X80鋼級海洋自升式鉆井平臺樁腿支撐管的研制

周曉鋒，張傳友，劉江成，鹿鋒華，張國柱，邊令喜

（1.天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301；2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000）

自升式鉆井平臺是指具有活動樁腿，且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進行鉆井作業(yè)的平臺［1-2］。隨著海洋石油開發(fā)需求的進一步增長，自升式鉆井平臺可以在滿足經(jīng)濟性的前提下，向更深水域發(fā)展。新一代自升式鉆井平臺多采用超高強度鋼、大壁厚、小徑壁比的主弦管與支撐管，以減小水阻力與波浪載荷；一般采用具有高強度、高剛度的X型與逆K型管節(jié)點，并減少節(jié)點數(shù)量［3-5］。支撐管作為關(guān)鍵承力部件，在結(jié)構(gòu)上了采用大壁厚（28~40 mm）和小徑壁比（10~14）截面，以減小海水阻力與波浪載荷，增加工作水深；在選材上采用了屈服強度≥550 MPa的高強度無縫鋼管，以確保承載能力。另外，考慮到鉆井平臺在極其惡劣的海洋環(huán)境（如海洋風(fēng)暴、可變載荷、海水腐蝕）下服役的安全可靠性，對支撐管材料的-40℃低溫韌性、焊接性能、疲勞性能、耐蝕性能等力學(xué)特性和使用性能都提出了極高要求。這種具有高強度、高韌性、厚規(guī)格、易焊接和服役性能優(yōu)異等諸多特性的結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，作為大型海洋平臺結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，是結(jié)構(gòu)管中目前公認的技術(shù)難度大、要求高的產(chǎn)品之一。

1 性能要求

JU2000E鉆井平臺是美國Friede&Goldman，Ltd.設(shè)計的一種船型自升式鉆井平臺，該平臺型長70.36 m，型寬76.00 m，型深9.45 m，懸臂梁總長55.60 m，樁腿總長166.98 m，最大作業(yè)水深122 m，最大鉆井作業(yè)深度9 150 m［6］。該平臺樁腿支撐管的規(guī)格為Φ323.85 mm×28.58 mm和Φ273.05 mm×21.41 mm，鋼級為X80。JU2000E鉆井平臺用X80鋼級樁腿支撐管的力學(xué)性能要求見表1。

表1 JU2000E鉆井平臺用X80鋼級樁腿支撐管的力學(xué)性能要求

2 化學(xué)成分設(shè)計

為了滿足服役條件對樁腿支撐用無縫鋼管綜合力學(xué)性能和焊接接頭性能的要求，天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）采用降碳、低碳當(dāng)量、多元合金化和微合金化設(shè)計，控制較低的碳含量以提高可焊性［7］；加入適量Ni以提高低溫韌性；加入適量的Cr、Mo合金元素以控制淬火馬氏體回火組織的相變強化和細晶強化；利用Si、Mn的固溶強化和Nb、V、Ti微合金化對原奧氏體晶粒的細化作用；并盡可能降低S、P等有害元素和氣體含量。基于以上考慮和生產(chǎn)經(jīng)驗，天津鋼管確定了X80鋼級樁腿支撐管主要化學(xué)成分的上限值，具體見表2。

表2 X80鋼級樁腿支撐管的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）上限值%

3 生產(chǎn)情況

3.1 煉鋼工藝

以鐵水和優(yōu)質(zhì)廢鋼為原料，采用爐外精煉、真空脫氣等純凈鋼冶煉技術(shù)，盡可能降低鋼中的雜質(zhì)元素和氣體含量，采用夾雜物變性處理技術(shù)以改善夾雜物的尺寸和分布。為了保證夾雜物變性處理，增加了喂入SiCa絲的工藝，設(shè)定煉鋼Pcm控制的目標值，嚴格控制各個元素的波動范圍，確保批量生產(chǎn)成分均勻穩(wěn)定，為后續(xù)熱處理性能的穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。

3.2 軋管工藝

充分發(fā)揮天津鋼管Ф460 mm PQF連軋管機組在軋制精度方面的優(yōu)勢，將無縫鋼管外徑公差控制在（-0.5%~+0.5%）D范圍內(nèi)，壁厚公差控制在（-10%~+10%）S范圍內(nèi)。這些指標均嚴于客戶訂貨要求，可以為客戶在后續(xù)的涂裝施工打下良好的基礎(chǔ)。

3.3 熱處理工藝

作為新鋼種，天津鋼管特意測定了該鋼種的Ac3溫度，為917℃。以測定的Ac3為依據(jù)，制定了Φ323.85 mm×28.58 mm規(guī)格X80鋼級樁腿支撐管的熱處理工藝：實驗室淬火溫度為960℃，保溫1 h，水冷；回火溫度為500~700℃，間隔為50℃，保溫1 h，空冷。通過試驗，繪制X80鋼級樁腿支撐管的強度-回火溫度曲線和沖擊功-回火溫度關(guān)系，具體如圖1~2所示。

圖1 X80鋼級樁腿支撐管的強度-回火溫度曲線

圖2 X80鋼級樁腿支撐管的沖擊功-回火溫度關(guān)系

從圖1可以看出：在相同的淬火條件下，隨著回火溫度的降低，強度并不是像以往管線鋼逐漸升高的趨勢，而是呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這主要是因為在一定淬火條件下，隨著回火溫度的提高，Mo、V和Nb元素在原鐵素體基體內(nèi)彌散析出的碳氮化物起到了二次強化的作用；但回火溫度過高，析出強化作用又隨著碳氮化物的過快長大而弱化。因此，在選擇實際熱處理工藝時，根據(jù)具體規(guī)格和具體淬火溫度選擇相應(yīng)的回火溫度，以得到合理的性能匹配。具體到JU2000E自升式鉆井平臺樁腿支撐管規(guī)格，可采用相同的淬火溫度和不同的回火溫度，結(jié)合圖2回火溫度≥650℃，既可以保證產(chǎn)品足夠的強度，同時具備較高的低溫韌性和較低的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。

