Трубы из углеродистой стали: характеристики материала, области применения и всесторонний анализ развития отрасли

Трубы из углеродистой стали, как один из самых широко используемых и экономически эффективных базовых трубных материалов в современной промышленной системе, имеют в качестве основных компонентов железо (Fe) и углерод (C), содержание углерода обычно контролируется в диапазоне 0,05%~2,0% (по массовой доле), дополненные небольшими количеством примесных элементов, таких как кремний, марганец, сера, фосфор, без добавления большого количества легирующих элементов. Благодаря преимуществам низкой стоимости, удобства обработки и высокой адаптивности характеристик, они пронизывают множество ключевых отраслей народного хозяйства, таких как энергетика, строительство, машиностроение, химическая промышленность и др., становясь «кровеносными сосудами» и «каркасом», поддерживающими промышленное производство и строительство инфраструктуры . С усилением экологических политик, обновлением систем стандартов и распространением технологий интеллектуального производства отрасль труб из углеродистой стали переходит от экстенсивного расширения к трансформации в направлении высококачественности, экологичности и интеллектуализации, приобретая новую жизненную силу.

I. Основная классификация труб из углеродистой стали: точное разделение по материалу и технологии

Логика классификации труб из углеродистой стали ясна, они в основном делятся на два направления: по содержанию углерода и по технологии изготовления. Продукты разных категорий имеют значительные различия в характеристиках и специализируются на различных сценариях применения, точно отвечая многообразным потребностям нижнего звена.

(I) Разделение по содержанию углерода: адаптация к требованиям к разной прочности

Содержание углерода является ключевым фактором, определяющим механические свойства труб из углеродистой стали. Согласно этому, они делятся на три категории: малоуглеродистая сталь, среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь. Три категории образуют четкий градиент по прочности, вязкости и обрабатываемости :

1. Трубы из малоуглеродистой стали: содержание углерода ≤0,25%, типовые марки — 10#, 20#, Q235 и др. Они имеют преимущества хороческой пластичности, высокой вязкости и отличных сварочных свойств, относительно низкой прочности и твердости, легко режутся, гнутся и формуются. Эти трубные материалы имеют самую низкую стоимость и наиболее широкое применение, в основном используются для транспортировки низкопрессурных флюидов (например, трубопроводы для питьевой воды, природного газа), опорных конструкций зданий (лестницы-строительные, опорные столбы) и изготовления обычных механических деталей, являясь категорией с наибольшим объемом производства на рынке труб из углеродистой стали .

2. Трубы из среднеуглеродистой стали: содержание углерода в диапазоне 0,25%~0,60%, типовые марки — 35#, 45# и др. Они имеют умеренные механические свойства, хорошие режущие и термические обработки, относительно плохие сварочные свойства, требуя предварительного нагрева для улучшения качества сварки. Их основное поле применения — машиностроение, используются для производства осей, шестереней, крепежных элементов и других деталей, требующих определенной прочности и износостойкости, а также для транспортировки труб в условиях среднего давления .

3. Трубы из высокоуглеродистой стали: содержание углерода >0,60%, имеют чрезвычайно высокую прочность и твердость, отличную износостойкость, но плохую пластичность и вязкость, а также высокую сложность сварки, требующую специальной обработки в процессе изготовления. Эти трубные материалы производятся в малых объемах, в основном используются для изготовления инструментов, матриц и высокопрочных механических комплектующих, таких как сверла, режутые инструменты, сердечники высокопрессурных клапанов и т.д. .

(II) Разделение по технологии изготовления: сочетание требований к承压ности и стоимости

Технология изготовления напрямую определяет герметичность,承压ную способность и область применения труб из углеродистой стали, они в основном делятся на безшовные трубные и сварные трубные, два типа дополняют друг друга по производственному процессу и области применения :

1. Безшовные трубы из углеродистой стали: образуются напрямую методом горячего прокатки или холодной протяжки, без шва, имеют высокую承压ную способность, хорошую герметичность, могут адаптироваться к условиям высокой температуры и высокого давления, с равномерными и стабильными механическими свойствами. Среди них, горячепрокатные безшовные трубы используются для крупнодиаметровых и средневысокопрессурных сценариев, таких как котельні трубы, трубопроводы для нефтяной разведки, трубопроводы системы охлаждения атомных электростанций; холоднопроведенные безшовные трубы имеют более высокую точность и гладкую поверхность, используются для малодаметровых и высокоточных требований, таких как точные механические детали, трубопроводы приборов и приборов, распространенные стандарты — ASTM A106 Grade B, GB/T 5310 и др. .

