深水鋼懸鏈立管的開發

侯 靜,黃兆力,胡 平,劉耀恒,劉 碩,岳世斌

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海南 海口 570311; 2.中海石油(中國)有限公司研究總院,北京 100028; 3.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900)

深水鋼懸鏈立管(Steel catenary Riser)最初作為平臺上的輸出管道使用,一般底部末端水平布置,頂端與垂直方向成一定的小角度,通過簡單的鋼懸鏈方式懸掛于平臺。深水鋼懸鏈立管主要起連接海底生產系統和海上半潛式工作平臺的作用。立管長期服役于深海環境,受到風、流、浪、涌、平臺運動、海床運動和管內流體運動產生的復雜疲勞載荷作用,因而要滿足長時間服役安全可靠,要求具有高強度、高性能穩定性、高疲勞性能、高耐低溫韌性。海洋用管道的尺寸精度相比于陸地管有著更高的要求[1]。由于立管管道同海底管道一樣,是通過海上焊接施工的方式進行安裝和鋪設,因此還需要具有高可焊性和高尺寸精度。我國第一個自營深水大氣田深海一號于2021年6月順利投產,采用的就是半潛式生產儲油平臺+鋼懸鏈立管的開采方式。使用的鋼懸鏈立管的規格包括生產立管10 in(1 in=25.4 mm)和12 in、外輸立管18 in和乙二醇注入立管6 in,具體規格分別為φ273.1 mm×25.4 mm、φ323.9 mm×27.0 mm、φ457 mm×31.8 mm和φ168.3 mm×18.3 mm[2]。我國海洋油氣資源開發的占比低于全球海洋油氣開發的占比約15%,主要在于技術和裝備還存在差距,部分關鍵技術和裝備受制于國外,亟待解決[1]。如目前深海一號建設所用的立管材料均全部采用進口材料,因此有必要對其材料和相關的制造技術開展國產化研究。

1 成分設計

深水立管采用焊接的方法進行安裝、連接,因此在鋼種設計的初期就需要考慮其可焊性。管線管常用的標準API SPEC 5L和DNVGL-ST-F101均以CEIIW和CEPcm兩個指標作為參考來約束材料的焊接性要求,一般按照0.12%C含量作為分界線選用不同的指標。焊接過程可能產生的問題主要是脆化和軟化。脆化的原因主要源于熱影響區的奧氏體晶粒粗化、硬脆性組織的轉變生成,軟化主要原因是基體材料在受到焊接熱的作用下抵抗回火軟化的能力不足。通過微合金化的手段,如添加Nb、V、Ti可以有效改善焊接接頭的脆化、軟化的問題。同時復合添加這3種微合金元素還能改善基體本身的強韌性水平。Nb、Ti通過形成相應的碳化物或氮化物顆粒可以有效抑制軋制過程中奧氏體晶粒的再結晶長大和粗化,從而細化基體的組織和熱影響區位置的組織,改善相應的強韌性[3]。

深水立管的壁厚較厚,成分設計時通過添加Mo、Cr等元素可以提高材料的淬透性,通過擴大貝氏體相區,推遲鐵素體轉變,獲得一致的貝氏體組織,改善壁厚方向組織和性能的均勻性,從而提高性能的穩定性。添加Cr元素對提高抗CO2腐蝕性能有利,添加Mo元素對提高抗局部腐蝕能力、抗氯離子腐蝕能力和抗H2S腐蝕能力有利[4],但對提高厚壁管線管淬透性來說,Mo的作用優于Cr。考慮焊接性,Mo含量不宜過高[4-5]。微量的B含量雖然可以大幅改善淬透性,但相關海管標準如API SPEC 5L和DNVGL-ST-F101中均要求控制B含量≤0.000 5%。

