海洋中蘊(yùn)藏著巨大的油氣資源，隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深水和超深水的油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開(kāi)采的重點(diǎn)領(lǐng)域^[1]。隨著海上油氣田開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，海底油氣輸送管道已成為廣泛用于海洋石油工業(yè)的重要運(yùn)輸手段^[2]。海底管道由于埋入海底泥土中或浸于海水中，受潮水、暗流、涌動(dòng)、微生物、腐蝕、海上交通等工況影響，因此對(duì)海底管道的可靠性提出了更高要求^[3]。腐蝕是海底管線(xiàn)破壞的主要因素之一，嚴(yán)重影響海底管線(xiàn)的使用壽命, 更嚴(yán)重的是造成災(zāi)害性事故，引發(fā)油氣泄漏，造成環(huán)境污染和人員傷亡等，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失^[4]。由于鋼鐵材料韌性大、強(qiáng)度高、價(jià)格便宜，因而大量應(yīng)用于海底管道的建設(shè)中，但是苛刻的海洋腐蝕環(huán)境對(duì)管線(xiàn)鋼管的腐蝕不可避免，幾乎所有的典型腐蝕類(lèi)型如：疲勞腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫致開(kāi)裂、沖擊腐蝕、電化學(xué)腐蝕、細(xì)菌腐蝕在海底管線(xiàn)中都存在，尤其是主要用在酸性環(huán)境下服役的海底管線(xiàn)鋼管。因此，研究開(kāi)發(fā)具有耐腐蝕的高強(qiáng)度壁厚管線(xiàn)鋼管，對(duì)于延長(zhǎng)海底管線(xiàn)使用壽命，保證海底管道的安全運(yùn)行，具有十分重要的意義。

本文針對(duì)1500米以上水深用深海油氣輸送管需求，結(jié)合深海高壓服役工況對(duì)深海油氣輸送用鋼管管線(xiàn)鋼及鋼管的性能要求，通過(guò)從管線(xiàn)鋼成分、組織和性能等方面的研究分析，采用低碳微合金設(shè)計(jì)和高純凈度、超均質(zhì)冶煉鑄坯工藝以及優(yōu)化的TMCP工藝，開(kāi)發(fā)出具有良好的強(qiáng)韌性、強(qiáng)塑性和耐酸性的X70鋼級(jí)36.5 mm厚壁管線(xiàn)鋼板材，研制出具有抗硫化氫腐蝕的國(guó)產(chǎn)X70鋼級(jí)φ（1016～762）mm×36.5mm高鋼級(jí)、大壁厚深海油氣輸送管。

1  海底管線(xiàn)的發(fā)展概況

海底管道在國(guó)外發(fā)展很快，自1954年美國(guó)在墨西哥灣覆設(shè)世界第一條海底管道以來(lái)，北海、黑海、地中海、巴西等海洋油氣田被相繼發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)，全世界海底管道工程得到蓬勃發(fā)展^[5]。目前世界最長(zhǎng)的海底管道是挪威至英國(guó)的朗格勒得北海管道，總長(zhǎng)度1200 km，管徑1016 mm，壁厚34.1 mm，材質(zhì)X70，最大工作壓力25 MPa，最大水深1000 m。目前世界最深海底管道是美國(guó)墨西哥灣東部灣的獨(dú)立管道，水深為2454 m，其管徑為610 mm，壁厚34.3 mm，材質(zhì)X65，最大工作壓力25 MPa。目前世界深水管道的典型水深為2500 m，正面臨3 000 m及以上深度的挑戰(zhàn)^[6]。目前世界壁厚最大的海底管道是俄羅斯和歐洲之間穿越波羅的海的輸氣管道，使用了X70 鋼級(jí)，管徑1219 mm，最大壁厚達(dá)到41.0 mm，是目前海底管道工程中應(yīng)用的最大壁厚鋼管。目前，國(guó)外海底管道工程中非酸性環(huán)境下應(yīng)用的最高鋼級(jí)為X70，酸性環(huán)境下應(yīng)用的管材最高鋼級(jí)為X65^[7]。

