自升式鉆井平臺樁腿用A517Q弦管的試制

黃 文 程世清 姜治凱 孫 林 羅祖義 尚 龍 黃麗秋 孫成亮

(武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司，湖北430084)

隨著陸地資源的日趨匱乏，向海洋進(jìn)軍已經(jīng)成為國際性石油巨頭的共識和發(fā)展重點，這帶動了海洋工程裝備業(yè)的高速發(fā)展。目前全球海工裝備制造商分為三大梯隊。處于第一梯隊的是歐美公司；韓國和新加坡公司處在第二梯隊；中國公司總體處在制造低端產(chǎn)品的第三梯隊。而國內(nèi)擁有的鉆井平臺作業(yè)水深為200 m～457 m，大致停留在國際鉆井平臺第二代到第三代水平之間。國際上有17座鉆井平臺作業(yè)水深達(dá)到2 000 m，2座甚至達(dá)到3 000 m，分別為第五代和第六代水平。與之相比，中國的海工裝備的差距可謂巨大。不過，中國正加快追趕的步伐，擬建造世界上最先進(jìn)的第六代鉆井平臺。

國家在“十二五”期間擬投入我國近海大陸架和大陸坡水深200 m～457 m海域的石油天然氣鉆井平臺15 000座。能否開發(fā)制造滿足鉆井平臺要求的材料和設(shè)備，最大限度的實現(xiàn)國產(chǎn)化，是國內(nèi)制造企業(yè)面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

自升式鉆井平臺是能自行升降的鉆井平臺。分獨立腿式和沉墊式兩類。樁腿單元是升降系統(tǒng)的重要組成部分，它起到將船體支撐在水面上，以便于進(jìn)行水上鉆井作業(yè)，同時，根據(jù)不同地域水深情況調(diào)整適合平臺作業(yè)的水深高度，使懸臂梁移出達(dá)到鉆井工位進(jìn)行鉆井工作。平臺的樁腿位于平臺主船體的承重端點位置上，一般有三個樁腿，呈花架結(jié)構(gòu)。它的升降移動是靠齒輪齒條傳動，由升降電機帶動齒輪變速箱輸出動力給轉(zhuǎn)動小齒輪，小齒輪與焊接在樁腿上的齒條咬合達(dá)到傳動效果，每個樁腿由三個弦管構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 弦管示意圖Figure 1 Chord diagrammatic drawing

目前海上移動式鉆井平臺中自升式鉆井平臺占45%，具有廣闊的市場前景。自升式鉆井平臺的三條樁腿采用的是A517Q材料，A517Q是一種淬火加回火的高強度合金鋼，樁腿齒條用鋼板國內(nèi)部分廠家已能生產(chǎn)，我公司采用鍛造-鏜孔法制成樁腿用弦管，目前在國內(nèi)尚屬首次。因此該產(chǎn)品的研制成功具有重大意義。

1 產(chǎn)品介紹

1.1 研制對象

自升式鉆井平臺樁腿用A517Q弦管，外弦半徑為222.25 mm，壁厚為82.55 mm。研制弦管規(guī)格為?444.5 mm×82.55 mm，數(shù)量2支。試驗、檢驗合格后采用機械切割法將其剖開加工成2個半圓。

1.2 產(chǎn)品特點

A517Q弦管的特點是高強度，高屈服極限。能在海水中長時間浸泡，耐強腐蝕，耐低溫。

2 產(chǎn)品研制

2.1 工藝流程

A517Q弦管工藝流程為：煉鋼→鑄錠→鋼錠紅送→加熱、鍛造→鍛后退火→粗車外圓、鉆-鏜內(nèi)孔→調(diào)質(zhì)熱處理→理化試驗→內(nèi)、外圓加工→超聲波、渦流探傷→尺寸、外觀檢查→機械切割。

2.1 冶煉工藝

A517Q弦管采用電弧爐粗煉，鋼包精煉爐吹氬攪拌精煉，并經(jīng)真空處理后下注，保證得到細(xì)晶粒的鎮(zhèn)靜鋼。配料選用優(yōu)質(zhì)廢鋼、優(yōu)質(zhì)生鐵，嚴(yán)禁配入土鐵，不得混有泥沙、密閉容器等。冶煉中嚴(yán)格控制S、P等有害元素含量。采用Si-Ca進(jìn)行終脫氧。煉鋼中調(diào)整合金元素，盡量減少有害元素，充分降低鋼中氣體含量，為使弦管經(jīng)熱處理后獲得理想的組織、綜合力學(xué)性能及良好的熱加工性能和可焊性打下良好基礎(chǔ)。

2.3 鍛造工藝

模鑄后紅送鋼錠至加熱爐。加熱溫度為1 250℃，保溫4 h。加熱質(zhì)量是順利進(jìn)行鍛造的關(guān)鍵之一，加熱時須嚴(yán)格控制始鍛溫度和保溫時間，防止鍛件加熱不均勻或出現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象。

鍛造圓管坯規(guī)格為?485 mm，長度分別為4.3 m和4.85 m。鍛造分鐓粗和拔長工序，分別在25 MN立式水壓機進(jìn)行鐓粗作業(yè)及在16 MN快鍛機進(jìn)行拔長作業(yè)，共2火次完成。所用模具工裝、變形量均按工藝規(guī)定執(zhí)行，保證毛坯鍛件總鍛造比≥3，確保鍛造圓管坯的質(zhì)量。

