深海管線用高鋼級厚壁直縫埋弧焊管研制*

牛愛軍，畢宗岳，牛 輝，黃曉輝，張阿昱

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

目前海洋能源已成為全球可持續發展主流能源體系的重要組成部分，全球50%以上的油氣產量和儲量將來自海洋[1]。近年全球重大勘探發現，有近50%來自深水，隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深水和超深水的油氣資源的勘探開發已經成為世界油氣開采的重點領域，深水油氣開發正在成為世界石油工業的主要增長點和科技創新的前沿。我國南海擁有豐富的油氣資源，估計蘊藏石油1 050億桶，天然氣2 000萬億m3，其中70%蘊藏于深海區域，但我國目前油氣開發還主要集中在陸上和近海，開辟深海油氣勘探開發領域以尋求新的資源是當前面臨的主要任務[2－3]。

深海環境十分惡劣和復雜，作為運輸載體的海底管線，長期在低溫、高壓、強腐蝕的海洋環境中服役，不僅承受著內外壓力、軸向力、彎矩等靜載荷和溫度荷載的聯合作用，而且還要承受交變的外壓、波浪、海流的動載荷作用，使管道承受著多種載荷的聯合作用并引發多種形式的破壞[4]。因此，深海管道對管線鋼材料、管道焊接、施工、維護等提出了更高的要求，對鋼管在強度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等方面都有著嚴格的要求，以提高鋪設工程及管線運行的安全性[5－7]。

1 研制背景及技術目標

1.1 研制背景

海底管道的起源和發展在國際上已有較長的歷程。從1954年在美國的墨西哥灣由Brown&Root海洋工程公司鋪設的第一條海底管道以來,在世界各近海海域成功地鋪設了無數條各種類型、各種管徑的海底管道[8]。國外建設的海底管道水深已達3 500 m，新近建設的海底管線多采用X70大直徑、大壁厚鋼管，最大直徑1 219mm，最大壁厚44 mm[9]。

我國海洋工業開始于20世紀60年代末期，最早的海洋石油開發起步于渤海灣地區。該地區典型水深約20 m。到了20世紀80年代末期，在南中國海的聯合勘探和生產開始在100 m左右水深的范圍內進行[10]。我國自2000年以來先后建設了多條海底管道，以推動海洋能源資源的開發，但受勘探、開采、管道鋪設設備、技術和管線鋼原材料開發水平的限制，尚沒有在超過300 m水深進行管道鋪設，已經完工的海底管道鋪設因其在近海以及管道內外承壓小，主要采用X65鋼級以下小直徑薄壁鋼管。表1為國內鋪設的典型海底管線。

我國南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，目前，我國正加快南中國海油氣資源的勘探開發，但這一海域水深在500～2 000 m，而我國目前還不完全具備在這樣水深海域進行油氣勘探和生產的技術[11]。南海荔灣3-1氣田是我國目前首個深海 (1500 m水深)氣田，也是目前中國最大、最深的海上氣田，該氣田的發現使南海深水區成為勘探熱點，加快了南海深水油氣勘探開發的步伐，推動了我國深海管線鋼及鋼管的國產化應用[12]。隨著我國深海油氣資源開發力度加大，研究開發具有高性能、高鋼級、大壁厚和高尺寸精度的深海管線用鋼管的重要性得到凸顯。

表1 國內鋪設的典型海底管線

隨著科學技術的進步和我國對油氣資源需求的提高，深水油氣開發已成為我國面臨的緊迫任務[13]。為提高我國深海油氣勘探開發的能力，保障我國海洋石油天然氣戰略的順利實施，在國家863計劃的支持下，“深海高壓油氣輸運高強厚壁管材關鍵技術研究”等深水油氣勘探開發技術與裝備重大項目正在積極開展中。

1.2 研制技術目標

考慮到深海管線服役環境的特殊性，課題提出了X70級36.5 mm超厚壁直縫埋弧焊管的研制目標，對管材的強度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等指標比DNV-OS-FlOl《海底管道系統》規范、API SPEC 5L《管線鋼管規范》和南海荔灣3-1管線的技術要求更加嚴格。表2為課題研制鋼管的主要技術指標與相關海底管線技術規范中對X70海底管線鋼管主要性能指標對比。

