牛愛軍，戶志國(guó)，牛 輝，李 穎

（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；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

高尺寸精度深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管性能研究*

牛愛軍1,2，戶志國(guó)3，牛 輝1,2，李 穎3

（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；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

為了適應(yīng)惡劣深海服役工況和復(fù)雜作業(yè)因素對(duì)深水鉆井隔水管力學(xué)性能及外觀尺寸精度的嚴(yán)格要求，研制了X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試制鋼管的力學(xué)性能和外觀幾何尺寸進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，試制鋼管不但具有高強(qiáng)度、強(qiáng)低溫韌性及低硬度等特點(diǎn)，而且鋼管的直徑、橢圓度、壁厚、直線度等外觀幾何尺寸也得到嚴(yán)格控制，鋼管的力學(xué)性能和尺寸精度均達(dá)到研制目標(biāo)要求。

焊管；深水；鉆井隔水管；直縫埋弧焊管；高強(qiáng)度；力學(xué)性能；幾何尺寸

Abstract:In order to adapt to the strict requirements of inclement deep sea service condition and complex operation factors on deep-water drilling riser mechanical properties and appearance of dimensional accuracy,it developed X80 grade Φ 533.4 mm×25.4 mm deep-water drilling riser longitudinal submerged arc welded pipe,and in accordance with the relevant standards requirements conducted detection for the mechanical properties of trial-manufactured steel pipe and appearance geometric dimensions.Test results showed that the trial-manufactured steel pipe not only possesses the characteristics of high strength,strong low temperature toughness,low hardness etc.,but also the pipe diameter,ovality,wall thickness,straightness,and appearance geometric dimensions all be strictly controlled.The mechanical properties of steel pipe and dimensional accuracy reached development goal requirement.

Key words:welded pipe;deep-water;drilling riser;longitudinal submerged arc weldedpipe;high strength;mechanical properties;geometric dimensions

海洋鉆井隔水管是從海洋鉆井平臺(tái)（或鉆井船）通往海底井口防噴器（BOP）裝置的液體輸送管道，主要用來隔離外界海水，用于鉆井液循環(huán)、安裝水下BOP、支撐各種控制管線（主要包括節(jié)流和壓井管線、鉆井液補(bǔ)充管線、液壓傳輸管線等），并起到鉆桿、鉆井工具從鉆臺(tái)到海底井口裝置的導(dǎo)向作用[1-3]，是海洋深水油氣勘探開發(fā)的一個(gè)重要裝備單元。

海洋鉆井隔水管作業(yè)環(huán)境條件復(fù)雜，實(shí)際工作中不僅要受海流、海浪、浮力、海水外壓、平臺(tái)移動(dòng)等載荷作用，同時(shí)還要受內(nèi)部鉆井液壓力、鉆桿摩擦、張緊拉力等多種因素的影響[4]，服役環(huán)境較為苛刻。另外，隔水管工作時(shí)是多根組件安裝連接形式，隨平臺(tái)鉆井搬遷和海況變化等需經(jīng)常拆卸和安裝，對(duì)管體質(zhì)量提出了較高要求。所以海洋鉆井隔水管是一種具有高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、高技術(shù)的石油鉆井裝備[5]。

單根隔水管是鉆井隔水管系統(tǒng)的主體，一般單根長(zhǎng)度為22.86 m，最長(zhǎng)不超過27.43 m，壁厚一般為15.9 mm、19.1 mm、25.4 mm[6]。常用海洋鉆井隔水管的直徑有533 mm、406 mm和375 mm等幾種規(guī)格，且有向小型化發(fā)展的趨勢(shì)[7]。管線鋼材料是當(dāng)前隔水管制造所用的主流材質(zhì)，主要以X65～X80等系列鋼種為主，其特點(diǎn)是剛性好，抗海流、海浪等外載能力強(qiáng)，目前超深水隔水管材料以X80鋼為主[8]。

近年來，隨著海洋勘探技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)深水油氣勘探開發(fā)的能力已經(jīng)超過3 000 m水深。隔水管是海洋鉆探工作中必不可少的關(guān)鍵裝備之一，多年來，我國(guó)海洋鉆井隔水管一直依賴于進(jìn)口。隨著我國(guó)石油裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已具備研究和開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水鉆井隔水管的條件和技術(shù)。本研究重點(diǎn)介紹了一種自主研發(fā)的具有高尺寸精度的X80鋼級(jí)深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管。

