海洋自升式鉆井平臺樁腿半弦用不銹鋼無縫鋼管的開發(fā)

 本文介紹了浙江至德鋼業(yè)有限公司通過電爐冶煉，爐外精煉，真空除氣后弧形連鑄出特大圓管坯，采用720機組不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)工藝以及調(diào)質(zhì)熱處理研制出海洋石油與天然氣開采自升式鉆井平臺ASTM A517 Gr.Q樁腿半弦用不銹鋼無縫管。經(jīng)檢驗，產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能、低溫沖擊韌性以及尺寸精度、表面質(zhì)量等均符合ASTM A517標準及客戶要求，達到了國外同類產(chǎn)品質(zhì)量水平，為我國海洋石油與天然氣開采自升式鉆井平臺樁腿的國產(chǎn)化制造提供了一種優(yōu)良的材料。

 隨著全球陸地油氣資源儲量的逐漸減少，海洋資源開發(fā)已成為各國關(guān)注的焦點。我國海上石油和天然氣資源非常豐富，海洋資源的開發(fā)潛力巨大，海洋油氣開采工程裝備的市場前景廣闊。但同時，我國海洋油氣開采裝備自給率較低，很多高端設(shè)備仍然需要高價進口，尤其是深海油氣勘探與開發(fā)技術(shù)和裝備遠遠落后于歐美發(fā)達國家。我國政府已出臺文件明確要求加快海洋石油和天然氣的勘探與開發(fā)，加大海洋油氣開采工程裝備的發(fā)展力度，使海洋油氣開采工程裝備的高端制造產(chǎn)業(yè)成為我國經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)之一。因此，發(fā)展海洋油氣開采工程裝備制造產(chǎn)業(yè)已上升為我國的國家戰(zhàn)略，多項支持和鼓勵政策相繼出臺?！逗Ｑ蠊こ萄b備制造業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2011～2020）》要求，到2020年，我國的海洋油氣開采工程裝備制造業(yè)的年度銷售收入實現(xiàn)4000億元以上，其中海洋油氣開采裝備在國際市場的份額要實現(xiàn)35%，在海洋油氣勘探與開發(fā)鉆井系統(tǒng)、深海平臺錨泊系統(tǒng)、大功率海洋鉆井平臺發(fā)電站、海洋鉆井平臺大型吊機、自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)、水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域形成多個品牌產(chǎn)品。因此，如何實現(xiàn)我國海洋自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)所需材料和設(shè)備的國產(chǎn)化，是我國先進制造產(chǎn)業(yè)面臨的重大機遇和挑戰(zhàn)。

 在海洋油氣開采中，樁腿是整個自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件之一，其作用是將整個平臺支撐在海平面以上，以便于海上鉆井作業(yè)，其建造精度要求高、難度大，是整個平臺建造的關(guān)鍵。因此，對樁腿半弦管用鋼的綜合力學(xué)性能、低溫沖擊性能等各項技術(shù)指標要求極高。樁腿半弦管采用的是美國材料與試驗協(xié)會ASTM A517標準上的Gr.Q材料，是一種需要進行調(diào)質(zhì)熱處理的高強度合金鋼。樁腿半弦管的傳統(tǒng)制造方法是采用鋼板熱壓制成半圓板加工而成，浙江至德鋼業(yè)有限公司利用720機組首次采用不銹鋼無縫鋼管成型法制造樁腿用半弦管，填補了國內(nèi)外空白，并極大地提高了樁腿的制造效率，降低了生產(chǎn)成本。因此，該產(chǎn)品的開發(fā)成功具有重大意義以及廣闊的市場前景。

一、產(chǎn)品技術(shù)條件

 樁腿半弦管材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能主要按ASTM A517標準《壓力容器用淬火加回火高強度合金板材》中的Gr.Q等級執(zhí)行，并符合客戶的其它特殊技術(shù)要求，以滿足產(chǎn)品高強度、高韌性以及良好焊接性能的特點。

二、生產(chǎn)工藝

 1. 生產(chǎn)工藝流程

  不銹鋼無縫管坯采用電弧爐粗煉-爐外精煉-真空除氣-弧形連鑄工藝生產(chǎn)，不銹鋼無縫管采用浙江至德鋼業(yè)有限公司720機組熱軋工藝生產(chǎn)。整個生產(chǎn)工藝流程為：鐵水+廢鋼→電爐煉鋼→爐外精煉→真空除氣→弧形連鑄一特大連鑄圓管坯→坯料緩冷→坯料環(huán)形爐加熱→二輥錐形輥穿孔→Pilger周期式熱軋→步進爐加熱→定徑→調(diào)質(zhì)熱處理→理化性能檢驗→矯直→超聲+渦流探傷→外觀尺寸檢驗→包裝、入庫。

