焊管在海底管道中的應(yīng)用探討

胡松林

（寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展帶來人類社會(huì)對(duì)全球能源的高度關(guān)注和依賴，生態(tài)環(huán)境的改善推動(dòng)了石油、天然氣等清潔、低碳、環(huán)保能源的開發(fā)利用，并成為現(xiàn)今一次性能源消費(fèi)中增長(zhǎng)最快的新能源。 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，到2050 年，世界天然氣需求量將增加至 5.5 萬億 m3，在2016—2050 年間，年均增長(zhǎng)1.43%； 世界石油需求將達(dá)到49.1 億t，在 2015—2050 年間，年均增長(zhǎng)達(dá) 0.35%。 我國(guó)非化石能源在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例由2015年的12%將提升到2030 年的20%，天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例將由2015 年的5.9%提高到 2030 年的 15%[1-2]。

隨著油氣在陸地的持續(xù)開采，可開采利用資源越來越受到環(huán)境等因素的制約，而海洋資源得以開發(fā)應(yīng)用，并逐漸成為繼陸地后的又一個(gè)戰(zhàn)略重地。 2013—2017 年全球海底管道建設(shè)的資本支出較上一個(gè)五年計(jì)劃增長(zhǎng)59.8%。 海底管道作為海洋油氣開發(fā)集輸?shù)闹饕侄我驳玫搅丝焖侔l(fā)展，全球現(xiàn)有海底油氣管道已經(jīng)超過10 萬km，2018—2022 年，全球海底管道敷設(shè)也將達(dá)到5.6 萬多km[3-4]。 在海底管道中，焊管以其特有的質(zhì)量特性及制造優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用到海洋油、氣輸送領(lǐng)域。

1 海底管道的應(yīng)用

海底管道是海上油、氣開發(fā)系統(tǒng)中連接油氣集輸、儲(chǔ)運(yùn)的最便捷、經(jīng)濟(jì)和安全的輸運(yùn)方式。隨著海洋油、氣勘探開發(fā)從淺海到中深海 （水深100～500 m）、深海 （水深 500～1 500 m）、甚至超深海 （水深1 500 m 以上） 領(lǐng)域的進(jìn)展，海底管道也逐漸應(yīng)用到深海領(lǐng)域。 世界最深海底管道為美國(guó)墨西哥灣東部的獨(dú)立管道，最大水深為2 454 m。 國(guó)內(nèi)最深海底管道為南?！鬄?-1輸氣管道，最大水深1 409 m[4]。

相對(duì)陸地而言，海底管道除承受內(nèi)、外壓力外，還受到海底海流、泥沙、低溫、腐蝕介質(zhì)等各種載荷環(huán)境的聯(lián)合作用，因此對(duì)于應(yīng)用于海底管道的鋼管，在成分、性能、尺寸控制等方面都會(huì)有較高的要求。

2 海底管道用鋼管的選用及技術(shù)規(guī)范

海底管道通常以無縫管或焊管為母管對(duì)接而成。 焊管以其優(yōu)良的材料性能、大直徑的制管能力、較高的尺寸精度和用戶感知良好的交付方式應(yīng)用于海底管道建設(shè)中，并在其施工建設(shè)中凸顯出一定優(yōu)勢(shì)。

2.1 海底管道高額的維護(hù)費(fèi)用對(duì)管道的安全性提出要求

海底管道一但出現(xiàn)失效，將會(huì)產(chǎn)生更多的維修及環(huán)境治理等費(fèi)用，因而對(duì)海底管道用材料的性能穩(wěn)定性和匹配性提出較嚴(yán)的要求。 通常海底管道是以 API SPEC 5L （附錄 J） 和DNVGL-ST-F101 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)來進(jìn)行的。 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)服役海洋焊管的拉伸性能均提出上、下限的要求，以保持性能的穩(wěn)定性。 如牌號(hào)為X60MO 及以上鋼級(jí)，Rt0.5要求控制在 120 MPa 以上，Rm要求控制在 225 MPa 以上，如圖1 所示[5-6]。 實(shí)際工程應(yīng)用中，要求更加嚴(yán)格，如我國(guó)南海—荔灣深水管道，X65MO/X70MO 鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度要求控制在120 MPa 以上，抗拉強(qiáng)度要求控制在190 MPa 以上，以提高管道的等強(qiáng)性，降低管道在服役期間的失效性風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 API SPEC 5L/DNV-OS-F101 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海底管道拉伸性能的要求

