X65海底管線管的開發(fā)

李 強(qiáng) 李效華

1. Reeling Lay 鋪設(shè)方式簡(jiǎn)介

海上油氣田開采出的油氣，除少數(shù)在海上直接裝船外運(yùn)外，多數(shù)通過管道輸送至陸地進(jìn)行加工。隨著海洋石油和天然氣開發(fā)的不斷深入，海洋管道的作用越來越重要。因此，海洋管道鋪設(shè)的專用設(shè)備—鋪管船的作用也在不斷提高。從鋪管方式上可以劃分為SLay型、J-Lay型和Reeling Lay型。見表1。

表1 鋪管方式的比較[1]

Reeling lay區(qū)別于其他方式的優(yōu)點(diǎn)在于將長(zhǎng)達(dá)1km的管線在陸上完成焊接和探傷。這樣既提高了管線焊接的質(zhì)量控制水平，又降低了海上鋪設(shè)的成本。2005年豪氏威馬為Subsea 7建造的Reeling lay系統(tǒng)承載管線的噸位已經(jīng)高達(dá)400噸，高于一般的S-Lay鋪設(shè)系統(tǒng)。這樣的新型鋪設(shè)系統(tǒng)對(duì)管線管產(chǎn)品在性能、工藝性等提出了新的性能要求。

2.X65海底管線生產(chǎn)工藝

TPCO依托自身成熟的無縫管的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制體系，針對(duì)超出API 5L要求的特殊管線產(chǎn)品，采用電爐冶煉-爐外精煉-VD-連鑄-管坯再加熱-穿孔-熱軋-定徑-矯直-熱處理-精整處理的工藝路線。

2.1 煉鋼工藝

為保證管材最終抗腐蝕性、抗變形性、韌性，在煉鋼環(huán)節(jié)主要控制目標(biāo)是保證鋼坯的夾雜物水平低，管坯成分偏析程度小。主要手段采用SiCa絲控制夾雜物變形、雙端電磁攪拌、控制VD時(shí)間與連鑄銜接節(jié)奏。

2.2 軋管工藝

為獲得尺寸精度優(yōu)異的管線管產(chǎn)品，在軋制環(huán)節(jié)主要的控制目標(biāo)是外徑、壁厚、偏心度要實(shí)現(xiàn)滿足表2的要求。主要采用的手段包括控制管坯的加熱節(jié)奏、穿孔定心、軋制下壓量控制等。

2.3 熱處理工藝

為保證同熱處理批內(nèi)不同管和同一管的兩端的屈服強(qiáng)度的波動(dòng)范圍在120MPa以內(nèi)，主要采的控制手段是調(diào)整淬火時(shí)間、內(nèi)外水量控制等。

2.4 精整工藝

為保證客戶在現(xiàn)場(chǎng)焊接對(duì)管口均勻，TPCO采用管端定徑和加工控制。

3.X65海底管線管的性能

3.1 化學(xué)成分控制

3.1.1 成分設(shè)計(jì)

海底管線管需要具有良好的強(qiáng)度、韌性、焊接性。為提高管材的焊接性能，以及韌性和低溫性能，采取降低C含量的思路，一般控制在0.12%以下，但是為了保證必要的強(qiáng)度還要通過加入一定數(shù)量的合金元素，如Mn、Si、Cr、Mo、V、Nb、Ti等利用其固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等機(jī)制補(bǔ)償降C帶來的強(qiáng)度下降。見表3。

3.1.2 鋼中的作用

C:經(jīng)濟(jì)型的低合金鋼的強(qiáng)度主要依靠C含量調(diào)節(jié)，提高C的含量除了提高強(qiáng)度外，韌性、可焊性全部下降，對(duì)于用于海洋環(huán)境的產(chǎn)品焊接質(zhì)量是風(fēng)險(xiǎn)控制的重點(diǎn)。因此，應(yīng)在保證強(qiáng)度的前提下，盡量下調(diào)C的含量，最好控制在0.10%以下。

表2 產(chǎn)品的主要尺寸要求[2]

表3 TPCO X65 海洋管線的成分

表4 海洋用管線管的機(jī)械性能要求

Mo：Mo是提高淬透性和提高回火抗性的有效元素，對(duì)于厚壁的管材可以適當(dāng)加入以保證整管的性能均勻性，但是出于經(jīng)濟(jì)和焊接性的考慮，Mo的含量不應(yīng)超過0.15%[3]。

V:V是生成高溫金屬間化合物的元素，能夠起到彌散強(qiáng)化的作用?？紤]到經(jīng)濟(jì)和焊接性，推薦在壁厚較小產(chǎn)品中使用[4]。

P、S:有害元素P、S會(huì)產(chǎn)生諸多問題，例如抗腐蝕性等，針對(duì)海洋環(huán)境使用的管線管，由于維修成本高，維修困難，管材制造方應(yīng)盡量降低P、S的含量，減少服役時(shí)出現(xiàn)問題的可能。

