杜　偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室　陜西　西安　700077)

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·綜述·

海洋石油平臺用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(一)

杜偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室陜西西安700077)

摘要：歸納了海洋石油平臺用鋼的類別品種，包括一般強度鋼、高強度鋼、超高強度鋼，以及耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強度系泊鏈鋼、高強度鑄鋼等特殊用途鋼種；分析了海洋平臺用鋼的標準體系，并介紹了歐洲標準、API標準、船級社標準以及國家標準對平臺用鋼的性能要求；綜述了國內(nèi)外平臺用鋼的產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀；最后討論提出了海洋石油平臺用鋼向高強、高韌以及良好低溫韌性與焊接性方向發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：海洋平臺用鋼；Z向鋼；齒條鋼；適應(yīng)高熱輸入焊接鋼；耐海水腐蝕鋼

0引言

我國海洋油氣資源儲量巨大，而其中石油資源探明程度約為12.3% (世界平均約為73.0%)，天然氣資源探明程度約為10.9%(世界平均約為60.5%)，探明率均遠低于世界平均水平，我國海洋油氣資源的勘探開發(fā)潛力巨大。隨著淺灘海油氣資源的陸續(xù)開采，深水油氣資源的勘探開發(fā)已成為必然趨勢。我國深水油氣資源主要集中在南海，南海石油儲量達到250～300億噸，天然氣約20萬億立方米，堪稱第二個“波斯灣”。深水油氣資源的開發(fā)利用，強烈依賴于先進的海洋油氣開發(fā)裝備。2011～2015年間，全球海工裝備年均投入600～800億美元。其中，海洋石油鉆井平臺約282億美元，浮式生產(chǎn)平臺約189億美元，海洋工程船舶約126億美元，其他裝備(包括固定式生產(chǎn)平臺、水下設(shè)施和設(shè)備、陸上終端以及新型裝備等)約200億美元[1]。雖然當(dāng)前的海工裝備市場受到低油價的嚴峻挑戰(zhàn)，而調(diào)查表明，低油價期同時也是相關(guān)裝備、材料采購價格處于低谷的階段。歷史上國際知名石油公司及工程承包商，比如Shell、Petrobras、Seadrill、Saipem等，均曾利用低油價時機，加快了深水能力建設(shè)，為后來高油價、高服務(wù)價格期間獲取豐厚利潤打下堅實基礎(chǔ)[2]。加快發(fā)展深水油氣開發(fā)裝備成為促進海洋油氣資源高效開發(fā)的必然選擇。與國外先進水平相比，目前我國海洋油氣開發(fā)裝備還存在一定差距，尚不完全具備在水深500 m以上海域進行油氣勘探生產(chǎn)的技術(shù)裝備，海洋石油裝備材料研發(fā)及應(yīng)用的落后是造成這種差距的主要原因。鑒于此，發(fā)展深水油氣開發(fā)裝備，需做到“材料先行”。下面即圍繞海洋石油平臺用鋼，重點論述海洋平臺用鋼的主要類別、性能要求、研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

1海洋平臺用鋼的主要類別

海洋平臺用鋼的選用需考慮構(gòu)件類型、使用部位、環(huán)境溫度、構(gòu)件參數(shù)、使用性能、生產(chǎn)工藝等多個因素，并根據(jù)標準和規(guī)范的要求加以確定，以選擇規(guī)格、等級合適的材料。海洋平臺可以采用同一鋼種、不同級別，也可以使用不同強度、不同鋼種的鋼材。海洋平臺用鋼的品種及規(guī)格眾多。

表1給出了典型海洋石油平臺用鋼的主要品種和規(guī)格。海洋平臺用鋼的強度范圍包括從235 MPa的一般強度鋼到690 MPa調(diào)質(zhì)處理的超高強度鋼；涉及的材料包括A、B、D、AH36、DH36、EH36、A420、A460、A500、A550、A620、A690、D420、D460、D500、D550、D620、D690、E460、E500、E550、E620、E690等多個級別；所用鋼板最薄5 mm(一般用于生活樓，以降低質(zhì)量)，最大厚度可達210 mm(用于高應(yīng)力水平部位，如關(guān)鍵構(gòu)件的連接區(qū)域等)。

