高尺寸精度深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管性能研究*

牛愛軍，戶志國，牛 輝，李 穎

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

高尺寸精度深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管性能研究*

牛愛軍1,2，戶志國3，牛 輝1,2，李 穎3

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

為了適應惡劣深海服役工況和復雜作業(yè)因素對深水鉆井隔水管力學性能及外觀尺寸精度的嚴格要求，研制了X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管，并按照相關標準要求對試制鋼管的力學性能和外觀幾何尺寸進行了檢測。檢測結果表明，試制鋼管不但具有高強度、強低溫韌性及低硬度等特點，而且鋼管的直徑、橢圓度、壁厚、直線度等外觀幾何尺寸也得到嚴格控制，鋼管的力學性能和尺寸精度均達到研制目標要求。

焊管；深水；鉆井隔水管；直縫埋弧焊管；高強度；力學性能；幾何尺寸

Abstract:In order to adapt to the strict requirements of inclement deep sea service condition and complex operation factors on deep-water drilling riser mechanical properties and appearance of dimensional accuracy,it developed X80 grade Φ 533.4 mm×25.4 mm deep-water drilling riser longitudinal submerged arc welded pipe,and in accordance with the relevant standards requirements conducted detection for the mechanical properties of trial-manufactured steel pipe and appearance geometric dimensions.Test results showed that the trial-manufactured steel pipe not only possesses the characteristics of high strength,strong low temperature toughness,low hardness etc.,but also the pipe diameter,ovality,wall thickness,straightness,and appearance geometric dimensions all be strictly controlled.The mechanical properties of steel pipe and dimensional accuracy reached development goal requirement.

Key words:welded pipe;deep-water;drilling riser;longitudinal submerged arc weldedpipe;high strength;mechanical properties;geometric dimensions

海洋鉆井隔水管是從海洋鉆井平臺（或鉆井船）通往海底井口防噴器（BOP）裝置的液體輸送管道，主要用來隔離外界海水，用于鉆井液循環(huán)、安裝水下BOP、支撐各種控制管線（主要包括節(jié)流和壓井管線、鉆井液補充管線、液壓傳輸管線等），并起到鉆桿、鉆井工具從鉆臺到海底井口裝置的導向作用[1-3]，是海洋深水油氣勘探開發(fā)的一個重要裝備單元。

海洋鉆井隔水管作業(yè)環(huán)境條件復雜，實際工作中不僅要受海流、海浪、浮力、海水外壓、平臺移動等載荷作用，同時還要受內部鉆井液壓力、鉆桿摩擦、張緊拉力等多種因素的影響[4]，服役環(huán)境較為苛刻。另外，隔水管工作時是多根組件安裝連接形式，隨平臺鉆井搬遷和海況變化等需經常拆卸和安裝，對管體質量提出了較高要求。所以海洋鉆井隔水管是一種具有高風險、高難度、高技術的石油鉆井裝備[5]。

單根隔水管是鉆井隔水管系統(tǒng)的主體，一般單根長度為22.86 m，最長不超過27.43 m，壁厚一般為15.9 mm、19.1 mm、25.4 mm[6]。常用海洋鉆井隔水管的直徑有533 mm、406 mm和375 mm等幾種規(guī)格，且有向小型化發(fā)展的趨勢[7]。管線鋼材料是當前隔水管制造所用的主流材質，主要以X65～X80等系列鋼種為主，其特點是剛性好，抗海流、海浪等外載能力強，目前超深水隔水管材料以X80鋼為主[8]。

近年來，隨著海洋勘探技術的不斷進步，我國深水油氣勘探開發(fā)的能力已經超過3 000 m水深。隔水管是海洋鉆探工作中必不可少的關鍵裝備之一，多年來，我國海洋鉆井隔水管一直依賴于進口。隨著我國石油裝備技術的不斷進步，目前已具備研究和開發(fā)擁有自主知識產權的深水鉆井隔水管的條件和技術。本研究重點介紹了一種自主研發(fā)的具有高尺寸精度的X80鋼級深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管。

