牛愛(ài)軍，畢宗岳，牛 輝，黃曉輝，張阿昱

（1.國(guó)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(lái)自海洋[1]。近年全球重大勘探發(fā)現(xiàn)，有近50%來(lái)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(kāi)發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開(kāi)采的重點(diǎn)領(lǐng)域，深水油氣開(kāi)發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿。我國(guó)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(wàn)億m3，其中70%蘊(yùn)藏于深海區(qū)域，但我國(guó)目前油氣開(kāi)發(fā)還主要集中在陸上和近海，開(kāi)辟深海油氣勘探開(kāi)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(zhǎng)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(duì)管線鋼材料、管道焊接、施工、維護(hù)等提出了更高的要求，對(duì)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(guó)際上已有較長(zhǎng)的歷程。從1954年在美國(guó)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(lái),在世界各近海海域成功地鋪設(shè)了無(wú)數(shù)條各種類型、各種管徑的海底管道[8]。國(guó)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(guó)海洋工業(yè)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代末期，最早的海洋石油開(kāi)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(guó)海的聯(lián)合勘探和生產(chǎn)開(kāi)始在100 m左右水深的范圍內(nèi)進(jìn)行[10]。我國(guó)自2000年以來(lái)先后建設(shè)了多條海底管道，以推動(dòng)海洋能源資源的開(kāi)發(fā)，但受勘探、開(kāi)采、管道鋪設(shè)設(shè)備、技術(shù)和管線鋼原材料開(kāi)發(fā)水平的限制，尚沒(méi)有在超過(guò)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(jí)以下小直徑薄壁鋼管。表1為國(guó)內(nèi)鋪設(shè)的典型海底管線。

我國(guó)南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，目前，我國(guó)正加快南中國(guó)海油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，但這一海域水深在500～2 000 m，而我國(guó)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(guó)目前首個(gè)深海 (1500 m水深)氣田，也是目前中國(guó)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(kāi)發(fā)的步伐，推動(dòng)了我國(guó)深海管線鋼及鋼管的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用[12]。隨著我國(guó)深海油氣資源開(kāi)發(fā)力度加大，研究開(kāi)發(fā)具有高性能、高鋼級(jí)、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(guó)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(guó)對(duì)油氣資源需求的提高，深水油氣開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)面臨的緊迫任務(wù)[13]。為提高我國(guó)深海油氣勘探開(kāi)發(fā)的能力，保障我國(guó)海洋石油天然氣戰(zhàn)略的順利實(shí)施，在國(guó)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(kāi)發(fā)技術(shù)與裝備重大項(xiàng)目正在積極開(kāi)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(jí)36.5 mm超厚壁直縫埋弧焊管的研制目標(biāo)，對(duì)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(duì)X70海底管線鋼管主要性能指標(biāo)對(duì)比。

表2 X70海洋管研制主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2 深海用X70厚壁板材開(kāi)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(guò)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(jí)36.5mm深海用厚壁鋼板主要化學(xué)成分見(jiàn)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(jí)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(guò)快速冷卻、大冷速和較低的終冷溫度對(duì)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(guò)對(duì)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(jí)，帶狀組織評(píng)定為0級(jí)。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(cè)試驗(yàn)方法對(duì)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(jiàn)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(jí)36.5 mm厚壁鋼板進(jìn)行X70級(jí) 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(duì)試制鋼管進(jìn)行性能檢測(cè)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(jí)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）開(kāi)發(fā)的深海用X70級(jí)36.5 mm厚壁管線鋼板通過(guò)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(jí)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(guò)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(duì)管體縱向屈強(qiáng)比的低屈強(qiáng)比控制。

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