3.1.2 碳當(dāng)量控制

按照公式Pcm=C＋Si/30 +（Mn+Cr+Cu）/20＋Ni/60+Mo/15+V/10+5B計(jì)算冷裂紋敏感指數(shù)，海洋環(huán)境中X65級(jí)別的管材要控制在0.22以下。同時(shí)為保證產(chǎn)品性能的一致性，Pcm的波動(dòng)在±0.02。

3.2 性能控制

供貨的管材應(yīng)滿足表4的性能要求。

4.X65海底管線管的生產(chǎn)

目前，TPCO已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外用戶提供用于海洋環(huán)境的X65產(chǎn)品。包括供中海油潿洲項(xiàng)目的規(guī)格為Ф168.3×11mm、Ф273.1×11.1mm、Ф273.1×15.9mm和Ф 406.4×17.5mm的海底管線管。以及供美孚尼日利亞項(xiàng)目的Ф406.4×20.6mm、Ф355.6×11.3mm以及Ф323.8×22.23mm海底管線管。

美孚項(xiàng)目的實(shí)際強(qiáng)度、硬度、沖擊性能見圖1-圖4、表5。

表5 材料的耐腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果

由此可見，通過篩選合適的鋼種和工藝，可以滿足海洋環(huán)境使用的苛刻要求。

5 特殊性能試驗(yàn)

以上的實(shí)際產(chǎn)品性能只是滿足S-lay鋪設(shè)方式的要求，對(duì)于具有塑性變形的Reeling lay使用的管材， 由于深海用繞管由于鋪設(shè)之前要經(jīng)過焊接后的卷曲、解曲和矯直的反復(fù)應(yīng)變和塑性變形，并且管線要鋪設(shè)到1000m以下的深海進(jìn)行作業(yè)，管體承受極大的外部水壓，因此該項(xiàng)目用管線在對(duì)常規(guī)機(jī)械性能提出較高要求的同時(shí)，對(duì)焊接、疲勞和抗腐蝕性能也提出了較高的要求。

5.1 時(shí)效應(yīng)變?cè)囼?yàn)

由于管材在焊接后還要進(jìn)行冷塑性變形，在這一冷一熱的過程后，管材的性能應(yīng)保證與應(yīng)變前的韌性變化小。通過應(yīng)變+高溫時(shí)效的方式對(duì)管材進(jìn)行檢驗(yàn)。

首先，對(duì)材料進(jìn)行塑性應(yīng)變見圖5、表6。

應(yīng)變率：2.5%、5%、7.5%。然后在250℃時(shí)效。

由結(jié)果可知，應(yīng)變失效后材料的韌性未出現(xiàn)明顯的下降，并且保持較高的水平。

5.2 均勻延伸率測(cè)試

均勻延伸率是保證管材在反復(fù)彎曲應(yīng)變過程中不會(huì)出現(xiàn)包申格效應(yīng)，而產(chǎn)生強(qiáng)度下降的結(jié)果。TPCO對(duì)其產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果見圖6。

結(jié)果表明均勻延伸率均＞6%，這就保證在Reeling lay的鋪設(shè)過程中不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降。

5.3 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)的目的是考察在深海中管線產(chǎn)品抗海水壓力的能力。TPCO對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行壓潰試驗(yàn)。其結(jié)果見圖7。壓潰值：9300Psi。

表6 應(yīng)變時(shí)效的結(jié)果

6 結(jié)果討論

TPCO設(shè)計(jì)生產(chǎn)的海洋管線管產(chǎn)品不僅能滿足性能波動(dòng)小，尺寸要求嚴(yán)格、抗腐蝕性優(yōu)異的基本要求。對(duì)于Reeling lay這種特殊的鋪設(shè)方法，管材的應(yīng)變時(shí)效性能、均勻延伸性能、抗擊毀性能均有出色的表現(xiàn)。因此，TPCO的X65管線管產(chǎn)品可以用于這種特殊的鋪設(shè)方式上。

[1] 楊永升，熊平安，徐壽欽. 國(guó)內(nèi)外鋪管船簡(jiǎn)介[J].船舶物資與市場(chǎng)，2010，06：26-29

[2] DNV-OS-F101-2007，SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS[S].

[3]孔君華，鄭 琳，郭 斌.鉬在高鋼級(jí)管線鋼中的作用研究[J]. 鋼鐵，2005，40（1）：66-68

[4]韓孝永.鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用[J]. 寬厚板，2006，1：39-41