受裝備和技術(shù)的限制，我國(guó)的海洋管道不僅起步晚，而且海洋管道的設(shè)計(jì)、施工總體水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在較大差距。目前世界海底油氣管道總量已超過(guò)10萬(wàn)千米，最大作業(yè)水深已達(dá)3000米。我國(guó)的海底管道建設(shè)始于上世紀(jì)八十年代，初期是通過(guò)與同國(guó)外合作摸索積累經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多年的迅猛發(fā)展，我國(guó)從1985 年建成第一條海底輸油管道開(kāi)始，在我國(guó)海域現(xiàn)已累計(jì)已鋪設(shè)海底管道60多條，總長(zhǎng)度超過(guò)8000 km。在管道長(zhǎng)度方面，從海南島近海某氣田至香港的一條直徑為711 mm 的海底輸氣管道長(zhǎng)達(dá)800 km，是我國(guó)目前最長(zhǎng)的一條海底管道^[8]。2012 年完工的南海荔灣3-1氣田海底管道全長(zhǎng)約261 km，鋼管外徑為762 mm，壁厚為28.6～31.8 mm，鋼級(jí)為X65MO 和X70MO，設(shè)計(jì)壓力為23.9 MPa，是迄今國(guó)內(nèi)壓力最高、壁厚最厚的海底管道開(kāi)發(fā)，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)1500 m 作業(yè)水深的管道工程紀(jì)錄，在海洋開(kāi)發(fā)和海底管線(xiàn)制造領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略意義^[9]。

    2  高強(qiáng)度厚壁管線(xiàn)鋼板材的開(kāi)發(fā)

為適應(yīng)海底管道的安裝要求和服役條件，海底管線(xiàn)鋼材料除需滿(mǎn)足高強(qiáng)度、高韌度以及良好的焊接性能和耐腐蝕性能等一般要求外^[10]，深海管道用管線(xiàn)鋼材料還具有如下特點(diǎn)：①高的形變強(qiáng)化指數(shù)和均勻延伸率；②低的屈強(qiáng)比；③優(yōu)良的縱向拉伸性能；④低的鑄坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的斷口分離和層狀撕裂的幾率；⑤優(yōu)異的夏比沖擊、落錘撕裂和CTOD性能；⑥優(yōu)異的焊接性；⑦嚴(yán)格的尺寸偏差和精度控制^[11]。因此，海底管線(xiàn)在成分設(shè)計(jì)和性能方面要求更為嚴(yán)格，在成分和組織上要求“超高純、超均質(zhì)、超細(xì)化”。深海管線(xiàn)用X70鋼級(jí)36.5 mm厚壁管線(xiàn)鋼板材采用的是低碳含量、低碳當(dāng)量、低硫磷含量以低C-低Mn-Nb-Ni-Mo系為基，根據(jù)性能要求適當(dāng)添加Cu和Cr等合金元素的合金化設(shè)計(jì)，通過(guò)TMCP軋制工藝獲得以針狀鐵素體為主體的組織類(lèi)型。滿(mǎn)足管線(xiàn)鋼的抗硫化氫腐蝕性能要求，其中要求W[S]<0.001％，W[P]≤0.012％；鋼中的夾雜物最大直徑D<100 μm，控制氧化物形狀，消除條形硫化物夾雜的影響；鋼中脆性A1₂O₃ 夾雜物和條狀MnS夾雜成痕跡，晶粒細(xì)化。

在煉鋼工藝上采用了超低S、Ca處理等純凈鋼冶煉技術(shù),在熱軋方面采用控制軋制和控制冷卻技術(shù),以得到鋼質(zhì)純凈、組織均勻的針狀鐵素體組織。在鋼板生產(chǎn)中，主要從板坯加熱溫度、變形量、軋制溫度和軋后冷卻等方面對(duì)X70管線(xiàn)鋼的軋制工藝進(jìn)行控制。為獲得細(xì)小、均勻的顯微組織，采用較大的單道次變形量、較高的累積壓下率和冷卻速率。將鋼錠在電爐中加熱至1200 ℃，均勻化60 min后，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶溫度區(qū)變形50% 和非再結(jié)晶溫度區(qū)變形20% 的兩階段控軋，采用TMCP工藝軋成36.5 mm 厚鋼板，終軋后鋼板先弛豫一定時(shí)間再進(jìn)行加速冷卻，終軋溫度控制在820°C,終冷溫度為430°C，最終獲得細(xì)小、均勻的針狀鐵素體組織。通過(guò)調(diào)整精軋溫度、變形量和冷卻模式及溫度的均勻性控制等，降低了鋼板的橫縱向性能差異，改善了鋼板的表面質(zhì)量以及鋼板的組織和性能的均勻性，鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性及DWTT性能均滿(mǎn)足深海管線(xiàn)用管線(xiàn)鋼的性能要求。

