海洋模塊鉆機(jī)高壓泥漿管線材質(zhì)的選擇

鄭道林，李樹剛

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計研發(fā)中心，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工業(yè)清洗技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452）

海洋模塊鉆機(jī)的高壓泥漿管線包括鉆井液循環(huán)管線、節(jié)流壓井管線、高壓泥漿泵放空管線。鉆井液的作用主要是在井底為鉆頭創(chuàng)造出良好的工作環(huán)境，鉆井作業(yè)時起到攜帶巖屑、潤滑和冷卻鉆頭、穩(wěn)固井壁、平衡地層壓力以及發(fā)揮水力效能等作用，作為鉆井液的載體，高壓泥漿管線常用設(shè)計壓力為5 000psi，試驗(yàn)壓力為7 500psi，高壓泥漿管線的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到鉆井的作業(yè)安全，所以高壓泥漿管線的材質(zhì)選用至關(guān)重要。通過對近年來海洋模塊鉆機(jī)高壓泥漿管線常用的幾種材質(zhì)進(jìn)行計算、分析對比，提出結(jié)論。

1 材質(zhì)的理化性能比較

海洋平臺模塊鉆機(jī)高壓泥漿管線近年來常用的幾種合金鋼材質(zhì)為4130、F52、30CrMo、35CrMo。其中ASTM A519 4130和ASTM A694 F52為美標(biāo)材質(zhì)，30CrMo和35CrMo為國標(biāo)材質(zhì)。30CrMo為4130的國標(biāo)對應(yīng)牌號，性能較為相似。海洋模塊鉆機(jī)高壓泥漿管線常用材質(zhì)化學(xué)成分對比見表1。

表1 海洋模塊鉆機(jī)高壓泥漿管線常用材質(zhì)化學(xué)成分對照表（%）

合金中各元素對材質(zhì)性能的影響見表2。

表2 元素在鋼材中的作用和影響[1]

2 管線尺寸選取及材質(zhì)強(qiáng)度校核

根據(jù)海洋模塊鉆機(jī)常規(guī)管線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，是按照ASME B31.3[2]工藝管道設(shè)計中的壁厚計算進(jìn)行選取，常用的高壓泥漿管線的管徑使用范圍為2″～6″，管徑壁厚選取計算公式為：

式中：tm為所需最小壁厚，t為管線壓力設(shè)計壁厚；c為裕量總和（包含外裕量和內(nèi)裕量，高壓泥漿系統(tǒng)管線的內(nèi)裕量為3mm）；c0為外裕量總和；D為管線外徑；p為管線設(shè)計內(nèi)壓（表壓）；S為管線材質(zhì)的許用應(yīng)力；W為焊縫系數(shù)。根據(jù)上述公式計算以及對高壓泥漿管線近幾年材料的統(tǒng)計，常用的管線尺寸如表3。

表3 管線尺寸統(tǒng)計表 mm

根據(jù)各管線材質(zhì)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)查得材質(zhì)的力學(xué)性能，如表4。

表4 各材質(zhì)力學(xué)性能對比表 （MPa）

由于ASTM A694 F52管線材質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度相對較低，在5″和6″管徑下一般選用設(shè)計規(guī)定壁厚的無縫鋼管，5″管壁厚選用23.5mm，6″壁厚選用27.3mm。高壓泥漿管線的管線外徑與內(nèi)徑之比均大于1.2，屬于厚壁管線。

一般高壓泥漿管線破壞是塑性破壞，所以可以根據(jù)第三強(qiáng)度理論來對管線強(qiáng)度進(jìn)行校核。首先從管子中取一微元，然后根據(jù)受力情況、幾何形狀、邊界條件等分別建立其靜力平衡方程、物理方程和幾何方程，然后聯(lián)解方程。

式中：R為管線外徑；r為管線內(nèi)徑；p為管線內(nèi)壓；x為沿壁厚任意處的半徑。

由上式可知應(yīng)力最大點(diǎn)均為內(nèi)壁處，且方向相反，對管線強(qiáng)度進(jìn)行校核，軸向應(yīng)力只與內(nèi)外徑有關(guān)，方向沿管線壁厚分布，管線兩端為開口，所以管線在軸線方向上不受力。取內(nèi)壁上任意一點(diǎn)（x=r）：

