牛愛軍，殷立洪，畢宗岳，牛 輝，黃曉輝，劉海璋

（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，陜西 寶雞721008）

深海用高強(qiáng)厚壁直縫埋弧焊管開發(fā)技術(shù)難點(diǎn)分析*

牛愛軍1,2，殷立洪2，畢宗岳1,2，牛 輝1,2，黃曉輝1,2，劉海璋1,2

（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，陜西 寶雞721008）

深海油氣管道對(duì)管道用管材的可靠性提出了更高的技術(shù)要求，高強(qiáng)度大壁厚直縫埋弧焊管是深海油氣輸送管道的方向發(fā)展。從深海用高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊管對(duì)管線鋼板材及鋼管在高強(qiáng)度、高韌性和抗脆斷、高尺寸精度、低焊接碳當(dāng)量和良好焊接性以及抗腐蝕性等方面的高技術(shù)要求入手，詳細(xì)分析了高強(qiáng)度厚壁管線鋼材料、板材質(zhì)量控制和鋼管制造工藝等方面存在的技術(shù)難點(diǎn)，提出了解決思路。

焊管；深海管線；高強(qiáng)度管線鋼；大壁厚；直縫埋弧焊管；斷裂韌性

隨著近陸、近海油氣田開發(fā)的完成，新建油氣田的開發(fā)逐漸向極地、冰原、荒漠、海洋等偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)展。近年來世界石油勘探重點(diǎn)已由陸地轉(zhuǎn)向海洋，由淺海轉(zhuǎn)向深海，深水和超深水的油氣資源勘探開發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開采的重點(diǎn)領(lǐng)域。

深海環(huán)境十分復(fù)雜，考慮到深海管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工、服役的安全性，海底管道對(duì)管線鋼材料、管道焊接、施工、維護(hù)等提出了比陸上更高的要求，對(duì)鋼管的強(qiáng)度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等都有著嚴(yán)格的要求[1-2]。深海油氣輸送管正在向厚壁和高強(qiáng)度方向發(fā)展，近年來，世界上絕大多數(shù)海底油氣管道要求使用直縫埋弧焊管。

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發(fā)，但這一海域水深為500～2 000m，而我國(guó)目前還不完全具備在這樣深水海域進(jìn)行油氣勘探和生產(chǎn)的技術(shù)[3]。因此，研究開發(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。

1 深海服役工況對(duì)管材性能的要求

深海環(huán)境十分惡劣和復(fù)雜，海底管道工作在低溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的海洋環(huán)境中，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)載荷的作用，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]。受深海浪涌和洋流的影響，鋼管應(yīng)具有良好的縱向強(qiáng)韌性、塑性以及抗疲勞能力[5]。隨著鋪設(shè)深度的增加，海底管線的抗壓潰性愈來愈重要，鋼管壁厚和鋼管尺寸精度的要求更加嚴(yán)格，同時(shí)鋼管的直徑與鋼管壁厚的比值減小，小直徑和厚壁化已成為深海管線鋼管的主要特點(diǎn)[6]。水深大于2 100m后，深海的環(huán)境更惡劣，對(duì)管線的各項(xiàng)性能要求也更高。深海溶氧量增加，海水、海泥和海底微生物造成鋼管腐蝕行為更加復(fù)雜；對(duì)H2S和CO2含量的油氣介質(zhì)來說，在深海管道高壓輸送條件下，腐蝕將加劇。同時(shí)，在管材屈服強(qiáng)度提高的同時(shí)還應(yīng)考慮屈強(qiáng)比和可焊性等方面的要求。

2 深海用厚壁管材開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

深海油氣管道建設(shè)的惡劣環(huán)境條件對(duì)管道及管材提出了愈來愈高的質(zhì)量要求，即對(duì)管道用鋼管的可靠性要求越來越高。鋼管的質(zhì)量可靠性需要突破兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：一是管線鋼板生產(chǎn)(包括管線鋼的冶煉、管線鋼板的控軋控冷、熱處理等)技術(shù)；二是鋼管制造技術(shù)。深海用厚壁直縫焊管的研發(fā)具有很高的技術(shù)和生產(chǎn)難度，包括厚壁鋼板的制造、斷裂韌性控制、強(qiáng)度、塑性及韌性的合理匹配，厚壁鋼管的成型控制、焊接缺陷及焊接接頭的強(qiáng)韌性控制等多方面的關(guān)鍵技術(shù)需要研究和攻克。