3.4 生產(chǎn)性能統(tǒng)計

截至2015年6月，天津鋼管生產(chǎn)JU2000E自升式鉆井平臺樁腿支撐管累計12 000 t，其性能統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，天津鋼管生產(chǎn)的X80鋼級海洋自升式鉆井平臺樁腿支撐管各項性能指標均高于客戶要求，特別是低溫韌性。

圖3 X80鋼級樁腿支撐管的性能統(tǒng)計結(jié)果

3.5 與國外同類產(chǎn)品對比

將天津鋼管生產(chǎn)的X80鋼級海洋自升式鉆井平臺樁腿支撐管與國外同類產(chǎn)品進行比較，其力學(xué)性能對比見表3，化學(xué)成分對比見表4，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度對比如圖4所示。由表3~4、圖4可以看出：在力學(xué)性能相差不多的情況下，天津鋼管生產(chǎn)的X80鋼級樁腿支撐管的低溫韌性要遠高于國外同類產(chǎn)品。這與天津鋼管的鋼種成分設(shè)計有關(guān)：降低了碳含量，從而減少了M/A組元脆性相的數(shù)量；提高了有利于低溫韌性的Ni含量；添加了有利于通過淬火+高溫回火細化組織、提高強韌性的Nb和Ti。這樣也使得天津鋼管產(chǎn)品具有較低的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，國外同類產(chǎn)品的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度約為-36℃，而天津鋼管產(chǎn)品韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低于-80℃。這說明天津鋼管生產(chǎn)的X80鋼級樁腿支撐管可用于更低溫度環(huán)境，安全性更好。

表3 X80鋼級樁腿支撐管的力學(xué)性能對比

表4 X80鋼級樁腿支撐管的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

圖4 X80鋼級樁腿支撐管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度對比

4 焊接工藝評價試驗

JU2000E自升式鉆井平臺的樁腿是三角形桁架結(jié)構(gòu)，需要將主弦管和樁腿支撐管焊接到一起。樁腿的主弦管、主要支撐管的材質(zhì)都屬于超高強度調(diào)質(zhì)鋼，其碳當(dāng)量均較大，焊接性能較差，而且焊接接頭均為鋼管T、K、Y節(jié)點形式；因此，需從焊接工藝、焊接溫度、焊接變形、焊接順序、焊工管理、焊縫外觀、焊后無損檢測等方面加以嚴格控制［8］。通過焊接工藝評定，可檢驗按擬訂的焊接工藝指導(dǎo)書焊制的焊接接頭的使用性能是否符合設(shè)計要求，并為正式制定焊接工藝指導(dǎo)書或焊接工藝卡提供可靠的依據(jù)。為此依據(jù)美國焊接學(xué)會（AWS）和美國船級社（ABS）相關(guān)焊接規(guī)范進行焊接工藝評定試驗［9-10］。

試樣規(guī)格為Φ323.85 mm×28.58 mm，鋼級為PSL2 X80Q，采用SMAW（手工電弧焊）焊接工藝，焊接位置如圖5所示，打底采用LB52U Φ3.2 mm焊條，填充/蓋面采用TENACITO 65R Φ4.0mm焊條，預(yù)熱溫度100~200℃，層間溫度80~150℃，焊后在210~230℃保溫2 h后空冷，48 h后進行X射線探傷，探傷合格后取樣進行性能檢測。Φ323.85 mm×28.58 mm試樣的性能檢測結(jié)果見表5，V型夏比沖擊試樣取樣位置如圖6所示；硬度壓點位置如圖7所示，結(jié)果見表6。

圖5 Φ323.85 mm×28.58 mm試樣焊接位置示意

檢測結(jié)果表明：天津鋼管生產(chǎn)的X80鋼級海洋自升式鉆井平臺樁腿支撐管可焊性高，焊接工藝評價試驗合格。

表5 Φ323.85 mm×28.58 mm試樣的性能檢測結(jié)果

圖6 Φ323.85 mm×28.58 mm試樣V型缺口夏比沖擊試驗取樣位置示意

圖7 Φ323.85 mm×28.58 mm試樣的硬度壓點位置示意

表6 Φ323.85 mm×28.58 mm試樣的硬度檢測結(jié)果 HV10

5 結(jié) 語

天津鋼管在開發(fā)X80鋼級海洋自升式鉆井平臺樁腿支撐管時，研究并解決了材料成分和組織的優(yōu)化設(shè)計、高純均質(zhì)化冶煉—連鑄工藝、高精度軋管工藝、熱處理工藝及環(huán)焊工藝等多項關(guān)鍵技術(shù)問題；且產(chǎn)品批量生產(chǎn)性能穩(wěn)定，各項性能指標達到或者超過國外同類產(chǎn)品，特別是低溫韌性遠遠高于國外產(chǎn)品。目前，該產(chǎn)品通過了AWS和ABS焊接工藝評價試驗，具有較高的可焊性，已經(jīng)得到了海洋工程制造企業(yè)的認可。

［1］王越，楊亮.自升式鉆井平臺簡論［J］.船舶設(shè)計通訊，2011（增刊）：73-80.

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［4］陳小川，程龍，王鏨.自升式鉆井平臺樁腿建造工藝探索［J］.船海工程，2014，43（3）：139-142.

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［10］ American Bureau of Shipping.ABS rules for materials and welding 2014：Part 2［S］.2014.