 2. 煉鋼工藝

 煉鋼工藝控制的重點是準確控制各元素含量，降低鋼水中的夾雜物含量，并對夾雜物進行變性處理。

（1）采用80%的鐵水和20%的優(yōu)質(zhì)廢鋼配料，降低砷、錫、鉛等有害元素含量；

（2）電爐氧化末期鋼水T≥1630℃，Ps0.010%，C<0.05%；

（3）LF采用碳粉和碳化鈣進行脫氧，分批均勻加入，保持精煉良好的還原氣氛；

（4）VD高真空度67Pa下保持時間大于15min；

（5）吊包前喂Ca-Si線，對鋼水中A1O，夾雜進行變性處理。鋼中[Ca]控制在（30-40）×10，以便將MnS變性為CaS夾雜；

（6）弧形連鑄機采用恒速拉坯，穩(wěn)定結(jié)晶器鋼水液面，并進行電磁攪拌。

 3. 熱軋工藝

  A517Gr.Q試制連鑄圓坯外徑為600mm，下料長度為3500mm，在環(huán)形爐加熱至1280℃，加熱時間14h。連鑄圓坯通過錐形輥雙導(dǎo)盤斜軋穿孔成580mm（外徑）×120mm（壁厚）×5700mm（長度）的毛管，再經(jīng)過720Pilger周期式軋管機組熱軋成450mm（外徑）×81mm（壁厚）x10500mm（長度）的荒管，脫棒后由5機架定徑機組定徑為444.5mm（外徑）×82.5mm（壁厚）的成品鋼管。

 4. 熱處理工藝

  A517Gr.Q試制不銹鋼無縫管采用淬火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，依據(jù)A517Gr.Q試驗鋼管的化學(xué)成分及熱處理工藝理論公式（：Ac3=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+14Mo+18Si，確定試制鋼管的奧氏體化溫度（Ac3）為860℃。如果奧氏體化溫度過低，材料中的碳化物以及合金元素不能得到充分的溶解，將造成材料基體組織的不均勻，影響到鋼的強度和斷裂韌性。如果奧氏體化過高，將會導(dǎo)致晶粒粗大，殘余奧氏體增多，在晶界上產(chǎn)生屈氏體組織，影響鋼的低溫韌性[]，因此，試制鋼管淬火溫度設(shè)定為920℃。將試制鋼管置于步進式淬火爐中加熱到920℃，保溫時間為5h，使材料進行充分的奧氏體化。淬火在720機組配備的浸入式水槽（水槽內(nèi)安裝有噴水均勻攪拌系統(tǒng)）中進行，冷卻介質(zhì)為工業(yè)循環(huán)水，冷速大于50℃/s。試制鋼管淬火完成后，在淬火鋼管上截取5節(jié)350mm長的試驗用鋼管，然后在箱式電阻爐中完成回火熱處理試驗，回火試驗溫度分別為560℃、580℃、600℃、620℃和640℃，回火試驗保溫時間均為8小時。

 5. 理化性能試驗

 試制不銹鋼無縫管在完成回火熱處理試驗后，參照ASTM A370-2014《鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗的標準方法和定義》標準中的試驗方法對不同溫度回火的A517Gr.Q試制不銹鋼無縫鋼管進行理化性能檢測?；瘜W(xué)成分分析在LABM8型直讀光譜儀進行。

 拉伸試驗采用p12.5mm圓棒試樣，取樣位置為壁厚的1/2處，在100t電液伺服萬能試驗機上進行。沖擊試驗在配有最低溫度能達到-80℃的低溫槽的沖擊試驗機上進行，沖擊試樣為沿鋼管縱向加工的V型缺口10mm×10mm×55mm的全尺寸試樣，取樣位置分別為壁厚的1/4處和1/2處，沖擊試驗溫度為-40℃。金相組織試樣的取樣位置為壁厚1/2處，試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在ZISS Axio Imager.M1m型光學(xué)顯微鏡下進行微觀組織觀察。

三、生產(chǎn)與質(zhì)量評定

 1. 鋼的成分和性能

  表3為A517Gr.Q試制鋼管的熔煉成分和成品成分數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可以看出，試制鋼管的熔煉成分和成品成分完全符合ASTMA517Gr.Q標準要求，并且兩者的波動較小，P、S含量均控制在較低值，同時碳當(dāng)量Ceq控制在0.80%以下，確保了試制鋼管良好的焊接性能。