1 研制目標(biāo)

鋼管的性能和尺寸精度是隔水管質(zhì)量要求中的重要內(nèi)容。鋼管橢圓度和管徑誤差是影響現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)接施焊的最直接因素。海洋鉆井隔水管的使用環(huán)境極其特殊，會(huì)受到浪涌、渦激振動(dòng)、深水壓力、洋流環(huán)境等因素的影響，同時(shí)還會(huì)發(fā)生海水腐蝕，因此對(duì)海洋鉆井平臺(tái)隔水管主管質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，海洋鉆井隔水管主管不僅需具有較高的強(qiáng)度、較低的屈強(qiáng)比，還需具有較高的低溫韌性，尤其對(duì)鋼管的外觀幾何尺寸精度要求更高[9]。橢圓度好、管徑誤差小的鋼管，在高輸送壓力服役下的各個(gè)方向應(yīng)力均衡，能夠?yàn)楣芫€施工提供良好的質(zhì)量保障。因此，具有良好的力學(xué)性能和高尺寸精度的隔水管，是提高隔水管系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝效率，并保證隔水管系統(tǒng)抵抗深水壓潰的重要保障。

寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱寶雞鋼管）進(jìn)行了X80深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管的研制。由于現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確針對(duì)鉆井隔水管材料性能的標(biāo)準(zhǔn)，無法對(duì)研制出的隔水管進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。通過綜合分析API SPEC 5L、DNV-OS-F201、 API SPEC 16F、API RP 16Q、API SPEC 16R、 API RP 2RD、 ISO 13628-7/API RP 17G等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及SY/T 10037、SY/T 6558等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中與鉆井隔水管相關(guān)的管材性能要求，并參考國(guó)外鋼管制造企業(yè)依據(jù)API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的X80鋼Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管的力學(xué)性能及外觀尺寸檢測(cè)結(jié)果[10-16]，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)正在研發(fā)的深水鉆井隔水管系統(tǒng)對(duì)X80隔水管用直縫埋弧焊接鋼管的現(xiàn)場(chǎng)使用要求，制定了X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm隔水管用直縫埋弧焊接鋼管的研制目標(biāo)，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。從表1可看出，研制目標(biāo)在力學(xué)性能方面主要參考了API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)屈強(qiáng)比、伸長(zhǎng)率及硬度等指標(biāo)提出了更高的要求，在管徑、壁厚、橢圓度、直線度偏差等外觀幾何尺寸方面，相比API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)外鋼管的實(shí)物檢測(cè)結(jié)果，控制指標(biāo)更加嚴(yán)格。

表1 X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管的主要研制目標(biāo)

2 性能分析

根據(jù)制定的X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm隔水管用直縫埋弧焊接鋼管研制目標(biāo)，寶雞鋼管采用國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的X80鋼級(jí)25.4 mm鋼板，在其子公司中油寶世順鋼管有限公司的JCOE生產(chǎn)線上完成了該規(guī)格直縫埋弧焊管的生產(chǎn)試制，并對(duì)該試制鋼管的力學(xué)性能及外觀幾何尺寸進(jìn)行了檢測(cè)。

2.1 鋼管力學(xué)性能

2.1.1 拉伸性能

在鋼管管體和焊接接頭位置分別取拉伸試樣，管體拉伸試樣包括管體橫向和縱向試樣，試樣類型分為矩形板狀試樣和圓棒試樣兩種，焊接接頭采用橫向矩形試樣。拉伸試驗(yàn)依據(jù)ASTM A370:2014標(biāo)準(zhǔn)，矩形板狀試樣和圓棒試樣的拉伸試驗(yàn)分別在WAW-Y1000C和WDW-200E型號(hào)的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試制的X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm直縫埋弧焊管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表2和表1可以看出，試制鋼管所有試樣的拉伸性能指標(biāo)均滿足API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)要求，也達(dá)到了隔水管研制目標(biāo)。