2.4 熱處理工藝

對經(jīng)粗車外圓、鉆-鏜內(nèi)孔后的管坯進(jìn)行探傷檢驗，合格后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。設(shè)備為臺車式熱處理爐。具體工藝參照ASTM A517中的相關(guān)規(guī)定，并根據(jù)武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司的實際工藝裝備情況制定。實施的熱處理淬火溫度為910℃，回火溫度為640℃，回火后在空氣中冷卻。

2.5 無損探傷檢驗

分別按GB/T2970—2004 A級標(biāo)準(zhǔn)和ASTM A578標(biāo)準(zhǔn)、ASTM E309標(biāo)準(zhǔn)對研制的弦管進(jìn)行整長全覆蓋超聲波、渦流探傷檢驗。

3 試驗結(jié)果

3.1 化學(xué)成分檢驗結(jié)果

熔煉分析、成品分析結(jié)果見表1，五害元素含量見表2。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction, %)

注：訂貨廠家的技術(shù)協(xié)議要求S含量最高不能超過0.01%，C含量最高不能超過0.18%。

表2 五害元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Content of five harmful elements

從表1、2可以看出，鋼的化學(xué)成分符合ASTM A517Q標(biāo)準(zhǔn)及訂貨廠家技術(shù)協(xié)議要求，P、S含量控制較好，五害元素及氣體元素含量控制在相當(dāng)?shù)偷乃剑撳V冶煉質(zhì)量良好。

3.2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

根據(jù)ASME SA-370的要求，試樣分別取自主弦管1/2、1/4壁厚處的橫向、縱向，進(jìn)行常溫力學(xué)性能試驗，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加工試樣。

拉伸試驗：拉伸試樣采用直徑為12.5 mm，標(biāo)距為50 mm的圓形標(biāo)準(zhǔn)試棒。

沖擊試驗：采用夏比V型沖擊缺口試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度為2 mm。

硬度試驗：按SA-370的要求，在沖擊試樣的殘樣上進(jìn)行布氏硬度試驗。力學(xué)性能試驗結(jié)果見表3，沖擊試驗結(jié)果見表4。

從表3、4可以看出，A517Q弦管不同取樣位置的室溫拉伸性能、硬度試驗結(jié)果、系列沖擊功完全符合ASTM A517標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議的要求,硬度分布均勻，性能波動不大，顯示出良好的均勻性，系列低溫沖擊試驗結(jié)果良好。

3.3 金相試驗結(jié)果

金相檢驗包括金相組織、晶粒度和非金屬夾雜物檢驗,試驗結(jié)果見表5，金相照片見圖2。

3.4 低倍試驗結(jié)果

分別在兩支弦管取樣進(jìn)行低倍試驗，低倍試片上沒有發(fā)現(xiàn)夾雜及夾渣、氣泡、白點、縮孔、裂紋、翻皮、分層、異金屬缺陷，見圖3。

3.5 脆性轉(zhuǎn)變溫度試驗

對系列沖擊值和斷面剪切比進(jìn)行分析，得出樣管1脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50為-43℃，樣管2脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50為-47℃，轉(zhuǎn)變溫度曲線見圖4。

3.6 無損探傷檢驗

分別按GB/T2970—2004A級標(biāo)準(zhǔn)和ASTM A578標(biāo)準(zhǔn)、ASTM E309標(biāo)準(zhǔn)對研制的弦管進(jìn)行整長全覆蓋超聲波、渦流探傷檢驗，檢驗結(jié)果合格。

表3 力學(xué)性能試驗結(jié)果Table 3 Test results of mechanical property

注：訂貨廠家的技術(shù)協(xié)議要求Rel≥690 MPa，Rm為790 MPa～930 MPa，布氏硬度不低于260HBW。

表4 沖擊試驗結(jié)果Table 4 Impact test results

注：訂貨廠家的技術(shù)協(xié)議要求縱向在-37℃、1/4壁厚時，在-27℃、1/2壁厚時均為69 J。

表5 金相試驗結(jié)果Table 5 Metallographic test results

圖2 金相照片F(xiàn)igure 2 Metallographic photo

圖3 低倍試驗照片F(xiàn)igure 3 Macro test photo

圖4 脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線Figure 4 Brittle transition temperature curve

4 結(jié)論

對弦管的常規(guī)檢驗和低溫沖擊性能檢驗結(jié)果進(jìn)行分析，滿足自升式鉆井平臺樁腿用A517Q弦管的訂貨要求，滿足ABS規(guī)范要求。同時鋼水的純凈度較高，五害元素和P、S元素含量低，整個試制工藝是可行的，冶煉工藝、鍛造工藝及熱處理工藝制定合理。整個研制過程處于可控狀態(tài)，工藝過程有記錄可追溯，符合質(zhì)量保證體系的要求。

A517Q弦管各項性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求。

該材料主要用于自升式鉆井平臺樁腿齒條弦管，以上檢測和試驗項目均進(jìn)行了ABS和CCS現(xiàn)場見證，并取得了ABS工廠認(rèn)可證書，可替代進(jìn)口，為海上自升式鉆井平臺提供了一種性能優(yōu)良的國產(chǎn)材料。