表2 X70海洋管研制主要技術指標對比

2 深海用X70厚壁板材開發

2.1 成分設計

高性能管線鋼應以超低碳貝氏體或者超低碳針狀鐵素體組織為特征，使之在具有高強度、高韌性和良好焊接適應性的同時具有較高的抗動態撕裂性能[14]。本課題采用了低C高Mn-Nb-Ti系的合金化設計，w（C）嚴格控制在0.07%以下，加入較高的Mn，以達到強度要求，降低合金化成本。通過加入適量Mo，Ni，Cu和Cr，使試制鋼板軋后在一個較寬的冷速范圍內獲得細小、均勻的貝氏體/針狀鐵素體組織。利用Nb和Ti的微合金化及控制相變組織的Mo低合金化，低的Ceq值和Pcm值，保證鋼板的高強度、高韌性和良好焊接性[15]。采用鈣處理和潔凈鋼冶煉技術，嚴格控制 S， P，[O]，[N]，[H]在鋼中含量。 研制出的X70級36.5mm深海用厚壁鋼板主要化學成分見表3，除此外，還有Nb，Ti，Mo，Ni，Cu，Cr等元素。

表3 深海管線用X70厚壁鋼板的主要化學成分 %

2.2 控軋控冷工藝

研制的深海用X70級36.5 mm厚壁鋼板的試制在鞍鋼5 500 mm雙機架軋機寬厚板生產線上完成。采用控制軋制、軋后加速冷卻的控軋控冷工藝（TMCP）生產。由于鋼板規格較厚，采用奧氏體再結晶區和奧氏體未再結晶區兩階段控制軋制，軋制均采用較大的道次變形量和較高的累積壓下率。終軋結束后通過快速冷卻、大冷速和較低的終冷溫度對鋼板進行控制冷卻，提高其厚度方向上的冷卻均勻性，使變形的奧氏體向針狀鐵素體和粒狀貝氏體轉變，以獲得細小、均勻的顯微組織，從而控制最終的組織結構及形態。

通過對軋制溫度及鋼板厚度的嚴格控制，保證均勻控制鋼板的溫度和變形，減小殘余應力，獲得良好的板型。

2.3 顯微組織

圖1 金相顯微組織

圖2 掃描電鏡照片

圖1和圖2分別是鋼板的金相顯微組織和掃描電鏡組織照片。從圖1可看出，試制鋼板的組織類型是以均勻細小的針狀鐵素體+少量M/A島為主的組織，晶粒度為12級，帶狀組織評定為0級。從圖2可以看出，組織中的M/A島顆粒尺寸細化，形狀規格，分布彌散。

2.4 力學性能

按照DNV-OS-F101標準及相關力學性能檢測試驗方法對試試制鋼板的力學性能進行了檢驗,主要性能結果見表4。試制鋼板的系列溫度沖擊和落錘撕裂性能結果分別如圖3和圖4所示。

各項力學性能檢驗結果表明，研制的深海用X70 36.5 mm厚壁鋼板具有高強度、低屈強比和優異低溫韌性的良好匹配。

表4 試制鋼板的力學性能

圖3 鋼板系列溫度夏比沖擊試驗結果

圖4 鋼板系列溫度DWTT試驗結果

3 X70厚壁直縫埋弧焊管研制

中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司直縫工廠JCOE生產線采用研制的X70級36.5 mm厚壁鋼板進行X70級 φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管單根試制，并按照課題研制目標對試制鋼管進行性能檢測試驗。

3.1 拉伸性能

采用全壁厚矩形板狀試樣進行鋼管管體的橫向和縱向拉伸性能試驗。焊接接頭采用矩形及圓棒棒狀兩種方式進行試驗。檢驗結果見表5。由表5可以明顯看出,所試制鋼管管體及焊接接頭的拉伸性能全部滿足DNV-OS-F101標準要求，但管體縱向屈強比指標未能全部達到課題研制技術目標要求。由表5中可以明顯看出,所試制鋼管的縱向屈服強度高于橫向屈服強度，這主要是鋼管在制管過程的成型階段引起材料加工硬化而提高了材料的屈服強度，而橫向試樣在壓平過程中受包辛格效應的影響，使橫向屈服強度略有下降；縱向試樣未經歷這種包辛格效應的影響，故屈服強度在成型后未發生下降；綜合表現為縱向屈強比略高于橫向屈強比。

表5 X70級φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管的拉伸性能

3.2 低溫韌性

在鋼管距焊縫90°位置處取橫和縱向管體沖擊試樣，在焊縫處取焊縫、熔合線(FL)、熔合線+2 mm及熔合線+5 mm沖擊試樣進行系列溫度夏比沖擊試驗。對鋼管管體同時完成了管體的系列溫度落錘撕裂試驗。-20℃夏比沖擊試驗結果見表6。由表6可知，試制鋼管具有優良的低溫韌性，全部滿足DNV-OS-F101標準要求，也達到了課題研制技術目標要求，同時具有一定的富余量。焊接接頭不同位置系列溫度夏比沖擊試驗曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在-60℃溫度下，鋼管焊接接頭仍具有良好的沖擊韌性。管列溫度DWTT試驗曲線如圖6所示。從圖6可以看出，管體落錘撕裂試驗85%的韌脆轉變溫度低于-30℃。