1 研制目標

鋼管的性能和尺寸精度是隔水管質量要求中的重要內容。鋼管橢圓度和管徑誤差是影響現場施工對接施焊的最直接因素。海洋鉆井隔水管的使用環(huán)境極其特殊，會受到浪涌、渦激振動、深水壓力、洋流環(huán)境等因素的影響，同時還會發(fā)生海水腐蝕，因此對海洋鉆井平臺隔水管主管質量提出了嚴格要求，海洋鉆井隔水管主管不僅需具有較高的強度、較低的屈強比，還需具有較高的低溫韌性，尤其對鋼管的外觀幾何尺寸精度要求更高[9]。橢圓度好、管徑誤差小的鋼管，在高輸送壓力服役下的各個方向應力均衡，能夠為管線施工提供良好的質量保障。因此，具有良好的力學性能和高尺寸精度的隔水管，是提高隔水管系統(tǒng)的現場安裝效率，并保證隔水管系統(tǒng)抵抗深水壓潰的重要保障。

寶雞石油鋼管有限責任公司（以下簡稱寶雞鋼管）進行了X80深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管的研制。由于現有的國內外標準中，沒有明確針對鉆井隔水管材料性能的標準，無法對研制出的隔水管進行性能評價。通過綜合分析API SPEC 5L、DNV-OS-F201、 API SPEC 16F、API RP 16Q、API SPEC 16R、 API RP 2RD、 ISO 13628-7/API RP 17G等國際標準以及SY/T 10037、SY/T 6558等行業(yè)標準中與鉆井隔水管相關的管材性能要求，并參考國外鋼管制造企業(yè)依據API SPEC 5L標準生產的X80鋼Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管的力學性能及外觀尺寸檢測結果[10-16]，同時結合國內正在研發(fā)的深水鉆井隔水管系統(tǒng)對X80隔水管用直縫埋弧焊接鋼管的現場使用要求，制定了X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm隔水管用直縫埋弧焊接鋼管的研制目標，主要技術指標見表1。從表1可看出，研制目標在力學性能方面主要參考了API SPEC 5L標準，但對屈強比、伸長率及硬度等指標提出了更高的要求，在管徑、壁厚、橢圓度、直線度偏差等外觀幾何尺寸方面，相比API SPEC 5L標準及國外鋼管的實物檢測結果，控制指標更加嚴格。

表1 X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管的主要研制目標

2 性能分析

根據制定的X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm隔水管用直縫埋弧焊接鋼管研制目標，寶雞鋼管采用國內鋼廠生產的X80鋼級25.4 mm鋼板，在其子公司中油寶世順鋼管有限公司的JCOE生產線上完成了該規(guī)格直縫埋弧焊管的生產試制，并對該試制鋼管的力學性能及外觀幾何尺寸進行了檢測。

2.1 鋼管力學性能

2.1.1 拉伸性能

在鋼管管體和焊接接頭位置分別取拉伸試樣，管體拉伸試樣包括管體橫向和縱向試樣，試樣類型分為矩形板狀試樣和圓棒試樣兩種，焊接接頭采用橫向矩形試樣。拉伸試驗依據ASTM A370:2014標準，矩形板狀試樣和圓棒試樣的拉伸試驗分別在WAW-Y1000C和WDW-200E型號的拉伸試驗機上進行，試驗結果見表2。

表2 試制的X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm直縫埋弧焊管拉伸試驗結果

對比表2和表1可以看出，試制鋼管所有試樣的拉伸性能指標均滿足API SPEC 5L標準要求，也達到了隔水管研制目標。

2.1.2 沖擊韌性

在鋼管距焊縫90°位置處取橫、縱向管體沖擊試樣，在焊縫處取焊縫、熔合線、熔合線+2 mm及熔合線+5 mm沖擊試樣進行系列溫度下的夏比沖擊試驗。試樣規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為－40℃。依據GB/T229—2007在PSW750型號沖擊試驗機上進行試驗，結果見表3。

由表3可知，在－40℃低溫下，管體沖擊功最小值303J，焊接接頭在熔合線位置的沖擊功最小值93J，鋼管管體及焊接接頭都具有優(yōu)良的低溫韌性。

表3 試制的X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm直縫埋弧焊管沖擊試驗結果

2.1.3 硬度

在鋼管焊接接頭處取硬度試樣，對焊接接頭的母材、熱影響區(qū)及焊縫進行維氏硬度檢測，維氏硬度試驗壓痕位置如圖1所示。依據GB/T 4340.1—2009采用HSV-30硬度計檢測硬度，結果見表4。