2.1 高強(qiáng)度大壁厚深海管材增加了鋼板的制造難度

生產(chǎn)高強(qiáng)度厚壁規(guī)格的管線鋼的技術(shù)關(guān)鍵是：同時(shí)保證鋼材高強(qiáng)度和良好的低溫?cái)嗔秧g性。為了使管材具有優(yōu)良的斷裂韌性，必須滿足CTOD，DWTT和CVN等韌性指標(biāo)要求，因此對(duì)管材的合金成分組合要求嚴(yán)格，對(duì)材料的純凈度要求高，同時(shí)對(duì)鋼中As，Sb，Sn，Bi，Pb以及B的殘余均有嚴(yán)格要求，原材料的控制和冶煉難度大[7]。為此，必須保證管線鋼合適的合金成分及微合金化方式，根據(jù)各合金元素對(duì)鋼種組織和性能影響的規(guī)律，考慮微合金化效果、生產(chǎn)成本和管線鋼性能要求[8]。

X70厚壁深海管線鋼板材主要以低C-Mn-Mo-Nb系為基礎(chǔ)，添加適量的V，Ti，Ni，Cu和Cr等微合金元素，充分應(yīng)用潔凈鋼冶煉技術(shù)，以保證鋼質(zhì)的高純凈度，并在連鑄過程中采用電磁攪拌和輕壓下等技術(shù)，保證鋼的成分和組織的均勻性[9]。獲得針狀鐵素體組織是生產(chǎn)特厚規(guī)格、高強(qiáng)度、高韌性X70鋼板的關(guān)鍵。其合金設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用低C、高M(jìn)n，通過鉬低合金化控制相變組織以及鈮微合金化細(xì)化晶粒和組織，獲得細(xì)小均勻的超低碳針狀鐵素體組織[10]。采用TMCP工藝以保證針狀鐵素體的形成，軋制時(shí)采用兩階段控制軋制工藝，即在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)軋制。在鋼坯再加熱、軋制和軋后冷卻過程中，通過控軋、控冷和加速冷卻，獲得具有高密度位錯(cuò)的針狀鐵素體組織[11]。

同時(shí)，為了保證深海管道所用鋼管的圓度和全線鋼管內(nèi)外徑的一致性，避免鋼板表面劃傷引起鋼管承壓時(shí)起裂和鋼板表面（尤其是板邊）油污導(dǎo)致焊縫內(nèi)部氣孔，對(duì)鋼板的寬度和厚度精度以及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格控制。

目前，國(guó)內(nèi)試制的海底管線用鋼管壁厚可達(dá)31.8mm，鋼級(jí)為X70。但對(duì)厚度在 35 mm及以上的高強(qiáng)度深海管線用鋼及鋼管尚未有過成功試制的經(jīng)驗(yàn)。深海油氣用高強(qiáng)度超厚壁管材的自主研發(fā)在我國(guó)將有廣闊的前景，能否生產(chǎn)高鋼級(jí)管線鋼已成為衡量鋼鐵冶金企業(yè)技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

2.2 厚壁管線鋼低溫?cái)嗔秧g性控制難度增大

斷裂韌性是反映管線鋼結(jié)構(gòu)是否安全可靠的重要指標(biāo)，包括沖擊韌性和斷裂韌性等。高的韌性是防止斷裂起始和阻止斷裂擴(kuò)展的必要保證。為保障管線的安全可靠性，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，必須相應(yīng)提高管線鋼的韌性，即保證鋼材的韌性高于最低止裂韌性。

大壁厚是深水海底管道的特點(diǎn)之一，針對(duì)深水海底管道而言，要求其具備更加優(yōu)異的韌度性能，高的韌性和低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是高強(qiáng)厚壁鋼材對(duì)韌性的共同要求。在對(duì)管道的韌度評(píng)價(jià)中，由于DWTT結(jié)果（剪切面積SA）與管線實(shí)物的破壞程度有較大的相關(guān)性，被廣泛應(yīng)用于管道鋼管，是輸氣管道抵抗脆性開裂能力的韌度指標(biāo)之一[12]。

超厚鋼板壓縮比降低，組織細(xì)化困難，中心偏析難控制，厚壁各部位的晶粒大小不均勻。一般認(rèn)為，高鋼別管線鋼的壓縮比只有在不小于9的情況下，落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）的纖維率才能夠得到保證[13]。國(guó)內(nèi)正在研發(fā)的36.5mm厚壁管線鋼板在鞍鋼5 500mm四輥可逆式雙機(jī)架特寬厚板軋機(jī)上，采用最高厚度為300mm的高質(zhì)量連鑄板坯進(jìn)行鋼板試制，最大壓縮比還達(dá)不到8.5。因此，在高強(qiáng)厚壁管線鋼開發(fā)過程中，只有采取更為獨(dú)特的工藝，才能保證其DWTT性能，盡量減小低壓縮比的影響。

