牛愛軍，畢宗岳，牛 輝，黃曉輝，張阿昱

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

目前海洋能源已成為全球可持續(xù)發(fā)展主流能源體系的重要組成部分，全球50%以上的油氣產(chǎn)量和儲(chǔ)量將來自海洋[1]。近年全球重大勘探發(fā)現(xiàn)，有近50%來自深水，隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深水和超深水的油氣資源的勘探開發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開采的重點(diǎn)領(lǐng)域，深水油氣開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿。我國南海擁有豐富的油氣資源，估計(jì)蘊(yùn)藏石油1 050億桶，天然氣2 000萬億m3，其中70%蘊(yùn)藏于深海區(qū)域，但我國目前油氣開發(fā)還主要集中在陸上和近海，開辟深海油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域以尋求新的資源是當(dāng)前面臨的主要任務(wù)[2－3]。

深海環(huán)境十分惡劣和復(fù)雜，作為運(yùn)輸載體的海底管線，長期在低溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的海洋環(huán)境中服役，不僅承受著內(nèi)外壓力、軸向力、彎矩等靜載荷和溫度荷載的聯(lián)合作用，而且還要承受交變的外壓、波浪、海流的動(dòng)載荷作用，使管道承受著多種載荷的聯(lián)合作用并引發(fā)多種形式的破壞[4]。因此，深海管道對管線鋼材料、管道焊接、施工、維護(hù)等提出了更高的要求，對鋼管在強(qiáng)度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等方面都有著嚴(yán)格的要求，以提高鋪設(shè)工程及管線運(yùn)行的安全性[5－7]。

1 研制背景及技術(shù)目標(biāo)

1.1 研制背景

海底管道的起源和發(fā)展在國際上已有較長的歷程。從1954年在美國的墨西哥灣由Brown&Root海洋工程公司鋪設(shè)的第一條海底管道以來,在世界各近海海域成功地鋪設(shè)了無數(shù)條各種類型、各種管徑的海底管道[8]。國外建設(shè)的海底管道水深已達(dá)3 500 m，新近建設(shè)的海底管線多采用X70大直徑、大壁厚鋼管，最大直徑1 219mm，最大壁厚44 mm[9]。

我國海洋工業(yè)開始于20世紀(jì)60年代末期，最早的海洋石油開發(fā)起步于渤海灣地區(qū)。該地區(qū)典型水深約20 m。到了20世紀(jì)80年代末期，在南中國海的聯(lián)合勘探和生產(chǎn)開始在100 m左右水深的范圍內(nèi)進(jìn)行[10]。我國自2000年以來先后建設(shè)了多條海底管道，以推動(dòng)海洋能源資源的開發(fā)，但受勘探、開采、管道鋪設(shè)設(shè)備、技術(shù)和管線鋼原材料開發(fā)水平的限制，尚沒有在超過300 m水深進(jìn)行管道鋪設(shè)，已經(jīng)完工的海底管道鋪設(shè)因其在近海以及管道內(nèi)外承壓小，主要采用X65鋼級以下小直徑薄壁鋼管。表1為國內(nèi)鋪設(shè)的典型海底管線。

我國南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，目前，我國正加快南中國海油氣資源的勘探開發(fā)，但這一海域水深在500～2 000 m，而我國目前還不完全具備在這樣水深海域進(jìn)行油氣勘探和生產(chǎn)的技術(shù)[11]。南海荔灣3-1氣田是我國目前首個(gè)深海 (1500 m水深)氣田，也是目前中國最大、最深的海上氣田，該氣田的發(fā)現(xiàn)使南海深水區(qū)成為勘探熱點(diǎn)，加快了南海深水油氣勘探開發(fā)的步伐，推動(dòng)了我國深海管線鋼及鋼管的國產(chǎn)化應(yīng)用[12]。隨著我國深海油氣資源開發(fā)力度加大，研究開發(fā)具有高性能、高鋼級、大壁厚和高尺寸精度的深海管線用鋼管的重要性得到凸顯。

表1 國內(nèi)鋪設(shè)的典型海底管線

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和我國對油氣資源需求的提高，深水油氣開發(fā)已成為我國面臨的緊迫任務(wù)[13]。為提高我國深海油氣勘探開發(fā)的能力，保障我國海洋石油天然氣戰(zhàn)略的順利實(shí)施，在國家863計(jì)劃的支持下，“深海高壓油氣輸運(yùn)高強(qiáng)厚壁管材關(guān)鍵技術(shù)研究”等深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)與裝備重大項(xiàng)目正在積極開展中。