由表4可見，焊接接頭母材部位的平均硬度值為212.3HV10，熱影響區(qū)部位的平均硬度值為201.1HV10，焊縫部位的平均硬度值為216.8HV10，整個焊接接頭處的最大硬度值為223HV10，滿足研制目標中硬度值≤248HV10的要求。

2.2 鋼管外觀幾何尺寸

2.2.1 直徑、橢圓度及直線度

圖1 維氏硬度試驗壓痕位置示意圖

表4 維氏硬度檢測結果

鋼管直徑（D）測量是在鋼管長度方向上等間隔測量10處，在每處測量截面的圓周方向上等間隔測量3個位置的直徑數據。鋼管的橢圓度是按照每個測量截面的最大和最小直徑測量值的差（Dmax－Dmin）來計算。鋼管直徑及橢圓度的測量結果見表5。采用橢圓度測量儀測量鋼管管端橢圓度的界面如圖2所示。

表5可看出，試制鋼管的最大直徑534.3 mm，最小直徑532.2 mm，均在鋼管直徑的控制目標范圍之內，鋼管橢圓度最大值1.8 mm，最小值0.6 mm，鋼管全長的直線度2.5 mm。由此而見，試制鋼管的直徑、橢圓度及直線度等外觀幾何參數得到精確的控制。從圖2可見，采用橢圓度測量儀測量鋼管兩端的橢圓度分別為1.8 mm和2.0 mm，與人工測量的鋼管橢圓度稍有差異，這主要是由于人工測量不能精確找到鋼管直徑的最大和最小值點，但所有測量結果均達到目標控制指標要求。

表5 試制鋼管直徑及橢圓度測量結果

圖2 橢圓度測量儀測量鋼管管端橢圓度的界面

2.2.2 壁厚

鋼管的壁厚（t）測量是在鋼管長度方向上等間隔測量10處，在每處測量截面的圓周方向上等間隔測量3個位置的直徑數據。鋼管的壁厚偏差是按照每個測量截面的最大和最小壁厚測量值的差來計算，即tmax－tmin。鋼管的壁厚測量結果見表6。

表6 試制鋼管壁厚測量結果

表6可看出，試制鋼管最大壁厚25.81 mm，最小壁厚25.35 mm，壁厚最大偏差0.46 mm，在同一截面圓周檢測的壁厚最大偏差0.23 mm，壁厚偏差范圍較小，壁厚及壁厚偏差均在目標控制范圍之內。

在鋼管外徑和壁厚及其偏差范圍得到精確控制后，鋼管的內徑及其橢圓度等外觀精度也得到了有效的控制。經對內徑橢圓度進行檢測，內徑橢圓度最大值1.0 mm，最小值0.5 mm。與國外生產的同規(guī)格的隔水管用直縫埋弧焊接鋼管相比，試制鋼管在管徑、橢圓度、壁厚及直線度等鋼管外觀幾何尺寸精度控制上優(yōu)于國外鋼管[17]。

3 結 論

（1）深水鉆井隔水管作為深水油氣勘探開發(fā)的一個重要裝備單元，受惡劣的深海服役工況和復雜的作業(yè)因素的影響，要求深水鉆井隔水管具有良好的力學性能和高的外觀幾何尺寸精度。

（2）結合國內深水鉆井隔水管系統(tǒng)國產化研制需要，研制出X80鋼級Φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管用直縫埋弧焊管，試制鋼管不僅具有強度高、低溫韌性強及硬度低等優(yōu)異的力學性能，而且鋼管的直徑、橢圓度、壁厚、直線度等幾何外觀也具有較高的尺寸精度，力學性能和尺寸精度均達到研制目標要求。

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Performance Research on Longitudinal Submerged Arc Welded Pipe with High Dimensional Accuracy Used for Deepwater Drilling Riser

NIU Aijun1,2,HU Zhiguo3,NIU Hui1,2,LI Ying3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China）

TE951

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.001

2017-02-04

編輯：謝淑霞

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）課題“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”（項目編號2013AA09A222）。

牛愛軍（1980—），男，陜西武功人，高級工程師，主要從事油氣管材的新產品開發(fā)、新工藝、新技術研究工作。