到低温后又不容易进行卷取。
此外，开发了在 0.04%c 钢中添加 0.08%至 0.11%nb 的 htp（high）钢，并且已经实现批量生产。随着 nb 添加量不断增加，cvn 能量会降低，同时强度会上升。不过，在大约 0.1%的时候会达到饱和状态。基于此，可以推测 0.1%nb 是一个界限。
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