2.2 海上施工環(huán)境對(duì)管材成分、尺寸的要求

海底管道施工常采用鋪管船敷設(shè)。 由于受船上敷設(shè)的環(huán)境條件、租賃費(fèi)用等影響，施工過程的成本壓力往往要求提高敷管作業(yè)效率以縮短施工周期，船上鋼管的對(duì)焊是影響施工效率的關(guān)鍵因素之一。 因而，在海洋用焊管的產(chǎn)品規(guī)范中，對(duì)影響焊接性的碳當(dāng)量 （CEpcm、CEIIW） 及管端尺寸 （橢圓度） 都有較嚴(yán)要求。 常用的 X65MO 鋼的Pcm 不得超過 0.22%。 焊管直徑在 610 mm＜D≤1 422 mm 時(shí)，管端橢圓度要求小于 8 mm。 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管材成分的碳當(dāng)量和管材尺寸的要求見表 1 和表 2。

在實(shí)際工程中，根據(jù)工程環(huán)境狀況也有加嚴(yán)要求的情況，如世界最長(zhǎng)的北溪管道項(xiàng)目，Pcm要求為0.21%，Φ1 219 mm 焊管的橢圓度要求不超過5.0 mm。 國(guó)內(nèi)最深的南?！鬄?-1 海底管道項(xiàng)目用焊管的Pcm 要求為0.17%，所用Φ762 mm焊管的管端橢圓度要求不超過3.5 mm，寶鋼UOE供貨的焊管實(shí)際控制管端的橢圓度平均值1.7 mm，Cpk=1.43，便于海上鋼管對(duì)接與焊接[7-8]。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管材成分碳當(dāng)量的要求

表2 不同標(biāo)值對(duì)管材尺寸的要求

焊管在成型、焊接后要經(jīng)過定徑或擴(kuò)徑整形，外徑尺寸公差控制較高，加之是以熱軋鋼卷、厚板為原料，壁厚公差控制較小。 可依照外徑和壁厚來實(shí)現(xiàn)焊管的內(nèi)徑控制，這對(duì)長(zhǎng)輸海底管道是有益的。 在世界最長(zhǎng)的北溪海底管道設(shè)計(jì)中，就要求全長(zhǎng)采用管道內(nèi)徑1 153 mm 恒定不變，而在管道首段、中段和末段，考慮壓力損失而采用34.6 mm、30.9 mm 和26.8 mm 不同壁厚，滿足工程通徑、運(yùn)行維護(hù)等方面的要求。

HFW 焊管長(zhǎng)度是按照用戶要求進(jìn)行定尺交付的，UOE 焊管長(zhǎng)度也是按照用戶要求進(jìn)行厚板原料申請(qǐng)，所以焊管可以做到按照用戶所需的最大管道長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)95%以上的定尺交貨，最大限度地減少海上施工的環(huán)焊縫數(shù)量，節(jié)省成本。

2.3 大直徑、高綱級(jí)、厚壁管成為海底管道用管選擇的方向

隨著深海大量油、氣資源的開發(fā)，管道輸送能力逐步提高，大直徑、高綱級(jí)厚壁焊管在海底管道中得以普遍應(yīng)用。 世界最長(zhǎng)的北溪海底管道項(xiàng)目已應(yīng)用到直徑 1 219 mm （48 in）、X70MO鋼級(jí)、壁厚26.8 mm/30.9 mm/34.6 mm 的焊管，且保持全長(zhǎng)管道內(nèi)徑一致。 國(guó)內(nèi)南海—荔灣3-1深水海底管道使用的焊管外徑為762 mm、鋼級(jí)為 X65/X70MO，壁厚最厚達(dá)到 31.8 mm，以增加輸送能力。

目前，用于海底管道的HFW 焊管以外徑219～610 mm、壁厚 12～19.1 mm、鋼級(jí) X65MO為主。 直縫埋弧焊管以外徑 508～1 219 mm、壁厚 20～41 mm、鋼級(jí) X65/X70MO 為主。