2. Сварные трубы из углеродистой стали: образованы путем закручивания листового стали, затем сварки методом прямого шва или спирального шва, имеют высокую производительность, низкую стоимость, могут производиться массово крупнодиаметровые трубы, но их承压ная способность и герметичность несколько хуже, чем у безшовных трубных. Трубы с прямым швом в основном используются для транспортировки низкопрессурных флюидов и обычных опорных конструкций; трубопроводы с спиральным швом имеют лучшие свойства сопротивления компрессии и трещинам, используются для длинных трубопроводов для транспортировки нефти и газа, муниципальных трубопроводов для сброса сточных вод и крупных строительных лесов, распространенный стандарт — GB/T 12459-2021 и др. .

II. Основные характеристики труб из углеродистой стали: двойные преимущества экономической эффективности и практичности

Трубы из углеродистой стали стали «всеобъемлющими трубными материалами» в промышленной сфере в основном благодаря сочетанию экономической эффективности и практичности, их характеристики адаптируются к требованиям большинства сценариев, а также имеют явные недостатки в свойствах, которые необходимо оптимизировать последующей обработкой :

По преимуществам: во-первых, отличная экономическая эффективность: углеродистая сталь — это металлический материал с наибольшим объемом производства в мире, сырье легко доступно, технология производства зрелой, по сравнению с нержавеющими стальными трубками и легированными стальными трубками, производственные и закупочные издержки труб из углеродистой стали значительно ниже, подходят для массового применения; во-вторых, отличные технологические свойства: большинство труб из углеродистой стали (особенно малоуглеродистые) легко свариваются, режутся, гнутся иштамповываются, могут быть обработаны в трубные материалы и фитинги разных размеров и форм в соответствии с фактическими требованиями, адаптируясь к сложным сценариям; в-третьих, высокая адаптивность характеристик: путем регулирования содержания углерода и технологии изготовления можно обеспечить полное покрытие сценариев от низкого до высокого давления, от обычных конструкций до высокопрочных механических деталей, удовлетворяя дифференцированным требованиям разных отраслей; в-четвертых, совершенная цепочка поставок: глобальная система производства труб из углеродистой стали зрелая, от выплавки заготовок до изготовления готовой продукции, цепочка поставок совершенная, возможно индивидуальное изготовление по запросу, короткий срок поставки .

По недостаткам: трубам из углеродистой стали низкая коррозионная устойчивость, они легко ржавеют и окисляются в влажных, кислотно-щелочных, солевых и других коррозионных средах, сокращая срок службы. Поэтому в коррозионных сценариях обычно требуется антикоррозийная обработка труб из углеродистой стали, распространенные методы включают цинкование, покраска, антикоррозийные покрытия, катодную защиту и т.д. Поверхностная обработка может значительно улучшить их коррозионную устойчивость и расширить область применения .

III. Области применения труб из углеродистой стали: пронизывание ключевых секторов народного хозяйства

Благодаря разнообразию категорий и отличной экономической эффективности, области применения труб из углеродистой стали практически охватывают все промышленные отрасли и строительство инфраструктуры, становясь ключевым базовым материалом, соединяющим различные отрасли, основные области применения включают :

1. Область транспортировки флюидов: это наиболее важная область применения труб из углеродистой стали, включающая транспортировку воды, пара, нефти, природного газа, химических сред и других флюидов. Среди них, для транспортировки низкопрессурных флюидов преимущественно используются сварные трубы из малоуглеродистой стали, такие как муниципальные трубопроводы для питьевой воды, трубопроводы для гражданского природного газа; для транспортировки высокопрессурных флюидов преимущественно используются безшовные трубы из углеродистой стали, такие как трубопроводы для нефтяной разведки, трубопроводы пара котлов тепловых электростанций, трубопроводы для транспортировки сред с низкой коррозионностью в химической промышленности, безшовные трубы по стандарту ASTM A106 Grade B и другим широко используются в таких высокопрессурных сценариях .