表1　海洋平臺用鋼的主要規(guī)格、品種[3]

除上述常用的一般強度鋼、高強度鋼以及超高強度鋼外，高技術(shù)含量和高附加值的特殊鋼材，如耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強度系泊鏈鋼、高強度鑄鋼等也被用于平臺特殊部件的建造。

1)耐海水腐蝕低合金鋼

海洋腐蝕環(huán)境特別是近海岸腐蝕環(huán)境極為惡劣，鋼在海岸的腐蝕速率比沙漠環(huán)境高400倍以上。特別是我國南海環(huán)境因其高濕熱、強輻射、高Cl-含量，腐蝕性更強。因此平臺設(shè)計選材時，要考慮鋼材的腐蝕性能。

目前，國外生產(chǎn)的耐海水腐蝕低合金鋼按成分系列可分為Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。國外典型耐海水腐蝕低合金鋼見表2。我國耐海水腐蝕低合金鋼主要有Cu系、P-V系、P-Nb-Re系和Cr-Al系等類型，如08PV、08PVRe、10CrPV等。耐海水腐蝕低合金鋼因其焊接工藝復(fù)雜和制造成本較高，目前在海洋平臺中的應(yīng)用較少。

2)齒條鋼

在自升式平臺中，樁腿作為主要的承載機構(gòu)，起到支撐和升降平臺的作用。樁腿由桁架、齒條構(gòu)成全焊接結(jié)構(gòu)，并與主船體上的齒輪箱配合，實現(xiàn)主船體的升降和鎖緊。齒條是樁腿中最具代表性的大構(gòu)件，須通過厚度達120 mm以上的專用齒條鋼制造。由于長期在強風(fēng)暴、高腐蝕的嚴酷海洋環(huán)境中工作，要求齒條鋼同時具備厚規(guī)格、高強度、高韌性等特點。用于北極地區(qū)油氣鉆探的俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺，最大鉆探深度為6 500 m，該平臺由3個樁腿支撐，每個樁腿的升降系統(tǒng)均使用了130～145 mm厚度、690 MPa強度級別的齒條鋼，共用鋼材1 094 t[5]。由美國F&G公司設(shè)計建造，中海油采購的JU2000型CP-400自升式鉆井平臺，所用齒條鋼厚度為180 mm，用量約2 400 t。隨著海洋石油工業(yè)的深入開展和鉆采難度的加大，齒條鋼的厚度不斷增加，目前世界上齒條鋼的最大厚度達到259 mm。圖1為渤海裝備遼河重工采用德國迪林根齒條鋼板加工的齒條板。

表2　國外典型耐海水腐蝕鋼[4]

圖1　迪林根開發(fā)的齒條鋼

3)Z向鋼

區(qū)別于船板鋼，海洋平臺用鋼不僅要求沿寬度方向和長度方向有一定的力學(xué)性能，而且要求厚度方向有良好的抗層狀撕裂性能。這種抗層狀撕裂鋼又稱為Z向鋼。海洋平臺中存在較多的T型、K型和十字型接頭，這些接頭位置拘束度大，當(dāng)鋼材厚度方向受力時，極易造成厚度方向上的層狀撕裂。而層狀撕裂在外觀上沒有任何跡象，現(xiàn)有的無損檢測手段又難以發(fā)現(xiàn)，即使能判斷結(jié)構(gòu)中有層狀撕裂，也很難修復(fù)，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，對于承受高約束，抗沖擊、應(yīng)變疲勞和層狀撕裂的關(guān)鍵管節(jié)點，采用抗層狀撕裂性能好的Z向鋼是必要的。Z向鋼是在某一等級結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，經(jīng)過特殊處理(如鈣處理、真空脫氣、氬氣攪拌等)和適當(dāng)熱處理的鋼材。Z向鋼根據(jù)厚度方向拉伸試樣的斷面收縮率的大小分為Z25和Z35兩個級別。在F&G EXD半潛式平臺中，355 MPa和550 MPa 級別的Z向鋼用量分別為491 t和39 t。