1.2 研制技術(shù)目標(biāo)

考慮到深海管線服役環(huán)境的特殊性，課題提出了X70級36.5 mm超厚壁直縫埋弧焊管的研制目標(biāo)，對管材的強(qiáng)度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等指標(biāo)比DNV-OS-FlOl《海底管道系統(tǒng)》規(guī)范、API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》和南海荔灣3-1管線的技術(shù)要求更加嚴(yán)格。表2為課題研制鋼管的主要技術(shù)指標(biāo)與相關(guān)海底管線技術(shù)規(guī)范中對X70海底管線鋼管主要性能指標(biāo)對比。

表2 X70海洋管研制主要技術(shù)指標(biāo)對比

2 深海用X70厚壁板材開發(fā)

2.1 成分設(shè)計(jì)

高性能管線鋼應(yīng)以超低碳貝氏體或者超低碳針狀鐵素體組織為特征，使之在具有高強(qiáng)度、高韌性和良好焊接適應(yīng)性的同時(shí)具有較高的抗動(dòng)態(tài)撕裂性能[14]。本課題采用了低C高M(jìn)n-Nb-Ti系的合金化設(shè)計(jì)，w（C）嚴(yán)格控制在0.07%以下，加入較高的Mn，以達(dá)到強(qiáng)度要求，降低合金化成本。通過加入適量Mo，Ni，Cu和Cr，使試制鋼板軋后在一個(gè)較寬的冷速范圍內(nèi)獲得細(xì)小、均勻的貝氏體/針狀鐵素體組織。利用Nb和Ti的微合金化及控制相變組織的Mo低合金化，低的Ceq值和Pcm值，保證鋼板的高強(qiáng)度、高韌性和良好焊接性[15]。采用鈣處理和潔凈鋼冶煉技術(shù)，嚴(yán)格控制 S， P，[O]，[N]，[H]在鋼中含量。 研制出的X70級36.5mm深海用厚壁鋼板主要化學(xué)成分見表3，除此外，還有Nb，Ti，Mo，Ni，Cu，Cr等元素。

表3 深海管線用X70厚壁鋼板的主要化學(xué)成分 %

2.2 控軋控冷工藝

研制的深海用X70級36.5 mm厚壁鋼板的試制在鞍鋼5 500 mm雙機(jī)架軋機(jī)寬厚板生產(chǎn)線上完成。采用控制軋制、軋后加速冷卻的控軋控冷工藝（TMCP）生產(chǎn)。由于鋼板規(guī)格較厚，采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和奧氏體未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制，軋制均采用較大的道次變形量和較高的累積壓下率。終軋結(jié)束后通過快速冷卻、大冷速和較低的終冷溫度對鋼板進(jìn)行控制冷卻，提高其厚度方向上的冷卻均勻性，使變形的奧氏體向針狀鐵素體和粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，以獲得細(xì)小、均勻的顯微組織，從而控制最終的組織結(jié)構(gòu)及形態(tài)。

通過對軋制溫度及鋼板厚度的嚴(yán)格控制，保證均勻控制鋼板的溫度和變形，減小殘余應(yīng)力，獲得良好的板型。

2.3 顯微組織

圖1 金相顯微組織

圖2 掃描電鏡照片

圖1和圖2分別是鋼板的金相顯微組織和掃描電鏡組織照片。從圖1可看出，試制鋼板的組織類型是以均勻細(xì)小的針狀鐵素體+少量M/A島為主的組織，晶粒度為12級，帶狀組織評定為0級。從圖2可以看出，組織中的M/A島顆粒尺寸細(xì)化，形狀規(guī)格，分布彌散。

2.4 力學(xué)性能

按照DNV-OS-F101標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)力學(xué)性能檢測試驗(yàn)方法對試試制鋼板的力學(xué)性能進(jìn)行了檢驗(yàn),主要性能結(jié)果見表4。試制鋼板的系列溫度沖擊和落錘撕裂性能結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

各項(xiàng)力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，研制的深海用X70 36.5 mm厚壁鋼板具有高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比和優(yōu)異低溫韌性的良好匹配。

表4 試制鋼板的力學(xué)性能

圖3 鋼板系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 鋼板系列溫度DWTT試驗(yàn)結(jié)果