DWTT成為影響厚壁管線鋼及鋼管是否合格的關(guān)鍵因素，而管線鋼的DWTT性能與其內(nèi)部鐵素體有著密切關(guān)系。針狀鐵素體組織管線鋼板具有高的強(qiáng)度、高的沖擊韌性、低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和高的抗動(dòng)態(tài)撕裂能力[14]。鐵素體的類型、含量和晶粒大小對(duì)管線鋼DWTT性能都有一定程度的影響。高性能的管線鋼內(nèi)部鐵素體應(yīng)當(dāng)是多邊鐵素體和針狀鐵素體混合，且多邊鐵素體不宜過高；同時(shí)鐵素體的晶粒越小越好。其他影響DWTT性能的因素還包括：雜質(zhì)元素含量及夾雜物、鑄坯中心偏析及相比例等。在現(xiàn)代管線鋼S，P，O及N等雜質(zhì)元素含量很低且中心偏析也可以通過各種工藝措施得到有效改善。因此，在超厚規(guī)格管線鋼的生產(chǎn)中，奧氏體晶粒尺寸的細(xì)化和馬奧島的優(yōu)化控制是材料獲得優(yōu)異斷裂韌性的關(guān)鍵。如何改善厚規(guī)格管線鋼的低溫?cái)嗔秧g性一直是世界管線鋼開發(fā)的技術(shù)難題。

2.3 管材性能的穩(wěn)定性對(duì)冶煉工藝提出了苛刻的要求

陸地用管橫向屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍最大值是150 MPa，且對(duì)縱向屈服和抗拉強(qiáng)度均無要求。與常規(guī)陸地管線鋼相比，海底管線鋼對(duì)力學(xué)性能的穩(wěn)定性要求更加嚴(yán)格，強(qiáng)度的波動(dòng)范圍更窄，且橫向和縱向要求相同。在DNV－OS－F101《海底管線規(guī)范》及APISPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》中對(duì)海上服役條件用焊接鋼管的管體屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍最大為120 MPa，而要達(dá)到這一指標(biāo)要求，就應(yīng)減小鋼板的各向異性，控制同張鋼板屈服強(qiáng)度差異，鋼板頭尾屈服強(qiáng)度的波動(dòng)范圍最大值不能大于40 MPa，否則很難滿足鋼管管體橫向和縱向強(qiáng)度的力學(xué)性能要求。鋼板同板差分為縱向同板差和橫向同板差兩類，熱軋生產(chǎn)中需要嚴(yán)格控制工藝，以減少同板差發(fā)生。

合金元素的含量變化會(huì)引起鋼材顯微組織及其比例的改變,從而導(dǎo)致鋼板力學(xué)性能的變化；鋼板厚度的差異會(huì)引起冷卻速度和壓縮比的差異，也會(huì)影響鋼材的顯微組織及其比例的改變，并導(dǎo)致性能的變化[15]。厚壁鋼板力學(xué)性能穩(wěn)定性的控制，主要策略是提高鋼的潔凈度和組織均勻性，并采取微合金化、真空脫氣+CaSi、連鑄過程的輕壓下、多階段的熱機(jī)械軋制以及多功能間歇加速冷卻等工藝。因此對(duì)冶煉工藝技術(shù)具有比較苛刻的要求，技術(shù)難點(diǎn)主要集中于雜質(zhì)元素含量控制、夾雜物控制和窄成分控制等。

2.4 管材強(qiáng)度、塑性、韌性等優(yōu)異的綜合性能實(shí)現(xiàn)難度大

由于海洋環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)比陸地惡劣，海底管道施工和運(yùn)營(yíng)安全性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地管道，對(duì)深水海底管道的可靠性提出了更高要求。由于對(duì)深水海底管道靜水壓潰、管道在位、管道施工以及管道懸跨等各種工況的考慮，除需要滿足高強(qiáng)度、高韌度以及良好的焊接性能和耐腐蝕性能等一般要求外，還要求具有一定塑性、盡可能小的缺口敏感性、高的疲勞強(qiáng)度和良好的工藝性能。