根據(jù)表3管線尺寸進(jìn)行計算，結(jié)果如表5。

表5 計算結(jié)果及結(jié)論

續(xù)表

計算結(jié)果表明，這四種材質(zhì)在對應(yīng)壁厚下均能滿足高壓泥漿的工作強(qiáng)度要求。

高壓泥漿管線由于工作壓力較高，管徑較小，采用高強(qiáng)度鋼材制成的高壓管線會可能出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂。由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布而使管線發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。

低強(qiáng)度鋼由于塑性比較好，在裂紋前緣的應(yīng)力最大處產(chǎn)生塑性變形，這種塑性變形使該處的應(yīng)力僅保留在屈服雄限的附近，限制了應(yīng)力峰值的增長，促使應(yīng)力重新分布并趨于均勻。所以，低強(qiáng)度鋼一般表現(xiàn)為韌性斷裂，而很少出現(xiàn)應(yīng)力脆性斷裂[3]。

所以高壓管線的材質(zhì)選用不能單純地追求高強(qiáng)度鋼材。

3 焊接性能

材質(zhì)的焊接性能對高壓管線來說非常重要，直接影響到管線的車間預(yù)制、現(xiàn)場施工及管線的使用。合金鋼中的其他元素對鋼材的強(qiáng)度和可焊性也起著重要的作用。

按照國際焊接學(xué)會推薦的碳鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式[CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]計算出這幾種材質(zhì)的平均碳當(dāng)量，計算結(jié)果如表6。

表6 各材質(zhì)碳當(dāng)量平均值 %

CE＜0.4%時，鋼材塑性良好，淬硬傾向不明顯，可焊性好。一般不會產(chǎn)生裂縫。

CE在0.4%～0.6%，鋼材塑性下降，強(qiáng)度增加，淬硬傾向明顯，可焊性較差。工件應(yīng)采取焊前預(yù)熱，焊后緩冷等工藝防止裂縫。

CE＞0.6%，鋼材塑性較低，強(qiáng)度較高，淬硬傾向很強(qiáng)，可焊性不好。工件焊前經(jīng)預(yù)熱到較高溫度，焊接時采取減少焊接應(yīng)力和防止開裂的工藝措施，焊后還應(yīng)進(jìn)行熱處理，確保焊接接頭質(zhì)量。

4130通過幾年來的使用發(fā)現(xiàn)這種材質(zhì)在焊接時容易出現(xiàn)裂紋和熱影響區(qū)脆化的現(xiàn)象。其焊接熱影響區(qū)的脆硬傾向較大，有很強(qiáng)的冷裂紋敏感性；由于合金的成分含量較為復(fù)雜，熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變先于焊縫區(qū)，容易在焊縫區(qū)受氫影響形成冷裂紋，且具有一定的延遲的特性；焊接時的加熱不均勻及冷卻過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力和金屬相變產(chǎn)生的應(yīng)力也可導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[4]。

30CrMo與4130焊接性能相近，含碳量較高，其結(jié)晶溫度區(qū)間較大，偏析也較嚴(yán)重，具有較大的熱裂紋傾向[5]。

35CrMo屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，碳含量較高，合金元素多，鋼的脆硬傾向較大，焊接時在熱影響區(qū)的淬火區(qū)產(chǎn)生大量馬氏體，導(dǎo)致脆化，增大了焊接接頭的冷裂傾向；當(dāng)熱影響區(qū)加熱溫度超過調(diào)質(zhì)處理回火時的溫度時，會出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度低于母材的軟化區(qū)；合金含量高，結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析嚴(yán)重，具有較大的熱裂紋傾向[6]。

F52相較其他三種材質(zhì)，焊接性能有所提高，淬硬傾向較低，焊接時同樣也容易出現(xiàn)冷裂紋[7]。

這四種材質(zhì)在工程使用過程中均需要焊前預(yù)熱及焊后熱處理，相比較而言F52的焊接性能較好，焊接工藝更加便于工程現(xiàn)場應(yīng)用。

4 防腐性能

鉆井液對高壓泥漿管線的腐蝕主要表現(xiàn)在電化學(xué)腐蝕、氧腐蝕、硫化氫腐蝕、二氧化碳腐蝕等方面。

為了提高膨潤土的水化能力，抑制井下硫化氫及二氧化碳對設(shè)備的作用等，一般情況下，鉆井液是呈堿性的。鉆井液中的溶解的氧是管線鋼材氧腐蝕的主要原因，在堿性或者弱酸性條件下，氧的還原反應(yīng)比氫離子更加容易，在堿性或者弱酸性鉆井液中都是以氧的還原反應(yīng)作為陰極過程而進(jìn)行的。

