厚壁UOE海底管線管的開發實踐

黃衛鋒，張 備，鄭 磊，謝仕強

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

0 前 言

隨著油氣管線輸送壓力的日益增加，管道敷設逐漸趨于海洋的極端環境，對管線鋼的性能要求也日趨苛刻。如今，海管不僅要求更大的壁厚，而且要求更高的強度等級，良好的韌性、較小焊接性和較小的尺寸公差[1]。

荔灣3-1氣田海底管道全長約261 km，鋼管外徑為762 mm，壁厚為28.6~31.8 mm，鋼級為 X65MO和 X70MO，設計壓力為 23.9 MPa，是迄今國內壓力最高、壁厚最厚的海底管道開發項目，在海洋開發和海管制造領域具有重要戰略意義。寶鋼為該項目供應了UOE海管4.3萬t，其中壁厚最大的規格φ762 mm×31.8 mm X70MO焊管由寶鋼獨家供貨。

寶鋼從該項目正式勘探開始，就先期參與項目的設計、試制、評價、批量生產和海底鋪設的全過程。發揮從冶煉到UOE制管的全流程一貫制技術管理優勢，攻克了煉鋼、軋板、制管等多個技術難題，先后成功完成了首輪單爐試制，小批量、分階段的千噸級、兩千噸級等各階段試制任務，成功完成了4.3萬t的批量海管合同。

1 技術要求及難點

本項目設計管徑762 mm，設計壓力23.9 MPa，設計溫度為50℃，鋼管名義長度12.2 m，允許長度公差±0.3 m，具體規格見表1。鋼管質量要求執行DNV OS-F101，API SPEC 5L和項目技術規格書。管線管等級為DNV OS-F101規范中的450FD和485FD（相當于API SPEC 5L規范中的 X65MO和X70MO）。

表1 荔灣3-1氣田海底管線鋼管規格

本項目除了DNV OS-101常規要求外，還包括斷裂控制（F）和高精度尺寸要求（D）。尤其是全壁厚試樣的DWT試驗、每個試批同時進行縱橫向矩形試樣及圓棒試樣的管體拉伸試驗、每個焊接接頭8組沖擊試驗、焊縫及熱影響區CTOD試驗、鋼管橢圓度控制及鋼管定尺長度要求。高達23.9 MPa的輸氣壓力，對厚壁海管煉鋼、厚板軋制及UOE鋼管各工序的制造能力和質量的穩定性都是很大的挑戰，海管主要技術要求見表2。

表2 海管主要技術指標

這些性能要求不僅彼此不同，而且還互相影響。管道工程師為了保證可焊性，要求碳當量（CE）要低，但又同時要求高強度和低屈強比。對韌性的要求也是如此，例如要求-20℃時夏比V 形缺口韌性為 121 J（X70MO）/147 J（X65MO），同時又要求85%的落錘撕裂剪切面積，這二者也是強烈地互相影響的，低碳鋼具有優異的CVN韌性，但DWTT剪切面積比率不高。依靠昂貴的合金化方案可能獲得熱影響區韌性，但是又經常與DWTT性能以及低碳當量相沖突[2]。

2 海管制造主要工藝流程

針對厚壁UOE海底管線鋼的顯著特點和開發該系列產品的主要難點，充分發揮寶鋼全流程一貫制優勢，確定以下主要工藝流程設計。

（1）煉鋼連鑄。鐵水預處理 （三脫鐵水）→LD轉爐冶煉→爐外精煉（LF＋RH、喂Ca絲）→連鑄→板坯分切。

（2）厚板軋制。板坯加熱→厚板TMCP生產→下線堆冷→鋼板UT→鋼板剪切、試驗。

（3）UOE制管。全自動引弧板焊接→銑邊→C成型→U成型→O成型→水沖洗及烘干→預焊→內焊、外焊→擴徑前無損檢測→機械擴徑→水壓→擴徑后無損檢測→尺寸及外觀檢測→性能試驗等。

3 鋼板的制造

高質量的鋼板原料是生產高質量海底管線管的先決條件。針對本項目厚規格海底管線鋼的顯著特點和開發該系列產品的主要難點，確定以下鋼板生產工藝。

（1）采用“少量鐵素體＋貝氏體”的針狀鐵素體組織設計思路，利用針狀鐵素體鋼中可動位錯密度高、屈強比適中、均勻延伸率高、加工硬化能力強以及焊接性能好的特點，滿足深海管線對材料力學性能的特殊要求。

（2）在合金設計上采用低碳和低碳當量以保證鋼的焊接性能，通過Nb-Ti復合微合金化細化鋼的組織，改善應變時效性能等。另外，適量添加Cu，Cr和Ni等元素提高鋼的淬透性，獲得理想的貝氏體組織和成分，化學成分設計見表3。