由于韌性的提高受到強(qiáng)度的制約，高強(qiáng)度管線鋼通常采用控制軋制與控制冷卻技術(shù)來細(xì)化晶粒，既要提高鋼材強(qiáng)度又要提高鋼材韌性?？剀埧乩涔に噷⒅苯記Q定著管線鋼的組織形態(tài)和力學(xué)性能，獲得良好的強(qiáng)韌性搭配最有效的方法就是細(xì)化晶粒，晶粒的細(xì)化可以明顯帶來晶界強(qiáng)化效果，對(duì)強(qiáng)度尤其對(duì)韌性可顯著提高[16]。另外，夾雜物對(duì)管線鋼的韌性具有嚴(yán)重的危害性，因此降低鋼中有害元素含量并進(jìn)行夾雜物的變形處理是提高韌性的有效手段。在成分設(shè)計(jì)上以低C、高M(jìn)n成分設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過添加少量的Nb，V，Ti微合金化元素改善鋼板性能，提高鋼板強(qiáng)度；確保P和S等有害元素含量低，同時(shí)控制夾雜物數(shù)量和形態(tài)，改善鋼的低溫韌性和塑性。

深海用管線鋼是高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品，高強(qiáng)度厚壁管線鋼板的生產(chǎn)幾乎應(yīng)用到冶金領(lǐng)域的一切工藝技術(shù)新成就。

2.5 小徑厚比和高尺寸精度要求加大了制管難度

為保證深海管道輸送的安全性，提高管道的抗壓潰性能，深海管道必須采用較高的尺寸精度、較小的管徑和管徑壁厚比的鋼管。與普通鋼管比，海洋用管其主要特點(diǎn)是：具有精密的幾何尺寸，壁厚均勻，鋼管幾何形狀好，橢圓度小，焊縫質(zhì)量可靠，這些都增加了制管的難度，對(duì)設(shè)備能力及原料質(zhì)量均有極大的考驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)正在研制的專用于深海油氣開發(fā)的X70 φ914mm×36.5mm直縫埋弧焊管，鋼管徑厚比D/t=25.04，鋼管最大形變率達(dá)到4%，達(dá)到鋼管冷成型極限，制管難度極大。在直縫埋弧焊鋼管的制造過程中，通常經(jīng)過成型及擴(kuò)徑工序，上述過程在管體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變變化。采用JCOE工藝進(jìn)行小徑厚比厚壁鋼管成型，需要對(duì)壓制道次步長(zhǎng)、模具圓弧半徑和壓制力等成型工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，應(yīng)對(duì)鋼板的高強(qiáng)度和大彈復(fù)獲得理想的成型效果。而隨著強(qiáng)度的提高，鋼板的合金含量高，在制管過程中的擴(kuò)徑工序變形量較大，包辛格效應(yīng)和加工硬化作用復(fù)雜，制管前后力學(xué)性能波動(dòng)較大。因此，必須從預(yù)彎開始對(duì)成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，防止出現(xiàn)擴(kuò)徑冷裂紋；必須對(duì)鋼板的組織類型和力學(xué)性能以及制管工藝實(shí)施精確的控制，達(dá)到對(duì)制管后鋼管力學(xué)性能及外觀尺寸精度的合理控制。

2.6 厚壁鋼管的焊接缺陷及焊接接頭韌性問題控制難度大

埋弧焊接時(shí)，隨著鋼管厚壁的增加，焊接坡口加深，熔池深度增加，焊接時(shí)熔池中的氣體及夾渣等缺陷因素上浮的時(shí)間增加，焊接缺陷的幾率增加。對(duì)于厚壁管線鋼焊接接頭要進(jìn)行焊縫、熔合線（FL）、FL+2mm和FL+5mm的沖擊試驗(yàn)，如果焊接質(zhì)量及焊縫形貌控制不好，則焊接接頭的低溫沖擊功很難穩(wěn)定在技術(shù)控制指標(biāo)以上。

焊縫要獲得良好的性能，必須采用合適的焊接工藝參數(shù)。熱輸入過小時(shí)，焊縫出現(xiàn)脆硬第二相組織，強(qiáng)度和硬度有所提高，但韌性大大下降；熱輸入過大時(shí)，則組織過于粗大，韌性也會(huì)下降[18]。國(guó)內(nèi)目前正在研制的X70鋼36.5mm深海管線鋼管用高強(qiáng)度超厚壁直縫埋弧焊管采用內(nèi)焊四絲外焊五絲的多絲埋弧焊接工藝，單層熱輸入高達(dá)70 kJ/cm以上，焊縫的低溫沖擊韌性和低溫?cái)嗔秧g性(CTOD值)要穩(wěn)定地達(dá)到控制指標(biāo)要求更是困難。在多絲共熔池大線能量焊接條件下，如何解決焊接接頭熱影響區(qū)軟化和脆化問題，提高厚壁管線鋼焊接鋼管焊縫的強(qiáng)韌性，是壁厚在30 mm以上厚壁埋弧焊接鋼管焊接主要存在的主要難點(diǎn)。