  A517Gr.Q試制鋼管在不同回火試驗溫度下的拉伸和沖擊性能數(shù)據(jù)如表4所示。從表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著回火試驗溫度從560℃升高到640℃，試制鋼管的強度（屈服強度和抗拉強度）發(fā)生明顯降低，而延伸率和斷面收縮率變化不大。在回火溫度在600℃以下時，屈服強度和抗拉強度變化較為平緩。當(dāng)試制鋼管在600℃以上溫度回火時，屈服強度和抗拉強度數(shù)據(jù)變化趨勢較為劇烈?；鼗饻囟仍?20℃以上時，試制鋼管的屈服強度指標低于A517Gr.Q的標準要求下限值。

  不同回火溫度下，試制鋼管1/4壁厚處的低溫沖擊性能均高于1/2壁厚處，其原因是1/4壁厚處的淬火效果優(yōu)于1/2壁厚處。隨著回火溫度的升高，1/4壁厚和1/2壁厚處的沖擊性能得到了顯著提升。在600℃以下進行回火時，由于回火試驗溫度相對不高，板條貝氏體的組織特征仍然保留在材料組織中，-40℃低溫沖擊功較低。隨回火試驗溫度的增加，試制鋼管的沖擊韌性發(fā)生較快速度的提升。當(dāng)回火試驗溫度達到620℃以上時，-40℃溫度下1/2壁厚和1/4壁厚處的沖擊吸收能量均達到了120J以上。

  因此，結(jié)合不同回火溫度下的力學(xué)性能和沖擊韌性，A517Gr.Q試制鋼管在回火溫度為600℃時具有最佳的綜合性能。

 2. 微觀組織

  進一步分析A517Gr.Q試制不銹鋼無縫鋼管的微觀組織特征與材料的拉伸和沖擊性能關(guān)系。圖2所示為不同回火溫度的微觀組織，均為回火貝氏體。回火試驗溫度較低時（560℃），在回火過程中材料合金元素組織轉(zhuǎn)變和分解速度較慢，材料回火抗力和回火穩(wěn)定性提升，因此，隨著回火試驗溫度的增加，試制鋼管的強度下降程度減弱。并且，如果回火試驗溫度較低，則貝氏體組織得不到充分分解，依然處在貝氏體組織轉(zhuǎn)變的初始階段，組織以板條貝氏體為主，呈平行的束狀分布，所以試制鋼管具有較高的屈服和抗拉強度，而低溫沖擊韌性較低；隨著試制鋼管回火試驗溫度的增加，材料出現(xiàn)了明顯的軟化效應(yīng)，內(nèi)部貝氏體組織分解和轉(zhuǎn)化加速，數(shù)量較多的貝氏體在相同時間內(nèi)能得到充分分解，板條貝氏體逐漸發(fā)生合并，并過渡到粒狀貝氏體組織。粒狀貝氏體晶內(nèi)的位錯密度要顯著低于板條狀貝氏體，可以使裂紋尖端鈍化，從而阻礙裂紋的擴展]，因此材料強度降低，沖擊韌性提升。當(dāng)回火試驗溫度達到640℃時，貝氏體組織得到了完全分解，并且形成的鐵素體板條束平行排列，此時回火試驗溫度繼續(xù)升高不能明顯改善材料的沖擊性能，但碳化物會發(fā)生聚集和長大，回火溫度越高，聚集效應(yīng)越明顯，因此材料的強度發(fā)生明顯的下降。

 3. 尺寸測量和無損檢測

  使用外徑千分尺對A517Gr.Q試制不銹鋼無縫管進行外徑測量，在同一鋼管上以1000mm為間隔長度測量4處截面，每個截面間隔45°，測量結(jié)果完全滿足客戶要求的±0.5%偏差范圍。

  按ASTME213和ISO10893-10標準對A517Gr.Q試制不銹鋼無縫管進行全長100%覆蓋的超聲波探傷檢驗，刻槽深度N5，檢驗結(jié)果合格，鋼管內(nèi)外表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋、軋折等缺陷。

四、結(jié)論

 1. 基于ASTMA517G.Q標準要求設(shè)計的海洋自升式鉆井平臺A517Gr.Q樁腿半弦用不銹鋼無縫鋼管鋼種，冶煉和熱軋工藝合理，采用淬火+回火的熱處理工藝，試制鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和低溫沖擊韌性等各項指標完全能滿足ASTMA517標準和客戶要求。

 2. A517Gr.Q試制鋼管在920℃淬火溫度下，隨著回火溫度的升高，貝氏體的分解速度和程度加快，試制鋼管的強度逐漸降低，低溫沖擊性能逐漸提升。當(dāng)回火溫度達到了使貝氏體發(fā)生完全分解所需溫度時，回火溫度的繼續(xù)升高不能明顯改善材料的沖擊性能，反而使材料的強度明顯降低。

 3. A517Gr.Q試制鋼管在920℃淬火+600℃回火熱處理時可以獲得最佳的綜合性能。