2.4 管道向深海延伸促成對(duì)厚壁管的需求

隨著海底管道敷設(shè)深度的增加，管道在深海環(huán)境中的壓潰失效是海洋管破壞的主要形式之一，管道一旦發(fā)生局部壓潰，將誘發(fā)屈曲傳播導(dǎo)致整體失效損壞。 管道壓潰主要受初始結(jié)構(gòu)缺陷和深水環(huán)境中復(fù)雜載荷條件的影響。 文獻(xiàn) [9-10]對(duì)管道的初始橢圓度、徑厚比 （D/t） 等參數(shù)進(jìn)行了可靠性分析，發(fā)現(xiàn)橢圓度增加，管道的可靠性降低；徑厚比增加，管道的可靠性降低。 選擇徑厚比小的厚壁管能夠增強(qiáng)管道抵抗屈曲的能力，增加可靠性。 世界上已敷設(shè)的一些海底管道的敷設(shè)深度與徑厚比的情況也是如此，見表3。 因而，隨著敷設(shè)深度的增加，管徑在減小，但徑厚比明顯減小，厚壁管將成為深海管道應(yīng)用的主要領(lǐng)域[11]。

表3 海底管道敷設(shè)深度與徑厚比

2.5 海底管道對(duì)材料抗腐蝕性能提出更高要求

海底管道受到海流、流沙、低溫和腐蝕介質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境的因素影響，對(duì)管道的低溫韌性、裂紋敏感性 （CTOD）、抗腐蝕性 （HIC、SSC）等都提出較高的要求。 通常要求焊管焊縫的δCTOD≥0.15 mm。 對(duì)有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境，要求按照規(guī)范進(jìn)行HIC、SSC 試驗(yàn)，以增強(qiáng)管道的服役壽命。

3 焊管在海底管道應(yīng)用中的技術(shù)性探討

3.1 管體縱、橫向性能的控制

海底管道由于其施工過程及服役環(huán)境的特點(diǎn)，管線的海面上彎段和海底下彎段均要承受較大的軸向拉力，并在服役期間受到海流等橫向外力的作用，因此對(duì)使用于海底管道的焊管橫、縱向性能都會(huì)提出特殊的要求。

目前，用于海底管道的焊管以高頻直縫焊管（HFW） 和直縫埋弧焊管 （SAW） 為主。 其制管過程是以鋼卷/板進(jìn)行橫向彎曲加工而成，加工過程會(huì)引起材料的加工硬化效應(yīng)； 而在進(jìn)行管體橫向試樣的制作加工中又需要進(jìn)行壓平，誘發(fā)包辛格效應(yīng)發(fā)生。 因而，管體的橫向屈服強(qiáng)度受到制管方式、徑厚比、材料固有特性等方面的綜合影響，而縱向性能影響不顯著。 文獻(xiàn)[12]對(duì)同材質(zhì)、不同制管方式 （JCOE 和 UOE） 的焊管（Φ508 mm，鋼級(jí) X65M） 對(duì)比分析得知，采用JCOE 成型的焊管橫向屈服強(qiáng)度高于采用UOE 成型的焊管，JCOE 成型的焊管屈強(qiáng)比也高于UOE成型的屈強(qiáng)比，顯示出JCOE 成型的加工硬化作用較UOE 成型強(qiáng)。 而對(duì)不同徑厚比的HFW 焊管的分析發(fā)現(xiàn)，隨徑厚比減小，HFW 焊管的橫向屈服強(qiáng)度逐漸接近于縱向[13]。

表4 是已應(yīng)用于海底管道工程中的焊管力學(xué)性能數(shù)據(jù)。 從均值看，橫向屈服強(qiáng)度均值略低于縱向，而橫向抗拉強(qiáng)度略高于縱向，呈現(xiàn)出縱向屈強(qiáng)比略高于橫向屈強(qiáng)比的結(jié)果。 因而通常在設(shè)計(jì)應(yīng)用中縱向屈強(qiáng)比會(huì)高出橫向0.02。 這與厚壁焊管材料在制管、試驗(yàn)等過程中受到的包辛格效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)密切相關(guān)。