由于海洋平臺鉆井液一般都使用海水進(jìn)行配漿，海水中的電解質(zhì)含量較高，兩種不同金屬可以形成宏觀電池腐蝕，或者金屬本身的不均勻性，形成了無數(shù)的微觀電池，電池中的陽極區(qū)產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕。

在鉆井及節(jié)流壓井的過程中，鉆井液會將地層中的硫化氫攜帶至鉆機(jī)，成為管道腐蝕的氧化劑，硫化氫溶解在鉆井液中，在陽極與金屬發(fā)生反應(yīng)，更能使金屬管道發(fā)生氫脆現(xiàn)象，氫原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼基體內(nèi)，遇到氫陷阱后停留，隨著氫原子的擴(kuò)散，在氫陷阱附近形成應(yīng)力密度集中，導(dǎo)致形成裂紋發(fā)生脆性斷裂[8]。

海洋模塊鉆機(jī)高壓泥漿管線使用的材質(zhì)一般在出廠之前需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，加入微量的鉻、鎳、鉬、硅等合金元素，對鋼材的防腐性能做一些調(diào)整。在一定范圍內(nèi)，合金含量越高，金屬的抗腐蝕性能越好[9]，所以需根據(jù)不同地區(qū)的鉆井工況選取合適的材質(zhì)。鉻能提高鋼材的抗氧化性和耐腐蝕性，鎳能提高鋼材的耐酸堿腐蝕性，通過對這四種材質(zhì)的元素含量的對比以及相關(guān)資料的整理，發(fā)現(xiàn)35CrMo的合金含量較高，抗腐蝕性較好。

5 鑄造性能

管線材質(zhì)不同，其鑄造性能也不同，所以獲得完好的鑄件難易程度也不同，如三通、法蘭等。

鑄造性能主要取決于金屬材料熔化后即金屬液體的流動性，冷卻時的收縮率和偏析傾向等。鉬含量在1%以下時生成硫化鉬，在晶界上析出，降低了導(dǎo)熱性，并增大收縮和冷裂、熱裂的可能性；鉻生成夾雜物和氧化膜，使鋼水變稠，降低鋼水的流動性，同時有增加收縮量和縮孔的可能性；硫和磷均為金屬中的有害元素，硫會使鋼水變稠，流動性變差，磷能增加鋼水的流動性和可鑄性，但會使鋼材的縮孔、縮松和開裂傾向增加。

綜合這幾種材質(zhì)的成分，F(xiàn)52的液態(tài)流動性較好，鑄造性較好。

6 經(jīng)濟(jì)性對比

工程應(yīng)用必須考慮高壓泥漿管線材料的經(jīng)濟(jì)性，主要包括貨源、價格和生產(chǎn)周期這三個方面，經(jīng)過對現(xiàn)有鋼材市場的調(diào)查，得出結(jié)果見表7。

表7 各材質(zhì)經(jīng)濟(jì)性分析

35CrMo應(yīng)用較為廣泛，生產(chǎn)廠家準(zhǔn)備較為充分，生產(chǎn)周期較短，較為利于工程應(yīng)用。

7 結(jié)束語

綜合分析了4130、F52、30CrMo及35CrMo這四種材質(zhì)的強(qiáng)度、焊接性能、防腐性能、鑄造性能及使用的經(jīng)濟(jì)性。在鉆井地層工況較好，硫化氫含量較少時，可選用F52作為高壓泥漿管線的材質(zhì)，便于現(xiàn)場施工焊接，價格較低；地層硫化氫含量較高時選用35CrMo，管線強(qiáng)度較高，耐腐蝕性較好，目前該材質(zhì)的焊接工藝已經(jīng)比較成熟，完全滿足高壓泥漿管線的正常作業(yè)。