深海管線用X70厚壁管線鋼的組織及性能分析*

牛愛(ài)軍 ， 羅卓輝 ， 畢宗岳 ，牛 輝 ，黃曉輝 ，劉海璋

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司，北京100007）

0 前 言

海洋油氣儲(chǔ)量豐富，勘探發(fā)現(xiàn)有近50%來(lái)自深水，因此，資源開(kāi)發(fā)向海洋、尤其是深海進(jìn)軍已成必然趨勢(shì)[1]，深海油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)已成為當(dāng)前全球能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。

隨著能源開(kāi)發(fā)逐漸從陸地走向海洋甚至深海，要求油氣輸送管線鋼管具有可靠性高、強(qiáng)度高、韌性好（特別是低溫沖擊韌性和止裂韌性好）、焊接性良好、抗腐蝕（SCC應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和HIC氫致開(kāi)裂）和抗大變形等性能，深海厚壁管線鋼開(kāi)發(fā)是亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題，以適應(yīng)深海管線鋼管向高性能、高鋼級(jí)、大壁厚和高尺寸精度發(fā)展的要求[3]。海底油氣輸送管道作為海洋石油天然氣運(yùn)輸最快捷、最經(jīng)濟(jì)和最有效的運(yùn)輸方式，是海上油氣田開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)不可或缺的生命線工程，將會(huì)對(duì)深海管線用鋼產(chǎn)生巨大需求[4]。

1 深海管線服役工況分析

深海環(huán)境十分惡劣和復(fù)雜，海底管道工作在低溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的海洋環(huán)境中，不僅承受著內(nèi)外壓力、軸向力、彎矩等靜載荷和溫度荷載的聯(lián)合作用，而且還要承受交變的外壓、波浪、海流的動(dòng)載荷的作用，使管道承受著多種載荷的聯(lián)合作用并引發(fā)多種形式的破壞[5]。

1.1 力學(xué)行為分析

海底管線在整個(gè)壽命期內(nèi)會(huì)受到海浪、海流、外壓等環(huán)境載荷及溫度應(yīng)力、操作壓力等工作載荷的作用；偶爾還會(huì)遭遇到地震等特殊自然災(zāi)害[6]。在深海管線的鋪設(shè)、安裝、使用過(guò)程中存在在位、懸跨、鋪管等多種作業(yè)狀態(tài)，不同工況所受環(huán)境載荷存在較大差別。管線在深海環(huán)境中受到外壓、內(nèi)壓、溫度載荷、懸跨導(dǎo)致的彎矩載荷以及地震等載荷的作用，為了保障管線的安全運(yùn)行，海底管線在深海環(huán)境服役時(shí)需要滿(mǎn)足強(qiáng)度、韌性及塑性等性能要求[7]。

1.2 腐蝕行為分析

海水是豐富的天然電解質(zhì)，海水中幾乎含有地球上所有化學(xué)元素的化合物，成分非常復(fù)雜。除了含有大量鹽類(lèi)外，海水中還含有溶解氧、海洋生物和腐敗的有機(jī)物，這些都為發(fā)生腐蝕創(chuàng)造了良好的條件[8]。此外，海水溫度、流速以及pH值等因素都對(duì)海水腐蝕有很大的影響。管道外部腐蝕主要由海洋環(huán)境造成，腐蝕是危害海底管線的重要因素，酸性環(huán)境下管線腐蝕更易于發(fā)生，海底管線通常采用犧牲陽(yáng)極、陰極保護(hù)、涂覆防腐層、增加腐蝕裕度等方式克服管線腐蝕問(wèn)題[9]。

2 深海用管線鋼的技術(shù)特點(diǎn)