2.1.2 沖擊韌性

在鋼管距焊縫90°位置處取橫、縱向管體沖擊試樣，在焊縫處取焊縫、熔合線、熔合線+2 mm及熔合線+5 mm沖擊試樣進(jìn)行系列溫度下的夏比沖擊試驗(yàn)。試樣規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為－40℃。依據(jù)GB/T229—2007在PSW750型號(hào)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

由表3可知，在－40℃低溫下，管體沖擊功最小值303J，焊接接頭在熔合線位置的沖擊功最小值93J，鋼管管體及焊接接頭都具有優(yōu)良的低溫韌性。

表3 試制的X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm直縫埋弧焊管沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 硬度

在鋼管焊接接頭處取硬度試樣，對(duì)焊接接頭的母材、熱影響區(qū)及焊縫進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，維氏硬度試驗(yàn)壓痕位置如圖1所示。依據(jù)GB/T 4340.1—2009采用HSV-30硬度計(jì)檢測(cè)硬度，結(jié)果見表4。

由表4可見，焊接接頭母材部位的平均硬度值為212.3HV10，熱影響區(qū)部位的平均硬度值為201.1HV10，焊縫部位的平均硬度值為216.8HV10，整個(gè)焊接接頭處的最大硬度值為223HV10，滿足研制目標(biāo)中硬度值≤248HV10的要求。

2.2 鋼管外觀幾何尺寸

2.2.1 直徑、橢圓度及直線度

圖1 維氏硬度試驗(yàn)壓痕位置示意圖

表4 維氏硬度檢測(cè)結(jié)果

鋼管直徑（D）測(cè)量是在鋼管長(zhǎng)度方向上等間隔測(cè)量10處，在每處測(cè)量截面的圓周方向上等間隔測(cè)量3個(gè)位置的直徑數(shù)據(jù)。鋼管的橢圓度是按照每個(gè)測(cè)量截面的最大和最小直徑測(cè)量值的差（Dmax－Dmin）來計(jì)算。鋼管直徑及橢圓度的測(cè)量結(jié)果見表5。采用橢圓度測(cè)量?jī)x測(cè)量鋼管管端橢圓度的界面如圖2所示。

表5可看出，試制鋼管的最大直徑534.3 mm，最小直徑532.2 mm，均在鋼管直徑的控制目標(biāo)范圍之內(nèi)，鋼管橢圓度最大值1.8 mm，最小值0.6 mm，鋼管全長(zhǎng)的直線度2.5 mm。由此而見，試制鋼管的直徑、橢圓度及直線度等外觀幾何參數(shù)得到精確的控制。從圖2可見，采用橢圓度測(cè)量?jī)x測(cè)量鋼管兩端的橢圓度分別為1.8 mm和2.0 mm，與人工測(cè)量的鋼管橢圓度稍有差異，這主要是由于人工測(cè)量不能精確找到鋼管直徑的最大和最小值點(diǎn)，但所有測(cè)量結(jié)果均達(dá)到目標(biāo)控制指標(biāo)要求。

表5 試制鋼管直徑及橢圓度測(cè)量結(jié)果

圖2 橢圓度測(cè)量?jī)x測(cè)量鋼管管端橢圓度的界面

2.2.2 壁厚

鋼管的壁厚（t）測(cè)量是在鋼管長(zhǎng)度方向上等間隔測(cè)量10處，在每處測(cè)量截面的圓周方向上等間隔測(cè)量3個(gè)位置的直徑數(shù)據(jù)。鋼管的壁厚偏差是按照每個(gè)測(cè)量截面的最大和最小壁厚測(cè)量值的差來計(jì)算，即tmax－tmin。鋼管的壁厚測(cè)量結(jié)果見表6。

表6 試制鋼管壁厚測(cè)量結(jié)果

表6可看出，試制鋼管最大壁厚25.81 mm，最小壁厚25.35 mm，壁厚最大偏差0.46 mm，在同一截面圓周檢測(cè)的壁厚最大偏差0.23 mm，壁厚偏差范圍較小，壁厚及壁厚偏差均在目標(biāo)控制范圍之內(nèi)。