按照 GB/T 21143—2007標準，對試制鋼管管體橫向、縱向及焊接接頭熱影響區、焊縫位置進行CTOD斷裂韌性試驗。在0℃下的管體橫向CTOD特征值δm=0.351～0.729 mm，管體縱向CTOD特征值δm=0.421～0.669 mm，熱影響區CTOD特征值 δm=0.219～0.465 mm， 焊縫 CTOD 特征值 δm=0.218～0.457 mm，試驗結果表明，試制鋼管管體及焊接接頭的CTOD特征值δm均達到目標要求。

表6 -20℃夏比沖擊試驗結果

圖5 焊接接頭不同位置系列溫度夏比沖擊試驗曲線

圖6 管體系列溫度DWTT試驗曲線

3.3 硬度

試制鋼管焊接接頭母材、熱影響區和焊縫部位的硬度檢驗結果如圖7所示。從圖7可以看出，焊接熱影響區有輕微的軟化，焊接接頭的硬度與母材的硬度處于同一水平。試制鋼管的最大硬度值低于240 HV10，完全滿足課題研制目標的要求。

圖7 試制鋼管焊接接頭硬度測試結果

4 結 論

（1）開發的深海用X70級36.5 mm厚壁管線鋼板通過采用低C高Mn-Nb-Ti合金化的成分設計和TMCP工藝控制，獲得了細小、均勻的針狀鐵素體組織，鋼板性能達到高強度、低屈強比、高韌性和優良低溫抗動態撕裂能力的良好匹配。

（2）試驗表明，所試制的X70級φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管管體及焊接接頭的拉伸性能、斷裂韌性及硬度等指標全面滿足DNV-OSF101標準要求。但由于受鋼管制管和試樣加工過程中的材料的加工硬化和包辛格效應的影響，還需要從板材性能及制管工藝方面進進行優化從而達到對管體縱向屈強比的低屈強比控制。

［1］潘繼平，張大偉，岳來群，等.全球海洋油氣勘探開發狀況與發展趨勢[J].中國礦業,2006,15（11）:1－4.

［2］李清平.我國海洋深水油氣開發面臨的挑戰[J].中國海上油氣， 2006， 18（2）： 130－133.

［3］單日波.我國深水海洋油氣田開發現狀分析[J].中國造船， 2012， 53（S1）： 274－278.

［4］李樹森，劉敏，左秀榮.深海管線用鋼開發及應用[J].熱加工工藝， 2013， 42(18)： 23－26.

［5］李少坡，姜中行，李永東，等．海洋用耐蝕大壁厚X70 管線鋼開發[N]．世界金屬導報， 2011－11－05．

［6］趙冬巖，余建星，王琮，等．基于風險的海底管道安全評估方法研究[J]．海洋技術,2010,29（1）:56－59．

［7］IZUMITAKEUCHI， JUNFUJINO， AKIOYAMAMOTO，et al．The prospects for high-grade steel pipes for gas pipelines[J]．Pipe&Pipelines International， 2003， 48（1）： 33－43．

［8］黨學博，龔順風，金偉良，等．海底管道鋪設技術研究進展[J]．中國海洋平臺， 2010， 25（5）： 5－10．

［9］鄭磊，付俊巖.高等級管線鋼的發展現狀[J].鋼鐵，2006， 41（10）： 1－10．

［10］王立忠.論我國海洋石油工程技術的現狀與發展[J].中國海洋平臺， 2006， 21（4）： 9－11．

［11］劉放.海洋平臺技術的現狀及發展趨勢[J].一重技術， 2009， 132（6）： 1－3．

［12］張鳳久．我國南海天然氣開發前景展望[J]．天然氣工業， 2009， 29（1）： 1－4．

［13］呂福亮，賀訓云，武金云，等.世界深水油氣勘探形勢分析及對我國深水油氣勘探的啟示[J].海洋石油， 2007， 27（3）： 41－45．

［14］李少坡，李家鼎，查春和，等．大壁厚X80管線鋼的低溫韌性研究[J]．軋鋼， 2010， 27（6）： 60－63．

［15］鄭磊，高珊，陸敏.海底管線用鋼的開發和應用[J].焊管， 2006， 29（5）： 36－39．