深海環(huán)境十分復(fù)雜，海底管道對(duì)管線鋼材料、管道焊接、施工、維護(hù)等提出了比陸上更高的要求。因此，對(duì)深海用管線鋼的強(qiáng)度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等指標(biāo)都有著嚴(yán)格的要求[10－11]。由海底管線標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-F101可知，為了滿(mǎn)足深海管線的施工安全，海底管線不僅要求鋼管的橫向強(qiáng)度，同時(shí)還要求縱向強(qiáng)度。水深大于2 100 m后，深海的環(huán)境更惡劣，對(duì)管線的各項(xiàng)性能要求也更高。隨著鋪設(shè)深度的增加，海底管線的抗壓潰性愈來(lái)愈重要，鋼管的壁厚和鋼管圓度的要求更加嚴(yán)格，同時(shí)鋼管的直徑與鋼管壁厚的比值減小，小直徑和厚壁化已成為深海管線鋼管的主要特點(diǎn)[12]。深海溫度低，壓力大，對(duì)鋼管的斷裂韌性要求更高。深海溶氧量增加，海水、海泥和海底微生物造成鋼管腐蝕行為更加復(fù)雜；對(duì)H2S和CO2含量的油氣介質(zhì)來(lái)說(shuō)，在深海管道高壓輸送條件下，腐蝕將加劇。受深海浪涌和洋流的影響，鋼管應(yīng)具有良好的縱向強(qiáng)韌性、塑性以及抗疲勞能力[13]。同時(shí)，在管材屈服強(qiáng)度提高的同時(shí)還應(yīng)考慮屈強(qiáng)比和可焊性等方面的要求。迄今為止，海底管線鋼的最高鋼級(jí)為X70[14]，已用于多條海底管線工程，表1給出了相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)X70海底管線鋼管的主要性能要求[15]。

由表1可以看出，深海用管線鋼管的力學(xué)性能指標(biāo)非常嚴(yán)格，要求高強(qiáng)度、良好的低溫夏比沖擊韌性和止裂韌性，同時(shí)要求較低的屈強(qiáng)比。

針對(duì)深海油氣管線傾向于采用高強(qiáng)度、大壁厚、小徑厚比鋼管的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國(guó)海洋油氣管線發(fā)展現(xiàn)狀，依據(jù)海底管線相關(guān)技術(shù)規(guī)范和深海用管線鋼的技術(shù)特點(diǎn)，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了X70級(jí)36.5 mm厚壁管線鋼的開(kāi)發(fā)。綜合考慮了制管過(guò)程中的包辛格效應(yīng)及加工硬化對(duì)制管后鋼管性能的影響，管線鋼的主要力學(xué)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 X70海底管線焊接鋼管力學(xué)性能要求

表2 X70級(jí)36.5 mm厚壁深海用管線鋼主要力學(xué)性能設(shè)計(jì)

3 深海用X70厚壁管線鋼板材開(kāi)發(fā)

3.1 成分設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足深海用管線鋼的力學(xué)性能要求，采用低C高M(jìn)n，Nb和Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)，加入微合金化元素Nb，V和Ti，合金元素Mo，Ni，Mn，Cu和Cr等。微合金化的重要目的是提高再結(jié)晶終止溫度，細(xì)化晶粒，強(qiáng)化組織，同時(shí)微合金元素的碳氮化物在高密度位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)上析出，會(huì)產(chǎn)生明顯的析出強(qiáng)化效應(yīng)[16]。為保證深海用管線鋼具有優(yōu)異的焊接性能和良好的低溫韌性，w(C)嚴(yán)格控制在0.07%以下，加人較高的Mn以達(dá)到所要求的強(qiáng)度，降低合金化成本。通過(guò)加入適量的Mo，Ni，Cu和Cr，使試制鋼板軋后在一個(gè)較寬的冷速范圍內(nèi)獲得細(xì)小、均勻的貝氏體/針狀鐵素體組織。加入較高的Nb，以充分發(fā)揮其細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用。此外，考慮到海洋環(huán)境及輸送介質(zhì)對(duì)管材的腐蝕影響，在煉鋼過(guò)程中，采用鈣處理和潔凈鋼冶煉技術(shù)，嚴(yán)格控制鋼中的S，P，N和O等夾雜物，以降低由于夾雜物對(duì)板材塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性等引發(fā)的危害。深海用X70厚壁管線鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表 3。

表3 X70深海用管線鋼的化學(xué)成分 %

3.2 生產(chǎn)工藝控制

深海用X70級(jí)36.5 mm厚壁管線鋼板的試制在鞍鋼5 500 mm雙機(jī)架軋機(jī)寬厚板生產(chǎn)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(chǎn)。鋼水冶煉采用復(fù)合噴粉脫硫工藝進(jìn)行預(yù)脫硫處理，通過(guò)自動(dòng)數(shù)?？刂七M(jìn)行脫磷脫碳，在出鋼過(guò)程中加入鐵合金及鋁進(jìn)行粗合金化及脫氧處理，采用爐外RH精煉及真空脫氣工藝。根據(jù)目標(biāo)硫含量喂入適量Ca-Si線進(jìn)行夾雜物形態(tài)控制，連鑄過(guò)程中嚴(yán)格控制結(jié)晶器錐度和中間包過(guò)熱度，嚴(yán)格實(shí)施恒拉速澆鑄。加熱爐均熱段溫度≤1 250℃，既保證合金元素充分固溶，又防止奧氏體晶粒粗化。軋制分兩階段進(jìn)行，第一階段在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，第二階段在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制。軋制均采用較大的道次變形量和較高的累積壓下率，軋后迅速進(jìn)入加速系統(tǒng)冷卻，使變形的奧氏體向針狀鐵素體和粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，以獲得細(xì)小、均勻的顯微組織。