（3）采用三脫鐵水、深脫磷、超深脫硫、鈣處理、氮控、全氧控制和高品質鑄坯控制等潔凈鋼冶煉、連鑄技術，通過材料的高潔凈度控制和高鑄坯質量保證材料的高韌性指標要求。

（4）通過開發壓縮空氣吹掃管等裝置和溫度均勻性控制技術改善鋼板的板形、表面質量以及鋼板的組織和性能的均勻性。

（5）通過革新生產組織和管理程序，保障厚規格海底管線鋼板板形、表面質量和各項理化性能的穩定性。

表3 鋼板的化學成分 %

4 UOE鋼管的制造

4.1 UOE成型工藝設計和研究

UOE鋼管生產工藝包括C成型（又稱預彎邊）、U成型、O成型及焊接成管后的擴徑（簡稱E）。焊前的C-U-O成型在改變形狀的同時也在改變鋼板成管后的物理性能，這種變化必須將理論計算和過程數值模擬技術相結合，而不僅僅采用實際試驗的方法進行，旨在大幅度降低試驗和制造成本，成型過程模擬如圖1所示。

圖1 UOE成型模擬

快節奏成型過程使得鋼板成型后的尺寸精度和性能變得更為復雜，影響到后續的預焊，對預焊機組造成危害，也會影響到內焊和外焊，最終影響到質量和產量，尤其是C成型的直邊段精度。直接關系到焊管梨型凸度（又稱撅嘴）、內外焊的焊縫質量和焊趾缺陷等。

O成型的精度影響到焊接過程的穩定、內外焊縫交互熔深以及管體的橢圓度，管體擴徑率與O成型過程中的壓縮率的合理匹配決定了管體的力學性能和管形尺寸精度。

通過對板材力學性能與各工序工藝參數對成型質量的影響規律的研究，基于管材力學性能測試模型建立UOE產品質量預判系統，對本項目的UOE焊管產品的成型質量和力學性能進行預測，優化成型工藝設計，力求在鋼板性能、成型工藝、鋼管性能、殘余應力和鋼管尺寸中找到最佳平衡。

4.2 焊接工藝設計和研究

采用UOE多絲埋弧焊焊接有限元模型，主要對焊接熱輸入及殘余應力進行模擬研究，確定合適的熱輸入范圍；配以寶鋼自行研發的BH70GX-Ⅲ焊絲，焊絲的成分設計與寶鋼母材的成分匹配，焊縫金屬Pcm控制在0.16%~0.17%，最大程度優化焊接性；焊劑采用特別定制的JH-SJ101GX堿性焊劑，最終得到焊縫與母材成分等同，強度等強略高匹配的焊接接頭；內外焊分別采用4絲埋弧焊接工藝，內外焊分別采用激光自動跟蹤自動記錄追溯系統；焊劑輸送回收均采用全自動系統完成，確保焊劑質量的穩定性，以得到焊縫性能的穩定性。

外焊縫余高直接決定了涂層的成本，通過坡口及焊接工藝的調整可將內外焊縫余高顯著降低，可大幅度節約涂層成本。通過焊接工藝優化設計，控制焊趾過渡角，可使內外焊縫余高與管體平滑過渡，可有效提升涂層合格率，降低焊趾殘余應力，并可提升深海管線的抗壓潰能力，焊縫宏觀金相照片如圖2所示，焊縫宏觀金相尺寸數據見表4。

圖2 焊縫宏觀金相照片

表4 焊縫宏觀金相尺寸數據

4.3 探傷

為確保海管的質量，對每根鋼管的原料均進行100%的表面積超聲波探傷、擴徑前后焊縫超聲波探傷、焊縫X射線工業電視探傷、管端X射線拍片探傷、管端超聲波分層探傷、管端磁粉探傷和內外表面檢查，并配置了3組串列式探頭，主要用于探測普通探頭難以探測的焊縫中間部位的缺陷，如氣孔、夾渣等缺陷，超聲波串列式探測如圖3所示。

圖3 超聲波串列式探測缺陷示意圖

5 成品鋼管檢測結果

5.1 鋼管幾何尺寸

對影響海管鋪設質量和進度的關鍵尺寸進行了嚴格控制。管端橢圓度最大值控制在3.0 mm以內，管端平均橢圓度1.7 mm，過程能力指數CPK1.43，且不同鋼管之間橢圓度、外徑等尺寸差異很小，可保證海上環焊施工時容易進行鋼管對口，盡量減小對口錯邊。

同時，UOE焊管在O成型時采用了較大的壓縮率，使得鋼管內部殘余應力小且分布均勻，即使鋼管經過涂層加熱及長時間放置，鋼管尺寸依然保持不變。成品鋼管的尺寸數據見表5，管端橢圓度和外徑分布如圖4和圖5所示。