成分偏析會導致管線管局部硬度升高和抗HIC性能下降,采用低C低Mn的成分設計可以有效避免或改善管坯中心的偏析和最終成品的內壁偏析,從而獲得良好的抗HIC性能。但為保證較厚管材的強度,還需添加適量的Mn以滿足低C設計時的強度要求。目前X60～X70鋼級的管線管多采用低C,低Mn,復合添加Cr、Mo、Ti、V、Nb等合金元素,在保證強度的前提下降低偏析、改善韌性和焊接性的思路[3-9]。寶鋼已在多個規格X65QO海管上積累了技術經驗,產品具有性能波動小、尺寸精度高的特點,能夠很好地滿足DNV-OS-F101等海管標準和用戶個性化要求[8]。

由于立管要求高性能穩定性,因此客觀上對成分波動、夾雜物控制水平提出了高要求,需要通過相應的冶煉工藝實現成分精準控制和高純凈度。為減少S對韌性和抗酸性能的不利影響,一般需控制w(S)≤0.005%。高等級X65QO產品所需管坯一般采用EAF(或BOF)→LF→VD(或RH)→CC的工藝路徑生產來達到上述目的。根據表1所示深水鋼懸鏈立管的性能技術指標要求,最終確定了表2的鋼種成分設計方案用于國產化試制φ273.1 mm×25.4 mm、φ323.9 mm×27.0 mm兩個規格的立管。圖1是鋼種相應的CCT曲線測試結果。

表1 立管的各項技術指標要求Table 1 Technical requirements of the steel catenary riser seamless pipe

表2 立管鋼種成分設計方案Table 2 Chemical composition designed for the steel catenary riser seamless pipe

圖1 鋼種的CCT曲線Fig.1 CCT curves of the experimental steel

2 制造工藝

寶鋼采用管坯→環形爐加熱→穿孔→連軋→脫管→定徑→冷卻→冷鋸分段→調質熱處理→溫矯→超聲和漏磁聯合無損探傷→管端磁粉探傷→水壓試驗→表面及尺寸檢驗→切定尺的工藝路徑進行國產化試制。管坯規格包括φ300 mm和φ380 mm,分別采用294孔型和383孔型用于生產φ273.1 mm×25.4 mm、φ323.9 mm×27.0 mm兩個規格的立管。

3 性能測試標準和試樣形式

力學性能測試標準總體參考ASTM A370。其中拉伸性能測試標準參考ASTM E8/E8M,取樣方向為縱向,試樣型式為直徑12.7 mm的圓棒試樣或寬度38.1 mm×全壁厚的弧狀板樣,平行段長度為50 mm或50.8 mm。沖擊性能測試標準參考ASTM E23,試樣型式為橫向取樣,橫向×縱向×徑向(厚向)尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的長條形試樣。硬度測試標準參考ASTM E384。CTOD性能測試標準參考BS 7448-1或ASTM E 1290,試樣型式為SENB類型,取樣方向為X-Y方向,試樣尺寸為B·2B,B盡可能地接近壁厚尺寸大小。另外,對于可焊性評價用的CTOD試樣開缺口的位置包括焊縫中心、熱影響區兩個位置?？笻IC性能測試標準參考NACE TM0284,試樣尺寸為縱向100 mm×橫向寬度20 mm×全壁厚,內外表面最多允許各去除1 mm的金屬材料。晶粒度評級標準參考ASTM E112。材料疲勞試驗標準參考GB/T 3075,試樣形式為圓柱頭,夾持段直徑為16 mm,長度約為70 mm,平行段直徑為10 mm,長度為20 mm,過渡圓角R=25 mm。

4 調質熱處理工藝研究

立管的調質熱處理包括淬火和回火兩個工序。根據相變點的測試結果可知,鋼種的Ac3溫度約在860 ℃。因此,采用900 ℃的淬火溫度以實現強韌性匹配的目的。淬火溫度過高,奧氏體晶粒長大粗化,對韌性不利;淬火溫度過低,碳化物未充分溶解,合金元素未充分固溶回奧氏體基體中,降低了基體的淬透性和后續析出強化的效果,對組織均勻性和強度不利。為了穩定組織,改善韌性和性能均勻性,淬火后需進一步回火。在試制淬火態樣管上取樣,對不同回火溫度的組織和性能進一步研究,以確定生產用回火工藝制度。不同回火溫度下的力學性能結果如表3所示。可見,回火溫度的影響顯著,規律為隨著回火溫度的升高,屈服強度和抗拉強度均降低,均勻延伸率略有降低但變化不大。