通過(guò)對(duì)軋制溫度及鋼板厚度的嚴(yán)格控制，保證均勻控制鋼板的溫度和變形，減小殘余應(yīng)力，獲得良好的板型。

3.3 鋼板性能分析

3.3.1 拉伸性能

對(duì)鋼板分別做橫向和縱向拉伸，拉伸性能結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，鋼板的橫向和縱向拉伸性能均符合表2中的拉伸性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，屈服強(qiáng)度分布在480～550 MPa之間，屈強(qiáng)比≤0.82。鋼板的橫向屈服強(qiáng)度高于縱向屈服強(qiáng)度。經(jīng)研究分析表明，鋼板在軋制過(guò)程中，晶粒發(fā)生的縱向變形量比橫向變形量大，所以橫向晶粒比縱向細(xì)小，而晶粒細(xì)化可以提高鋼的強(qiáng)度，所以鋼板的橫向屈服強(qiáng)度高于縱向屈服強(qiáng)度。

圖1 鋼板拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 沖擊性能

對(duì)鋼板做橫向及縱向沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，鋼板的橫向和縱向沖擊性能良好，在-20℃下最小沖擊功在410 J以上，有充足的富余量。從圖3可看出，鋼板的橫向和縱向沖擊在90%FATT下的冷脆轉(zhuǎn)變溫度低于-70℃，具有優(yōu)異的低溫韌性。

圖2 鋼板夏比沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3 鋼板系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 DWTT性能

對(duì)鋼板做橫向和縱向系列溫度落錘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，試驗(yàn)溫度為-40℃時(shí)，鋼板的橫向和縱向剪切面積在85%以上，鋼板的橫向和縱向落錘性能均較好。

圖4 鋼板系列溫度DWTT試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4 組織分析

圖5和圖6分別是鋼板的顯微組織和掃描電鏡照片。從圖5可以看出，試制鋼板的組織類(lèi)型以針狀鐵素體為主，在鋼板表面由于入水溫度較低出現(xiàn)了一些多邊形鐵素體組織。組織整體上均勻細(xì)化，掃描電鏡結(jié)果顯示，組織中的M/A島顆粒尺寸細(xì)化，形狀規(guī)格，分布彌散。

圖5 鋼板的顯微組織

圖6 鋼板的掃描電鏡組織

3.3.5 硬度

圖7是對(duì)鋼板硬度檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)圖。從圖7可以看出，試制鋼板的維氏硬度值主要分布在200～215HV10之間，最大硬度不超過(guò) 230HV10，滿(mǎn)足海水腐蝕及H2S應(yīng)力腐蝕條件下對(duì)管線鋼的硬度要求。

圖7 鋼板硬度統(tǒng)計(jì)分布圖

4 結(jié) 論

（1）隨著能源開(kāi)發(fā)逐漸從陸地轉(zhuǎn)向海洋甚至深海，深海服役工況對(duì)管材性能提出了更嚴(yán)格的要求，深海管道用高強(qiáng)度厚壁管線鋼板材開(kāi)發(fā)是亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

（2）惡劣復(fù)雜的深海環(huán)境對(duì)深海用管線鋼的強(qiáng)度、韌性、抗壓性能、耐腐蝕性能、尺寸精度等提出更為嚴(yán)格的指標(biāo)要求，高強(qiáng)度、大壁厚、高性能管線鋼板材研發(fā)需要適應(yīng)深海管線向高強(qiáng)度、厚壁、小徑厚比鋼管發(fā)展的趨勢(shì)。

（3）通過(guò)采用低C高M(jìn)n，Nb，Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)和TMCP工藝控制，開(kāi)發(fā)出的深海用X70級(jí)36.5 mm厚壁管線鋼板，其全壁厚組織以均勻細(xì)小的針狀鐵素體＋少量M/A島為主，鋼板性能達(dá)到高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、高韌性和優(yōu)良低溫抗動(dòng)態(tài)撕裂能力的良好匹配。

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