為了將鋼管定尺長度控制在（12.2±0.3）m，為海上鋪管施工提供更寬松的條件，對鋼板剪切精度、擴徑后鋼管長度縮減量、平頭及倒棱量均進行了嚴格的規定。尤其是為了避免取樣試驗造成的短尺，經過與業主、監理反復溝通，達成了兩根管取樣的方案，避免了因取樣造成的鋼管短尺。

表5 鋼管幾何尺寸

圖4 管端橢圓度分布圖

圖5 管端外徑分布圖

5.2 鋼管力學性能

5.2.1 拉伸性能

管體拉伸試驗數據見表6。采用矩形壓平試樣，可以看到所有的強度指標均滿足技術規格書的要求，且數據分布在很窄的范圍，縱橫向差異在20 MPa以內，橫向屈強比均值0.83，縱向屈強比均值0.87。同時，為了避免因試驗方法本身造成對鋼管屈服強度的誤判，按標準對每個試批也進行了圓棒試樣的拉伸試驗，通過對大量的圓棒試樣與矩形壓平試樣結果的統計分析，二者并無明顯區別，圓棒試樣的橫向屈服強度比矩形試樣均值高約20 MPa，這與矩形試樣的壓平程度、包申格效應及圓棒試樣的取樣位置等均有關系。

表6 管體拉伸試驗結果

5.2.2 沖擊韌性

沖擊試驗溫度為-20℃，管體取樣位置為壁厚中心，焊接接頭取樣位置為外焊縫及內外焊縫交界部分的焊縫中心以及FL，FL+2 mm和FL+5 mm，每個焊接接頭的沖擊試樣為8組，如圖6所示。焊接接頭沖擊韌性的分布如圖7所示。同時，對管體進行了時效（200℃，1 h）前后的系列沖擊試驗，試驗結果如圖8及圖9所示?？梢钥吹?，無論管體、焊縫以及FL，FL+2 mm，FL+5 mm均具有非常優異的沖擊韌性，管體時效后無明顯的沖擊韌性下降現象，即使在-60℃，沖擊韌性依然接近400 J，遠高于工程項目的要求。焊接接頭的FL沖擊韌性相對最低，隨著取樣位置距離FL越遠，沖擊韌性越好，但即使是沖擊韌性最低的FL，最低沖擊功依然在100 J以上。因此，這種材料設計即使在埋弧焊大熱量輸入的情況下依然具有優異的焊接性。

圖6 焊接接頭沖擊取樣位置示意圖

圖7 焊接接頭不同位置沖擊韌性分布圖

圖8 450FD/X65MO時效前后系列沖擊試驗結果

圖9 485FD/X70MO時效前后系列沖擊試驗結果

5.2.3 DWTT性能

DWT試驗溫度為0℃，標準要求采用全壁厚試樣。由于管體韌性高，采用壓制缺口試樣在60 000 J落錘試驗機上仍不能將試樣打斷，后采用全壁厚人字形缺口試樣進行試驗，可在較低的吸收能量下將試樣打斷，但由于人字形缺口試樣在加工缺口前需要將試樣反復進行壓平，壓平過程對DWTT結果有一定的負面影響。

隨著強度及壁厚的增加，全壁厚DWTT對鋼板原料的制造及試驗本身均是一個很大的挑戰。DWT試驗結果見表7，均滿足標準要求。

表7 海管DWTT性能（全壁厚，人字形缺口，0℃）

5.2.4 CTOD性能

對首批檢驗鋼管進行CTOD試驗，試驗溫度0℃，根據標準BS7448和DNV OS-F101附錄B進行試驗。對NPWM和NPBM試樣，采用的試樣形式為W=2B。對于NQCGHAZ試樣，采用表面缺口且試樣形式為W=B，NQCGHAZ的預制裂紋尖端位于HAZ粗晶區且距熔合線不超過0.5 mm，如圖10所示。試驗結果見表8，無論母材、焊縫還是HAZ粗晶區均具有良好的CTOD值。

圖10 NQCGHAZ預制裂紋位置

表8 海管CTOD性能（0℃）

5.2.5 其他試驗

其他試驗如硬度、導向彎曲、焊縫拉伸等試驗均一次通過。為了保證焊接接頭、管體的沖擊韌性和良好的落錘性能，采用了超低硫磷含量的三脫鐵水。為此，根據NACE TM0284和NACE TM0177分別進行了HIC和SSCC試驗，試驗結果顯示所有試樣均無裂紋，表明該材料無論管體還是焊縫均具備優良的耐蝕性能。

6 結 論

寶鋼生產開發的南海深水天然氣海底UOE管線鋼管具有性能優良、焊接性好、橢圓度等尺寸控制精度高的特點。滿足荔灣海底管道項目的各項技術要求，并成功實現批量供貨和工程應用，實現了我國海底管道長距離高壓輸送用特厚壁、高強度UOE管線鋼管的國產化目標。

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