表3 不同回火熱處理工藝下的力學性能Table 3 Mechanical properties under different tempering procedures

圖2所示金相顯微組織的觀察結果表明,隨著回火溫度的升高,組織中白色鐵素體的數量有所增加,尺寸有所增大,以及回火溫度的提高降低基體中的位錯密度,促進回復和析出相粗化,是導致強度下降的微觀解釋。強度性能數據表明,該鋼種有較大的回火工藝窗口,可以滿足技術要求對屈服強度和抗拉強度的要求,且屈服強度可以控制在450～550 MPa的窄幅區間內。由于寶鋼回火爐爐溫精度在±5 K以內,加之成分的小波動控制,可以有效保證批量化生產過程中管—管之間的性能差異,保證性能穩定性。

圖2 不同回火溫度處理下的顯微組織(在外表以下的厚度1/4位置觀察)Fig.2 Microstructure under different tempering procedures (observation location:one quater of the thickness from the outer-surface of the pipe)

5 試制樣管的力學性能

在寶鋼460PQF連軋管機組試制φ273.1 mm×25.4 mm、φ323.9 mm×27.0 mm兩個規格的立管。常規的各項力學性能和抗酸性能測試結果如表4所示。可以看出,寶鋼試制的兩個規格立管的屈服強度、抗拉強度、延伸率、屈強比、-30 ℃沖擊韌性和剪切面積比、-30 ℃ CTOD性能、抗HIC性能均可滿足相關的技術要求。

表4 試制樣管的力學性能和抗酸性能Table 4 Mechanical properties and HIC-resistant property of the trial produced pipe

硬度水平是決定抗酸性能的關鍵因素之一。對調質態的試制立管全壁厚方向的硬度進行了從近外表至近內表的梯度測試,結果顯示硬度整體分布均勻(如圖3所示),間接反映出組織的均勻性。

圖3 壁厚方向的硬度梯度分布Fig.3 Distribution of the hardness along the thickness direction

試制樣管壁厚方向不同位置的顯微組織如圖4所示?？梢?總體上獲得了均勻一致的貝氏體組織,與硬度結果吻合。由于鋼管熱處理過程中采用的是外淋內噴的淬火方式,因而外表和內表的冷卻強度最大,組織也更加細化,轉變溫度也更低,因而外表和內表的硬度相對壁厚中心位置要高。因此,API和DNV標準中就有規定要求對鋼管外表、內表和壁厚中心3個位置作為代表位置進行硬度測試。立管的技術要求中規定硬度HV10需控制在≤230的水平。圖3結果顯示,寶鋼采用低碳、低碳當量的設計,可以在滿足強韌性指標要求的基礎上,實現低硬度值的控制,對于綜合獲得良好的抗HIC性能有利。圖5是典型的晶粒度評級金相圖片示例(外表以下1/4厚度位置觀察),10 in和12 in兩個規格立管的晶粒度級別可以達到10級(評級標準:ASTM E112)。細小的晶粒尺寸保證了材料性能的均勻性和良好的強韌性以及抗疲勞性能。

圖4 兩個規格立管樣管的金相組織Fig.4 Microstructure of the steel catenary riser pipes with two different sizes

圖5 晶粒度評級用圖片示例(在外表以下1/4厚度的位置觀察)Fig.5 Microstructure pictures used for grain size rating evaluation (observation location:one quarter of the thickness from the outer-surface of the pipe)