表4 海底管道用焊管的力學(xué)性能指標(biāo)

3.2 海底管道的抗屈曲能力

海底管道受到外壓、海流等多向載荷的作用，管道發(fā)生彎曲導(dǎo)致壓毀失效是必須考慮的問題之一。 除采用厚壁、高尺寸精度焊管來提高抗擠毀性能外，管道能夠承受最大彎曲能力 （極限壓縮屈曲應(yīng)變） 得以關(guān)注。 研究認(rèn)為，影響極限壓縮應(yīng)變的主要因素有母材缺陷 （錯(cuò)邊、壁厚不均勻等）、內(nèi)壓及管材應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。 有文獻(xiàn)對(duì)不同材料的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析[14]：

（1） 管道內(nèi)壓使得管道臨界屈曲應(yīng)變?cè)龃蟆?duì)不同材料曲線的分析顯示，當(dāng)管道沒內(nèi)壓時(shí)，軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線更接近實(shí)際情況； 當(dāng)管道有內(nèi)壓時(shí)，環(huán)向應(yīng)力應(yīng)變曲線更接近實(shí)際情況。 內(nèi)壓升高，管道極限壓縮應(yīng)變也升高。

（2） 應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)管道屈曲的影響。 對(duì)具有屈服平臺(tái)型應(yīng)力應(yīng)變曲線材料，管道的屈曲行為主要由屈服平臺(tái)導(dǎo)致失穩(wěn)。 而圓弧型應(yīng)力應(yīng)變曲線，管道發(fā)生了彈塑性屈曲，屈曲行為受硬化指數(shù)的影響，硬化指數(shù)大，抗壓縮應(yīng)變能力強(qiáng)。

（3） 管材徑厚比越大，管道的極限壓縮應(yīng)變愈小。

這也是海底管道在使用焊管材料時(shí)，需要研究和探討的問題之一。

3.3 應(yīng)變時(shí)效對(duì)海底管道應(yīng)用的影響

海底管道從施工安裝到服役過程中，不僅受到外來載荷作用，還受到環(huán)境溫度變化等影響，掌握管道材料的應(yīng)變時(shí)效性對(duì)工程應(yīng)用有所幫助。

文獻(xiàn)[15]研究了 X65MO 焊管 （t/D 為 4.9%） 的應(yīng)變時(shí)效特性。 在經(jīng)0.5%應(yīng)變，250 ℃/h 的人工時(shí)效后，觀察到縱向屈服強(qiáng)度增加約30～40 MPa，進(jìn)一步增加到1%的應(yīng)變，屈服強(qiáng)度增加約20 MPa，在從1%到2%的應(yīng)變區(qū)間，屈服強(qiáng)度基本保持不變。 在無應(yīng)變情況下時(shí)效，屈強(qiáng)比平均為0.85，最大值低于0.90，在附加1%～2%應(yīng)變時(shí)效后，屈強(qiáng)比平均為0.94。 這種行為呈現(xiàn)出低碳微合金控軋控冷管線鋼的特征，對(duì)極端海洋環(huán)境中焊管材料的時(shí)效行為是該領(lǐng)域需繼續(xù)關(guān)注和探討的問題。

開展海底管道用焊管的性能控制性研究、材料屈曲行為的分析及極端環(huán)境中的時(shí)效性等方面的研究會(huì)受到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

4 結(jié)束語(yǔ)

焊管以其良好的綜合性能、優(yōu)良的幾何尺寸、貼近應(yīng)用的交付方式，愈來愈多的應(yīng)用于海底管道中，其較低碳當(dāng)量、穩(wěn)定的力學(xué)性能、較小的尺寸公差和橢圓度、較高的定尺率成為海洋管道工程的首選。

隨著海洋工程向深海領(lǐng)域擴(kuò)展，高綱級(jí)厚壁焊管的開發(fā)利用將成為新的應(yīng)用市場(chǎng)。 伴隨海底管道鋪設(shè)距離的加長(zhǎng)，對(duì)焊管尺寸控制與測(cè)量技術(shù)、性能穩(wěn)定性與試驗(yàn)手段、交付能力都會(huì)提出新的要求，同時(shí)也為焊管制造的技術(shù)發(fā)展提供新的機(jī)遇。