開(kāi)發(fā)出的X70 36.5 mm厚壁管線(xiàn)鋼鋼板的微觀組織見(jiàn)圖1，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。

    圖1  X70 36.5 mm鋼板微觀金相組織

Fig.1 Microstructure of 36.5 mm X70 steel plate

表1  X70 36.5mm厚壁管線(xiàn)鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Table 1  Chemical Composition Design of X70 pipeline steel plate with 36.5 mm（Wt.%）

表2  X70 36.5mm管線(xiàn)鋼板材力學(xué)性能

Table 2  Chemical Composition Design of X70 pipeline steel plate with 36.5 mm（Wt.%）

從X70 36.5 mm高強(qiáng)度厚壁管線(xiàn)鋼板材的組織、化學(xué)成分和力學(xué)性能結(jié)果可看出，開(kāi)發(fā)的X70 36.5 mm管線(xiàn)鋼板材組織均勻、鋼質(zhì)純凈，性能優(yōu)良，斷裂韌性?xún)?yōu)異，嚴(yán)格控制了S，P，N和O等有害元素含量，板材的低溫韌性、焊接性能和耐酸性腐蝕性能得到明顯改善。

    3  高強(qiáng)度厚壁抗H₂S腐蝕海洋管的開(kāi)發(fā)

采用開(kāi)發(fā)出X70 36.5 mm高強(qiáng)度厚壁管線(xiàn)鋼板材，通過(guò)JCOE直縫埋弧焊接鋼管的小徑厚比（D/t）鋼管成型、厚壁管線(xiàn)鋼多絲埋弧焊接、鋼管全管體擴(kuò)徑等工藝技術(shù)研究，在寶雞鋼管公司下屬秦皇島鋼管公司JCOE制管生產(chǎn)線(xiàn)試制出X70 φ（1016～762） mm×36.5 mm的高鋼級(jí)、大壁厚深海油氣輸送管，從管體及焊接接頭的力學(xué)性能、硬度及抗H₂S耐腐蝕試驗(yàn)等方面對(duì)試制鋼管進(jìn)行了性能分析。

3.1  力學(xué)性能

在距焊縫180°處取管體橫、縱向全壁厚板狀拉伸試樣，在焊接接頭處取橫向焊縫全壁厚板狀拉伸試樣，依據(jù)ASTM A370-14標(biāo)準(zhǔn)在UTM5305、SHT 4106材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，表3 為鋼管的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果。

表3  拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Tensile properties test results of steel pipe

一般而言，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求下，其屈強(qiáng)比越低、伸長(zhǎng)率越高、維氏硬度越小，就更適合在具有腐蝕性、對(duì)鋼管變形能力要求較高的環(huán)境中使用^[12]。從表3 中可以看出，試驗(yàn)的X70 36.5 mm厚壁直縫埋弧焊管的管體屈服強(qiáng)度為495～512 MPa，抗拉強(qiáng)度為645～648 MPa，屈強(qiáng)比為0.77～0.79，伸長(zhǎng)率為55%～58%，這些性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足DNV-OS-F101-2013《海底管線(xiàn)系統(tǒng)規(guī)范》要求。同時(shí)，從表3可以看出，鋼管焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略高于母材抗拉強(qiáng)度20 MPa，斷裂位置都在母材處，表明在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼管具有高塑性的特點(diǎn)，可適用于具有腐蝕性的環(huán)境中。

3.2  硬度

依照ASTM E 384-11e1標(biāo)準(zhǔn)，采用KB 30BVZ-FA硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，表4為試驗(yàn)鋼管焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果，圖2為焊接接頭測(cè)試位置示意圖。

圖2  焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)壓痕位置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the indentation position of the Vickers hardness test of the welded joint

