X65海底管線管的開發

李 強 李效華

1. Reeling Lay 鋪設方式簡介

海上油氣田開采出的油氣，除少數在海上直接裝船外運外，多數通過管道輸送至陸地進行加工。隨著海洋石油和天然氣開發的不斷深入，海洋管道的作用越來越重要。因此，海洋管道鋪設的專用設備—鋪管船的作用也在不斷提高。從鋪管方式上可以劃分為SLay型、J-Lay型和Reeling Lay型。見表1。

表1 鋪管方式的比較[1]

Reeling lay區別于其他方式的優點在于將長達1km的管線在陸上完成焊接和探傷。這樣既提高了管線焊接的質量控制水平，又降低了海上鋪設的成本。2005年豪氏威馬為Subsea 7建造的Reeling lay系統承載管線的噸位已經高達400噸，高于一般的S-Lay鋪設系統。這樣的新型鋪設系統對管線管產品在性能、工藝性等提出了新的性能要求。

2.X65海底管線生產工藝

TPCO依托自身成熟的無縫管的生產經驗和產品質量控制體系，針對超出API 5L要求的特殊管線產品，采用電爐冶煉-爐外精煉-VD-連鑄-管坯再加熱-穿孔-熱軋-定徑-矯直-熱處理-精整處理的工藝路線。

2.1 煉鋼工藝

為保證管材最終抗腐蝕性、抗變形性、韌性，在煉鋼環節主要控制目標是保證鋼坯的夾雜物水平低，管坯成分偏析程度小。主要手段采用SiCa絲控制夾雜物變形、雙端電磁攪拌、控制VD時間與連鑄銜接節奏。

2.2 軋管工藝

為獲得尺寸精度優異的管線管產品，在軋制環節主要的控制目標是外徑、壁厚、偏心度要實現滿足表2的要求。主要采用的手段包括控制管坯的加熱節奏、穿孔定心、軋制下壓量控制等。

2.3 熱處理工藝

為保證同熱處理批內不同管和同一管的兩端的屈服強度的波動范圍在120MPa以內，主要采的控制手段是調整淬火時間、內外水量控制等。

2.4 精整工藝

為保證客戶在現場焊接對管口均勻，TPCO采用管端定徑和加工控制。

3.X65海底管線管的性能

3.1 化學成分控制

3.1.1 成分設計

海底管線管需要具有良好的強度、韌性、焊接性。為提高管材的焊接性能，以及韌性和低溫性能，采取降低C含量的思路，一般控制在0.12%以下，但是為了保證必要的強度還要通過加入一定數量的合金元素，如Mn、Si、Cr、Mo、V、Nb、Ti等利用其固溶強化、析出強化和細晶強化等機制補償降C帶來的強度下降。見表3。

3.1.2 鋼中的作用

C:經濟型的低合金鋼的強度主要依靠C含量調節，提高C的含量除了提高強度外，韌性、可焊性全部下降，對于用于海洋環境的產品焊接質量是風險控制的重點。因此，應在保證強度的前提下，盡量下調C的含量，最好控制在0.10%以下。

表2 產品的主要尺寸要求[2]

表3 TPCO X65 海洋管線的成分

表4 海洋用管線管的機械性能要求

Mo：Mo是提高淬透性和提高回火抗性的有效元素，對于厚壁的管材可以適當加入以保證整管的性能均勻性，但是出于經濟和焊接性的考慮，Mo的含量不應超過0.15%[3]。

V:V是生成高溫金屬間化合物的元素，能夠起到彌散強化的作用。考慮到經濟和焊接性，推薦在壁厚較小產品中使用[4]。

P、S:有害元素P、S會產生諸多問題，例如抗腐蝕性等，針對海洋環境使用的管線管，由于維修成本高，維修困難，管材制造方應盡量降低P、S的含量，減少服役時出現問題的可能。

3.1.2 碳當量控制

按照公式Pcm=C＋Si/30 +（Mn+Cr+Cu）/20＋Ni/60+Mo/15+V/10+5B計算冷裂紋敏感指數，海洋環境中X65級別的管材要控制在0.22以下。同時為保證產品性能的一致性，Pcm的波動在±0.02。

3.2 性能控制

供貨的管材應滿足表4的性能要求。

4.X65海底管線管的生產

目前，TPCO已經為國內外用戶提供用于海洋環境的X65產品。包括供中海油潿洲項目的規格為Ф168.3×11mm、Ф273.1×11.1mm、Ф273.1×15.9mm和Ф 406.4×17.5mm的海底管線管。以及供美孚尼日利亞項目的Ф406.4×20.6mm、Ф355.6×11.3mm以及Ф323.8×22.23mm海底管線管。

美孚項目的實際強度、硬度、沖擊性能見圖1-圖4、表5。

表5 材料的耐腐蝕性試驗結果

由此可見，通過篩選合適的鋼種和工藝，可以滿足海洋環境使用的苛刻要求。

5 特殊性能試驗

以上的實際產品性能只是滿足S-lay鋪設方式的要求，對于具有塑性變形的Reeling lay使用的管材， 由于深海用繞管由于鋪設之前要經過焊接后的卷曲、解曲和矯直的反復應變和塑性變形，并且管線要鋪設到1000m以下的深海進行作業，管體承受極大的外部水壓，因此該項目用管線在對常規機械性能提出較高要求的同時，對焊接、疲勞和抗腐蝕性能也提出了較高的要求。

5.1 時效應變試驗

由于管材在焊接后還要進行冷塑性變形，在這一冷一熱的過程后，管材的性能應保證與應變前的韌性變化小。通過應變+高溫時效的方式對管材進行檢驗。

首先，對材料進行塑性應變見圖5、表6。

應變率：2.5%、5%、7.5%。然后在250℃時效。

由結果可知，應變失效后材料的韌性未出現明顯的下降，并且保持較高的水平。

5.2 均勻延伸率測試

均勻延伸率是保證管材在反復彎曲應變過程中不會出現包申格效應，而產生強度下降的結果。TPCO對其產品測試結果見圖6。

結果表明均勻延伸率均＞6%，這就保證在Reeling lay的鋪設過程中不會出現強度下降。

5.3 水壓試驗

水壓試驗的目的是考察在深海中管線產品抗海水壓力的能力。TPCO對其產品進行壓潰試驗。其結果見圖7。壓潰值：9300Psi。

表6 應變時效的結果

6 結果討論

TPCO設計生產的海洋管線管產品不僅能滿足性能波動小，尺寸要求嚴格、抗腐蝕性優異的基本要求。對于Reeling lay這種特殊的鋪設方法，管材的應變時效性能、均勻延伸性能、抗擊毀性能均有出色的表現。因此，TPCO的X65管線管產品可以用于這種特殊的鋪設方式上。

[1] 楊永升，熊平安，徐壽欽. 國內外鋪管船簡介[J].船舶物資與市場，2010，06：26-29

[2] DNV-OS-F101-2007，SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS[S].

[3]孔君華，鄭 琳，郭 斌.鉬在高鋼級管線鋼中的作用研究[J]. 鋼鐵，2005，40（1）：66-68

[4]韓孝永.鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用[J]. 寬厚板，2006，1：39-41