6 試制樣管的可焊性評價

由于立管實際鋪設安裝采用的是全自動GMAW工藝(熔化極氣體保護焊),對試制樣管進一步開展了該類型焊接工藝下的材料可焊性評價。環焊接頭的焊接方法為GMAW半自動焊根焊+GMAW自動焊填充蓋面焊。焊材為實芯焊絲,焊材型號為AWS A5.18 ER70S-G,焊材廠家為BOHLER,焊材牌號為SG3-P,直徑為1.2 mm,焊接坡口為復合V型坡口。根焊和填充焊時,極性DEP(焊絲連接焊接電源正極),焊接方向VD(下向焊),采用80% Ar+20% CO2富氬混合氣體保護或者是100% CO2氣體。評價結果顯示(見表5),環焊焊接頭的不同位置均具有良好的-30 ℃沖擊性能和-10 ℃ CTOD性能,可以滿足相關技術要求。顯示寶鋼深水立管鋼種設計的合理性,具有優異的可焊性。

表5 環焊接頭的力學性能Table 5 Mechanical properties of the girth welded joint of the trial produced pipe

對可焊性評價的環焊接頭的硬度也進行了測試,結果如圖6所示。結果顯示10 in和12 in立管材料環焊接頭焊縫、熱影響區和基體的硬度均可以滿足標準規定的硬度上限要求,即焊縫填充蓋面外表面以下0.75～1.5 mm硬度(HV10)≤275和其余位置硬度(HV10)≤250的技術要求;遠離熱影響區的基體硬度(HV10)要求≤230。

圖6 兩個規格立管全自動GMAW環焊接頭的硬度測試結果Fig.6 Hardness testing results of the girth welded joint using full-automatic GMAW welding procedure for the steel catenary riser pipes with two different sizes

7 試制樣管材料的拉—壓疲勞性能評價

由于立管實際服役過程中會受到彎曲、拉壓等載荷的疲勞作用,因此從立管上取樣進行了拉—壓疲勞性能測試(應力比R=-1),結果如圖7所示。結果顯示,10 in和12 in管在應力幅為300 MPa時,疲勞壽命≥107次,顯示具有良好的抗拉壓疲勞性能。且疲勞壽命數據顯示,相同應力水平下,壽命分散性小,壽命穩定,顯示寶鋼立管材料的組織性能均勻一致。同時,兩個規格相同應力水平下壽命水平相當,顯示寶鋼鋼種設計能很好地適應并覆蓋10 in和12 in兩個規格的生產。

圖7 立管基體材料S-N曲線測試Fig.7 S-N curve testing results for the steel catenary riser pipes with two different sizes

8 結論

(1) 中海油和寶鋼聯合開展了深水鋼懸鏈立管的開發,利用寶鋼460PQF軋管機組成功試制了10 in和12 in兩個典型規格的立管樣管并完成了綜合性能評價,各項力學性能指標均能滿足相關技術標準的要求。

(2) 采用低碳、低碳當量的鋼種成分設計,寶鋼試制的立管樣管實現了全壁厚方向均勻一致的貝氏體組織,硬度分布均勻且可控制在HV10≤230的水平,同時具有良好的-30 ℃低溫沖擊韌性,其中Akv2值單值和均值均≥300 J,遠遠高于標準要求。另外,-30 ℃ CTOD單值和均值在1.00左右,顯示材料具有良好的斷裂韌性。在應力幅為300 MPa時,疲勞壽命≥107次,顯示具有良好的抗拉壓疲勞性能。且疲勞壽命數據顯示,相同應力水平下,壽命分散性小,壽命穩定,顯示寶鋼立管材料的組織性能均勻一致。

(3) 采用低碳、低碳當量的鋼種成分設計,寶鋼試制的立管樣管具有良好的可焊性,采用全自動GMAW環焊工藝進行評價,焊接接頭不同位置(焊縫、熱影響區)具有良好的韌性,-30 ℃下的Akv2值和-10 ℃下的CTOD值均滿足相關技術標準的要求。