在鋼管外徑和壁厚及其偏差范圍得到精確控制后，鋼管的內(nèi)徑及其橢圓度等外觀精度也得到了有效的控制。經(jīng)對(duì)內(nèi)徑橢圓度進(jìn)行檢測(cè)，內(nèi)徑橢圓度最大值1.0 mm，最小值0.5 mm。與國(guó)外生產(chǎn)的同規(guī)格的隔水管用直縫埋弧焊接鋼管相比，試制鋼管在管徑、橢圓度、壁厚及直線度等鋼管外觀幾何尺寸精度控制上優(yōu)于國(guó)外鋼管[17]。

3 結(jié) 論

（1）深水鉆井隔水管作為深水油氣勘探開發(fā)的一個(gè)重要裝備單元，受惡劣的深海服役工況和復(fù)雜的作業(yè)因素的影響，要求深水鉆井隔水管具有良好的力學(xué)性能和高的外觀幾何尺寸精度。

（2）結(jié)合國(guó)內(nèi)深水鉆井隔水管系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化研制需要，研制出X80鋼級(jí)Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管，試制鋼管不僅具有強(qiáng)度高、低溫韌性強(qiáng)及硬度低等優(yōu)異的力學(xué)性能，而且鋼管的直徑、橢圓度、壁厚、直線度等幾何外觀也具有較高的尺寸精度，力學(xué)性能和尺寸精度均達(dá)到研制目標(biāo)要求。

[1]閆永宏，王定亞，鄧平，等．鉆井隔水管接頭技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J]．石油機(jī)械，2008，36（9）：159-162．

[2]暢元江，陳國(guó)明，鞠少棟．國(guó)外深水鉆井隔水管系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]．石油機(jī)械，2008，36（9）：205-209．

[3]劉清友，徐濤.深海鉆井升沉補(bǔ)償裝置國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，36（3）：1-8．

[4]王建軍，林凱，宮少濤，等．海洋深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)研究[J]．天然氣工業(yè)，2010，30（4）：84-86．

[5]王進(jìn)全，王定亞．國(guó)外海洋鉆井隔水管與國(guó)產(chǎn)化研究建議[J]．石油機(jī)械，2009，37（9）：147-150．

[6]HUGH MCCRAE．Marine riser systems and subsea blowout preventers[M]．Texas：University of Texas Press，2003．

[7]暢元江，鞠少棟，陳國(guó)明，等．深水鉆井隔水管單根基本參數(shù)確定方法[J]．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，36（1）：117-121．

[8]MCCRAE H．Marine riser systems and subsea blowout preventers[M]．Houston：University of Texas Press，2003．

[9]李樹果，董麗華，周云．深海鉆井隔水管主管成型工藝探討[J]．硅谷，2014，163（19）：91-92．

[10]API SPEC 5L—2013，管線管規(guī)范（第45 版）[S]．

[11]API SPEC 16F—2004，海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范[S]．

[12]API RP 2RD—2006，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和張力腿平臺(tái)的立管設(shè)計(jì)[S]．

[13]ISO 13628-7—2005，石油和天然氣工業(yè)水下采油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作第7部分：完井修井隔水管系統(tǒng)[S]．

[14]SY/T 10037—2010，海底管道系統(tǒng)規(guī)范[S]．

[15]SY/T6558—2003，海上油氣水井抗冰隔水管設(shè)計(jì)與制造規(guī)范[S]．

[16]牛愛軍，畢宗岳，牛輝，等．國(guó)外深水鉆井隔水管發(fā)展現(xiàn)狀及主管性能分析[J]．焊管，2015，38（9）：6-11．

[17]畢宗岳，牛愛軍，牛輝，等.國(guó)內(nèi)外X80深水鉆井隔水管主管性能對(duì)比[J].焊管，2013，36（11）：5-9.

Performance Research on Longitudinal Submerged Arc Welded Pipe with High Dimensional Accuracy Used for Deepwater Drilling Riser

NIU Aijun1,2,HU Zhiguo3,NIU Hui1,2,LI Ying3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China）

TE951

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.001

2017-02-04

編輯：謝淑霞

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”（項(xiàng)目編號(hào)2013AA09A222）。

牛愛軍（1980—），男，陜西武功人，高級(jí)工程師，主要從事油氣管材的新產(chǎn)品開發(fā)、新工藝、新技術(shù)研究工作。