2. Область строительства и строительных конструкций: в основном используются для каркасов зданий, опорных конструкций и подземных сетей, таких как опорные столбы стали высоких зданий, каркасы мостов, строительные леса, муниципальные трубопроводы для сброса сточных вод, трубопроводы для отопления зданий и т.д. Трубы из малоуглеродистой стали марки Q235 из-за низкой стоимости и хороших сварочных свойств становятся предпочтительным выбором в этой области, обеспечивая как прочность конструкции, так и контроль строительных издержек .

3. Область машиностроения: как ключевой сырьевой материал для механических деталей, труб из углеродистой стали используются для производства осей, шестереней, подшипников, крепежных элементов, комплектующих станков и т.д. Трубные материалы с разным содержанием углерода адаптируются к требованиям к разной прочности. Например, трубы из среднеуглеродистой стали марки 45# используются для производства главных осей станков, шестереней, трубы из малоуглеродистой стали марки 10# — для производства малых механических комплектующих, а трубы из высокоуглеродистой стали — для производства инструментов и матриц .

4. Область энергетической промышленности: адаптируются к требованиям высокой температуры, высокого давления и высокой вязкости, безшовные трубы из углеродистой стали занимают доминирующее положение, используются для котельных труб тепловых электростанций, трубопроводов системы охлаждения атомных электростанций, трубопроводов для разведки, добычи и транспортировки нефти и газа, трубопроводов для хранения и транспортировки водорода и т.д. В последние годы с развитием новых областей, таких как сверхкритическая тепловая энергетика, глубоководная нефтяная и газовая промышленность, доля применения высокопрессурных (PN40 и выше) трубных фитингов из углеродистой стали постоянно растет .

5. Другие области: включают трубопроводы для сельскохозяйственного ирригации, трубопроводы для транспортировки руды, комплектующие для судостроения, корпуса приборов и приборов и т.д. Сварные трубы из малоуглеродистой стали и малодаметровые безшовные трубы из углеродистой стали благодаря преимуществам стоимости и адаптивности играют важную роль в этих областях .

IV. Текущее состояние и тенденции развития отрасли труб из углеродистой стали: трансформация к высококачественности и экологичности

В настоящее время глобальная отрасль труб из углеродистой стали вступила в зрелый этап развития. Китай, как крупнейший производитель и потребитель труб из углеродистой стали в мире, имеет яркие характеристики развития отрасли — «оптимизация производственных мощностей, обновление продукции, экологичность и интеллектуализация». Под влиянием экологических политик, обновления стандартов и спроса нижнего звена, она ускоряет трансформацию к высококачественному развитию .

(I) Текущее состояние отрасли: оптимизация производственных мощностей и обновление структуры

К концу 2024 года эффективная производственная мощность трубных фитингов из углеродистой стали в Китае составила около 18 миллионов тонн, фактический годовой объем производства стабильно держался на уровне около 12 миллионов тонн, коэффициент использования производственных мощностей поддерживался на уровне 65%–70%. Отрасль отказалась от экстенсивного расширения и вступила в состояние высококачественного баланса с точным соответствием спросу нижнего звена . В условиях постоянного усиления экологического регулирования такие политики, как «Программа работ по модернизации низкоконцентрированного выброса в сталелитейной отрасли», способствовали淘汰 около 4,5 миллионов тонн устаревших производственных мощностей за последние восемь лет, концентрация отрасли значительно увеличилась, концентрация CR10 выросла с 12,4% в 2015 году до 28,7% в 2023 году, мелкие и средние предприятия в Хэбей, Шаньдуне и других регионах ускорили вывод из рынка, а регионы с обилием зеленой электроэнергии, такие как Иннер Mongolia, Сычуань, принимают трансфер высококлассных производственных мощностей .