表4  焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果（HV10）

Table 4 Vickers hardness test results of weld joint

硬度與強(qiáng)度密切相關(guān),早期的研究發(fā)現(xiàn),硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性與鋼材的硬度有關(guān),硬度愈高,敏感性愈大, 所以NACE MR0175 推薦在酸性介質(zhì)中,管線(xiàn)鋼的硬度極限為248HV₁₀ 或22HRC^[13]。從表4中可以看到，管體母材及焊接接頭的平均硬度為207 HV₁₀，最大硬度值為243HV₁₀。管體及焊接接頭的硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管可適用于在硫化氫腐蝕環(huán)境中應(yīng)具有的低硬度特點(diǎn)。

3.3  氫致裂紋(HIC)試驗(yàn)

在管體母材及焊縫處的壁厚上、中、下部位取抗氫致裂紋試樣，試樣規(guī)格為20 mm×20 mm×100 mm,依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE TM0284-2011(A溶液) 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行HIC試驗(yàn)。管體母材及焊縫試樣在H2S飽和溶液（A溶液）中浸泡96小時(shí)。試驗(yàn)后，經(jīng)過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行宏觀檢查，試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡（見(jiàn)圖3～圖4）。經(jīng)對(duì)試樣截面的金相剖面在100倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，管體及焊縫剖面無(wú)裂紋（見(jiàn)表5）。試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)鋼管在該試驗(yàn)條件下對(duì)HIC不敏感。

表5  HIC試樣內(nèi)部剖面裂紋率測(cè)量分析結(jié)果

Table 5 Measurement and analysis results of internal cross section crack rate of HIC specimen

3.4  硫化物應(yīng)力腐蝕(SSCC)試驗(yàn)

在管體母材及焊縫位置取抗硫化物應(yīng)力腐蝕試樣，試樣規(guī)格為5 mm×15 mm×120 mm。依據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE TM0177-2005(A溶液)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕(SSCC)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置，應(yīng)力加載量為413MPa（85%SMYS），經(jīng)過(guò)720小時(shí)H₂S飽和溶液（A溶液）浸泡，試樣未斷裂，放大10倍觀察無(wú)裂紋（見(jiàn)圖5～圖6），試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)鋼管具有良好的抗應(yīng)力腐蝕能力。

3.5  腐蝕速率試驗(yàn)

在管體母材及焊縫位置取腐蝕速率試驗(yàn)掛片試樣，試樣尺寸為3 mm×15 mm×25 mm，每個(gè)位置各取3個(gè)平行試樣。腐蝕速率浸泡試驗(yàn)依據(jù)JB/T 7901—2001《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》，在常溫常壓條件下進(jìn)行，試驗(yàn)介質(zhì)為3.5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl水溶液（pH為6.5～7.2），試樣在腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)中連續(xù)浸泡30天。

表

Tab.6 Corrosion rate of X70 steel pipe in 3.5%NaCl solution at room temperature and pressure

從表6的腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)管材在焊縫和管體母材的腐蝕速率均小于0.09 mm／a，焊縫的平均腐蝕速率比管體的略高一點(diǎn)。根據(jù)SY／T0087.1-2006以及NACE標(biāo)準(zhǔn)RP-0775-2005對(duì)腐蝕程度的規(guī)定，管體和焊縫的腐蝕均屬輕微腐蝕，即表明該X70試驗(yàn)鋼管具有良好的耐腐蝕性能。

    4  結(jié)  論

（1）采用低碳微合金設(shè)計(jì)和高純凈度、超均質(zhì)冶煉鑄坯工藝以及優(yōu)化的TMCP工藝，開(kāi)發(fā)出具有良好的強(qiáng)韌性、強(qiáng)塑性和耐腐蝕的深海用X70 36.5 mm高強(qiáng)度厚壁管線(xiàn)鋼鋼板。

（2）開(kāi)發(fā)出具有抗硫化氫腐蝕的國(guó)產(chǎn)X70鋼級(jí)φ（1016～762）mm×36.5 mm高鋼級(jí)、大壁厚深海油氣輸送管。通過(guò)對(duì)試制鋼管管體及焊接接頭的力學(xué)性能、硬度、氫致裂紋(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)等試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明開(kāi)發(fā)的X70 36.5 mm高強(qiáng)度厚壁鋼管具有良好的耐硫化氫腐蝕性能。

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責(zé)任編輯：王元

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