3 X70厚壁直縫埋弧焊管研制

中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司直縫工廠JCOE生產(chǎn)線采用研制的X70級36.5 mm厚壁鋼板進(jìn)行X70級 φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管單根試制，并按照課題研制目標(biāo)對試制鋼管進(jìn)行性能檢測試驗(yàn)。

3.1 拉伸性能

采用全壁厚矩形板狀試樣進(jìn)行鋼管管體的橫向和縱向拉伸性能試驗(yàn)。焊接接頭采用矩形及圓棒棒狀兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可以明顯看出,所試制鋼管管體及焊接接頭的拉伸性能全部滿足DNV-OS-F101標(biāo)準(zhǔn)要求，但管體縱向屈強(qiáng)比指標(biāo)未能全部達(dá)到課題研制技術(shù)目標(biāo)要求。由表5中可以明顯看出,所試制鋼管的縱向屈服強(qiáng)度高于橫向屈服強(qiáng)度，這主要是鋼管在制管過程的成型階段引起材料加工硬化而提高了材料的屈服強(qiáng)度，而橫向試樣在壓平過程中受包辛格效應(yīng)的影響，使橫向屈服強(qiáng)度略有下降；縱向試樣未經(jīng)歷這種包辛格效應(yīng)的影響，故屈服強(qiáng)度在成型后未發(fā)生下降；綜合表現(xiàn)為縱向屈強(qiáng)比略高于橫向屈強(qiáng)比。

表5 X70級φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管的拉伸性能

3.2 低溫韌性

在鋼管距焊縫90°位置處取橫和縱向管體沖擊試樣，在焊縫處取焊縫、熔合線(FL)、熔合線+2 mm及熔合線+5 mm沖擊試樣進(jìn)行系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)。對鋼管管體同時(shí)完成了管體的系列溫度落錘撕裂試驗(yàn)。-20℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，試制鋼管具有優(yōu)良的低溫韌性，全部滿足DNV-OS-F101標(biāo)準(zhǔn)要求，也達(dá)到了課題研制技術(shù)目標(biāo)要求，同時(shí)具有一定的富余量。焊接接頭不同位置系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在-60℃溫度下，鋼管焊接接頭仍具有良好的沖擊韌性。管列溫度DWTT試驗(yàn)曲線如圖6所示。從圖6可以看出，管體落錘撕裂試驗(yàn)85%的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-30℃。

按照 GB/T 21143—2007標(biāo)準(zhǔn)，對試制鋼管管體橫向、縱向及焊接接頭熱影響區(qū)、焊縫位置進(jìn)行CTOD斷裂韌性試驗(yàn)。在0℃下的管體橫向CTOD特征值δm=0.351～0.729 mm，管體縱向CTOD特征值δm=0.421～0.669 mm，熱影響區(qū)CTOD特征值 δm=0.219～0.465 mm， 焊縫 CTOD 特征值 δm=0.218～0.457 mm，試驗(yàn)結(jié)果表明，試制鋼管管體及焊接接頭的CTOD特征值δm均達(dá)到目標(biāo)要求。

表6 -20℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖5 焊接接頭不同位置系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)曲線

圖6 管體系列溫度DWTT試驗(yàn)曲線

3.3 硬度

試制鋼管焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫部位的硬度檢驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，焊接熱影響區(qū)有輕微的軟化，焊接接頭的硬度與母材的硬度處于同一水平。試制鋼管的最大硬度值低于240 HV10，完全滿足課題研制目標(biāo)的要求。

圖7 試制鋼管焊接接頭硬度測試結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）開發(fā)的深海用X70級36.5 mm厚壁管線鋼板通過采用低C高M(jìn)n-Nb-Ti合金化的成分設(shè)計(jì)和TMCP工藝控制，獲得了細(xì)小、均勻的針狀鐵素體組織，鋼板性能達(dá)到高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、高韌性和優(yōu)良低溫抗動(dòng)態(tài)撕裂能力的良好匹配。

（2）試驗(yàn)表明，所試制的X70級φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管管體及焊接接頭的拉伸性能、斷裂韌性及硬度等指標(biāo)全面滿足DNV-OSF101標(biāo)準(zhǔn)要求。但由于受鋼管制管和試樣加工過程中的材料的加工硬化和包辛格效應(yīng)的影響，還需要從板材性能及制管工藝方面進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化從而達(dá)到對管體縱向屈強(qiáng)比的低屈強(qiáng)比控制。

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