Частое обновление системы стандартов стало ключевым двигателем обновления структуры продукции, доля новых и обновленных стандартов за последние три года составила 43%. Новые нормативы, такие как GB/T12459-2021, заставили предприятия отказаться от традиционных технологий и принять высокоточные технологии, такие как ЧПУ-подготовка, холодное прессование и т.д. Доля производства высокопрессурных фитингов для высокоточных областей, таких как нефтяная и газовая промышленность, атомная энергетика, водород, выросла до 15,6%, а локализация крупнодиаметровых толстостенных фитингов для специальных сценариев выросла с 52% в 2015 году до 81% в 2023 году . Одновременно цифровые и интеллектуальные технологии широко применяются, проникновение цифровых цехов составило 41,6%, онлайн-диагностика с использованием фазированной антенной УЗ (PAUT) охватила 68% производственных линий крупнодиаметровых швов, процент однократного прохождения неразрушающего контроля экспортной продукции достиг 99,2% .

(II) Тенденции развития: параллельное развитие экологичности, высококачественности и интеллектуализации

1. Ускорение трансформации к зеленой и низкокарбоновой разработке: при движении к цели «двойного углерода» отрасль труб из углеродистой стали продвигает управление углеродным следом на всем жизненном цикле. «Технические указания на оценку зеленых проектных продуктов трубных фитингов из углеродистой стали» включают совокупные энергетические затраты на единицу продукции, коэффициент восстановления отходов и интенсивность углеродного следа в обязательные показатели оценки, способствуя предприятиям принять зеленые технологии, такие как электроварочная плавка, улучшить коэффициент использования материалов и снизить выбросы углерода. Доля экспорта зеленых продуктов, соответствующих стандарту углеродного следа ≤1,8 т CO₂e/т, уже достигла 34%, а доля рынка продуктов с зеленой премией постоянно растет .

2. Обновление продукции к высококачественному уровню: спрос из новых областей нижнего звена (глубоководная нефтяная и газовая промышленность, атомная энергетика, CCUS и др.) стимулирует трансформацию труб из углеродистой стали к высоким параметрам и высокой надежности. Разработка специальных фитингов с высоким давлением, большой толщиной стенки и отличной низкотемпературной вязкостью стала ключевым направлением. Одновременно международные стандарты (ASME, DIN, JIS) стали основными основами сертификации продукции, а внутренние предприятия ускоряют создание гибких производственных систем, совместимых с несколькими системами стандартов, для повышения международной конкурентоспособности .

3. Глубокое интегрирование интеллектуального производства: в будущем производство труб из углеродистой стали будет дальнейшим автоматизировано и интеллектуализировано. С использованием больших данных, интернета вещей и других технологий будет обеспечено всестороннее управление от закупки сырья, производства и обработки до контроля и поставки, повышая производительность и стабильность качества продукции, сокращая срок окупаемости инвестиций в интеллектуальное производство .

4. Ускорение международной раскладки: с продвижением инициативы «Один пояс, один путь» ведущие внутренние предприятия ускоряют международную локализованную раскладку, проходят зеленые сертификации для противодействия торговым барьерам, таким как европейский механизм регулирования углерода (CBAM), расширяют международный рынок, а также продвигают интеграцию внутренних стандартов в международные, повышая речь Китая на глобальном рынке труб из углеродистой стали .

V. Заключение

Трубы из углеродистой стали, как базовые материалы промышленной системы, благодаря преимуществам стоимости, разнообразию категорий и широкой адаптивности, играют незаменимую роль в развитии народного хозяйства. От транспортировки низкопрессурных флюидов до высокопрессурных энергетических трубопроводов, от обычных строительных опор до точных механических деталей, области применения труб из углеродистой стали постоянно расширяются. В настоящее время под влиянием экологических политик, обновления стандартов и технологических инноваций отрасль труб из углеродистой стали отходит от режима экстенсивного развития и ускоряет трансформацию к экологичности, высококачественности и интеллектуализации. В будущем она будет постоянно оптимизировать структуру продукции, повышать ключевую конкурентоспособность, адаптироваться к потребностям новых областей, а также укреплять стратегическое положение в глобальной структуре низкокарбоновой конкуренции, обеспечивая твердую поддержку для высококачественного развития современной промышленности.