4)適應(yīng)高熱輸入焊接鋼

焊接是海洋平臺建造中的一個重要工序，如導(dǎo)管架平臺焊接占到建造總工時的40%、總成本的50%。提高焊接線能量，免除焊后熱處理，對于縮短海洋平臺的制造周期和降低成本具有重要意義。但是焊接線能量增大，焊接熱影響區(qū)(HAZ)的強韌性降低。國外注重大線能量焊接技術(shù)的進步，尤其是日本較早地開發(fā)了適應(yīng)高熱輸入焊接鋼。日本最初應(yīng)用于寒冷地區(qū)能源開發(fā)的YP360 MPa鋼板，最大厚度為70 mm，能夠承受130 kJ/cm的焊接熱輸入[1]。目前JFE研制的YP460[6]和新日鐵研制的YP390[7]適應(yīng)高熱輸入焊接鋼，可分別承受360 kJ/cm和390 kJ/cm的熱輸入，技術(shù)優(yōu)勢明顯但價格昂貴。

5)高強度系泊鏈鋼

體積龐大的移動式鉆井平臺，要長期停泊在狂風(fēng)大浪之中，連續(xù)進行海底石油資源的勘探和開采，平臺的定位至關(guān)重要，錨泊定位是其中主要的定位方式之一。錨泊定位所用系泊鏈(圖2)使用條件茍刻，單根長2 000多米，常規(guī)直徑80～130 mm，深海系泊鏈直徑可增至180～200 mm，單根重600～1 000 t。系泊鏈鋼具有高強度、高韌性以及低屈強比等特性。目前世界最高等級的R5級系泊鏈鋼(抗拉強度≥1 000 MPa，屈服強度≥850 MPa)，已在“海洋石油981”平臺成功應(yīng)用，用量達到3 000余噸。

圖2　R5系泊鏈

6)高強度鑄鋼

節(jié)點(桁與支撐相交叉的部位)是自升式、半潛式鉆井平臺和導(dǎo)管架平臺的關(guān)鍵部位，大多采用焊接結(jié)構(gòu)，在風(fēng)浪等外力作用下，易產(chǎn)生疲勞裂紋。從上世紀七十年代起，英國、日本陸續(xù)將鑄鋼節(jié)點用于海洋平臺，可提高疲勞壽命，降低應(yīng)力集中系數(shù)同時可以減輕節(jié)點重量。表3將一座實用平臺上的102個鑄鋼節(jié)點與焊接節(jié)點的成本、應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命等進行了綜合比較，可以看出，采用鑄鋼節(jié)點能降低成本20%，提高疲勞壽命4～18倍[8]。我國從日本訂購的“渤海四號”平臺使用了屈服強度超過680 MPa的鑄鋼節(jié)點材料。英國Sheffield Forge Masters International的大型鑄鋼件也已廣泛用于Spar、TLP、FPSO以及導(dǎo)管架等海洋平臺中[9]，如圖3所示。

圖3　大型鑄鋼節(jié)點

表3　一座實用平臺上鑄鋼節(jié)點與焊接節(jié)點的比較

注：①SCF為應(yīng)力集中系數(shù)。

(待續(xù))

Status and Development Trends of Offshore Platform SteelsⅠ

DU Wei，LI Helin

(CNPC Tubular Goods Research Institute,State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi′an,Shaanxi 710077,China)

Abstract：The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized,which include general strength steel,high strength steel,ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel,Z-direction steel,high heat input welding steel,mooring chain steel and high strength cast steel,etc.).The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards,API standards,classification society standards and national standards are concluded.Then the R&D status of platform steels are discussed.Lastly,the development trends of offshore platform steels are pointed out.

Key words：offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

第一作者簡介：杜偉，男，1982年生，工程師，2008年碩士畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

中圖法分類號：TE5

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0005-03

(收稿日期：2016-04-14編輯：屈憶欣)