2.7 耐腐蝕性管線鋼材料技術(shù)及管道防腐保溫技術(shù)有待提升

腐蝕是危害海底管線的重要因素，酸性環(huán)境下管線腐蝕更易于發(fā)生。我國(guó)對(duì)深水環(huán)境下管線鋼材料的腐蝕行為研究很少，缺乏相應(yīng)的材料合金設(shè)計(jì)和組織控制技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)抗酸性管線鋼管的最高水平為X65鋼20mm厚鋼板，對(duì)X70高強(qiáng)度超厚管線鋼材料的耐腐蝕性能還正處于研究階段。管線鋼材料的金相組織、強(qiáng)度、硬度以及合金元素等影響著管材的抗氫致開裂（HIC）、硫化氫應(yīng)力腐蝕（SSCC）性能。這就要求管線鋼材料的超低碳、超低硫、夾雜物形態(tài)的嚴(yán)格控制，提高材料的純凈度高、組織成分均勻和性能穩(wěn)定。同時(shí)，采用先進(jìn)的制管工藝技術(shù)，降低小D/t鋼管在制管變形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減少由此引起的腐蝕破壞和腐蝕疲勞破壞影響。

國(guó)內(nèi)對(duì)于深水管道防腐保溫體系的設(shè)計(jì)及相關(guān)材料的研究處于剛起步階段，與國(guó)外存在著很大的差距，需要加大科研力度，為海洋油氣開發(fā)提供技術(shù)支持和保障。

3 結(jié) 論

（1）隨著油氣開采深度的加大以及基于油氣田本身高溫、高壓等惡劣的開采條件，越來越多的深水、超深水域的高溫、高壓油氣資源正不斷得到勘探和開發(fā)，深海油氣輸送管正在向大壁厚和高強(qiáng)度方向發(fā)展。

（2）高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管是高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品。由于深海油氣輸送管道的特殊性，對(duì)管線鋼的可靠性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高要求。深海管線鋼材料必須具有較高的耐壓強(qiáng)度和較高的低溫韌性，優(yōu)良的焊接性能、成形性及一定的抗腐蝕能力，這些都是需要從鋼板生產(chǎn)和鋼管制造等方面來攻克的技術(shù)難題。

（3）隨著國(guó)內(nèi)冶金技術(shù)、制管工藝技術(shù)及裝備水平的不斷進(jìn)步，通過合理的成分設(shè)計(jì)和工藝控制得到最佳的顯微組織，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足深海用高強(qiáng)度、高韌性和抗脆斷、高尺寸精度、低焊接碳當(dāng)量和良好焊接性以及抗腐蝕的高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊管。

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Technical Difficulties Analysis on Development of SAW L Pipe Used for Deep-sea Pipeline w ith High Strength and Heavy W all Thickness

NIU Aijun1,2， YIN Lihong2， BIZongyue1,2，NIUHui1,2，HUANGXiaohui1,2，LIUHaizhang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji721008，Shaanxi，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.，Baoji721008， Shaanxi，China)

High strength and heavy wall thickness SAWL pipe is the development direction for deep-sea oil and gas transportation pipelines.The higher technical requirements for the reliability of deep-sea oil and gas pipeline were presented.According to the technical requirements for the high strength heavy wall thickness SAWL pipe and steel plate used for deep-sea oil and gas pipelines in high strength,high toughness,brittle fracture resistance,high dimensional accuracy,low welding carbon equivalent,good weldability and corrosion resistance,etc.It detailedly analyzed some technical difficulties existing in pipeline steelmaterial with high strength and thick wall,quality control of steel plate and steel pipemanufacturing process,etc.,proposed the solutions aswell as.

welded pipe;deep-sea pipeline； high strength pipeline steel； heavy wall thickness； longitudinal submerged arc weldedpipe(SAWL pipe)；fracture toughness

TG445

A

1001－3938（2015）11-0015-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題“深海高壓油氣輸運(yùn)高強(qiáng)厚壁管材關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目號(hào)2013AA09A219）。

牛愛軍（1980—），男，工程師，主要從事油氣管材開發(fā)及焊接技術(shù)研究工作。

2015－03－31

李紅麗