厚壁UOE海底管線管的開發(fā)實(shí)踐

黃衛(wèi)鋒，張 備，鄭 磊，謝仕強(qiáng)

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

0 前 言

隨著油氣管線輸送壓力的日益增加，管道敷設(shè)逐漸趨于海洋的極端環(huán)境，對管線鋼的性能要求也日趨苛刻。如今，海管不僅要求更大的壁厚，而且要求更高的強(qiáng)度等級，良好的韌性、較小焊接性和較小的尺寸公差[1]。

荔灣3-1氣田海底管道全長約261 km，鋼管外徑為762 mm，壁厚為28.6~31.8 mm，鋼級為 X65MO和 X70MO，設(shè)計(jì)壓力為 23.9 MPa，是迄今國內(nèi)壓力最高、壁厚最厚的海底管道開發(fā)項(xiàng)目，在海洋開發(fā)和海管制造領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略意義。寶鋼為該項(xiàng)目供應(yīng)了UOE海管4.3萬t，其中壁厚最大的規(guī)格φ762 mm×31.8 mm X70MO焊管由寶鋼獨(dú)家供貨。

寶鋼從該項(xiàng)目正式勘探開始，就先期參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、試制、評價(jià)、批量生產(chǎn)和海底鋪設(shè)的全過程。發(fā)揮從冶煉到UOE制管的全流程一貫制技術(shù)管理優(yōu)勢，攻克了煉鋼、軋板、制管等多個技術(shù)難題，先后成功完成了首輪單爐試制，小批量、分階段的千噸級、兩千噸級等各階段試制任務(wù)，成功完成了4.3萬t的批量海管合同。

1 技術(shù)要求及難點(diǎn)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)管徑762 mm，設(shè)計(jì)壓力23.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，鋼管名義長度12.2 m，允許長度公差±0.3 m，具體規(guī)格見表1。鋼管質(zhì)量要求執(zhí)行DNV OS-F101，API SPEC 5L和項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書。管線管等級為DNV OS-F101規(guī)范中的450FD和485FD（相當(dāng)于API SPEC 5L規(guī)范中的 X65MO和X70MO）。

表1 荔灣3-1氣田海底管線鋼管規(guī)格

本項(xiàng)目除了DNV OS-101常規(guī)要求外，還包括斷裂控制（F）和高精度尺寸要求（D）。尤其是全壁厚試樣的DWT試驗(yàn)、每個試批同時進(jìn)行縱橫向矩形試樣及圓棒試樣的管體拉伸試驗(yàn)、每個焊接接頭8組沖擊試驗(yàn)、焊縫及熱影響區(qū)CTOD試驗(yàn)、鋼管橢圓度控制及鋼管定尺長度要求。高達(dá)23.9 MPa的輸氣壓力，對厚壁海管煉鋼、厚板軋制及UOE鋼管各工序的制造能力和質(zhì)量的穩(wěn)定性都是很大的挑戰(zhàn)，海管主要技術(shù)要求見表2。

表2 海管主要技術(shù)指標(biāo)

這些性能要求不僅彼此不同，而且還互相影響。管道工程師為了保證可焊性，要求碳當(dāng)量（CE）要低，但又同時要求高強(qiáng)度和低屈強(qiáng)比。對韌性的要求也是如此，例如要求-20℃時夏比V 形缺口韌性為 121 J（X70MO）/147 J（X65MO），同時又要求85%的落錘撕裂剪切面積，這二者也是強(qiáng)烈地互相影響的，低碳鋼具有優(yōu)異的CVN韌性，但DWTT剪切面積比率不高。依靠昂貴的合金化方案可能獲得熱影響區(qū)韌性，但是又經(jīng)常與DWTT性能以及低碳當(dāng)量相沖突[2]。

2 海管制造主要工藝流程

針對厚壁UOE海底管線鋼的顯著特點(diǎn)和開發(fā)該系列產(chǎn)品的主要難點(diǎn)，充分發(fā)揮寶鋼全流程一貫制優(yōu)勢，確定以下主要工藝流程設(shè)計(jì)。

（1）煉鋼連鑄。鐵水預(yù)處理 （三脫鐵水）→LD轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（LF＋RH、喂Ca絲）→連鑄→板坯分切。

（2）厚板軋制。板坯加熱→厚板TMCP生產(chǎn)→下線堆冷→鋼板UT→鋼板剪切、試驗(yàn)。

（3）UOE制管。全自動引弧板焊接→銑邊→C成型→U成型→O成型→水沖洗及烘干→預(yù)焊→內(nèi)焊、外焊→擴(kuò)徑前無損檢測→機(jī)械擴(kuò)徑→水壓→擴(kuò)徑后無損檢測→尺寸及外觀檢測→性能試驗(yàn)等。

3 鋼板的制造

高質(zhì)量的鋼板原料是生產(chǎn)高質(zhì)量海底管線管的先決條件。針對本項(xiàng)目厚規(guī)格海底管線鋼的顯著特點(diǎn)和開發(fā)該系列產(chǎn)品的主要難點(diǎn)，確定以下鋼板生產(chǎn)工藝。

（1）采用“少量鐵素體＋貝氏體”的針狀鐵素體組織設(shè)計(jì)思路，利用針狀鐵素體鋼中可動位錯密度高、屈強(qiáng)比適中、均勻延伸率高、加工硬化能力強(qiáng)以及焊接性能好的特點(diǎn)，滿足深海管線對材料力學(xué)性能的特殊要求。

（2）在合金設(shè)計(jì)上采用低碳和低碳當(dāng)量以保證鋼的焊接性能，通過Nb-Ti復(fù)合微合金化細(xì)化鋼的組織，改善應(yīng)變時效性能等。另外，適量添加Cu，Cr和Ni等元素提高鋼的淬透性，獲得理想的貝氏體組織和成分，化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表3。

（3）采用三脫鐵水、深脫磷、超深脫硫、鈣處理、氮控、全氧控制和高品質(zhì)鑄坯控制等潔凈鋼冶煉、連鑄技術(shù)，通過材料的高潔凈度控制和高鑄坯質(zhì)量保證材料的高韌性指標(biāo)要求。

（4）通過開發(fā)壓縮空氣吹掃管等裝置和溫度均勻性控制技術(shù)改善鋼板的板形、表面質(zhì)量以及鋼板的組織和性能的均勻性。

（5）通過革新生產(chǎn)組織和管理程序，保障厚規(guī)格海底管線鋼板板形、表面質(zhì)量和各項(xiàng)理化性能的穩(wěn)定性。

表3 鋼板的化學(xué)成分 %

4 UOE鋼管的制造

4.1 UOE成型工藝設(shè)計(jì)和研究

UOE鋼管生產(chǎn)工藝包括C成型（又稱預(yù)彎邊）、U成型、O成型及焊接成管后的擴(kuò)徑（簡稱E）。焊前的C-U-O成型在改變形狀的同時也在改變鋼板成管后的物理性能，這種變化必須將理論計(jì)算和過程數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，而不僅僅采用實(shí)際試驗(yàn)的方法進(jìn)行，旨在大幅度降低試驗(yàn)和制造成本，成型過程模擬如圖1所示。

圖1 UOE成型模擬

快節(jié)奏成型過程使得鋼板成型后的尺寸精度和性能變得更為復(fù)雜，影響到后續(xù)的預(yù)焊，對預(yù)焊機(jī)組造成危害，也會影響到內(nèi)焊和外焊，最終影響到質(zhì)量和產(chǎn)量，尤其是C成型的直邊段精度。直接關(guān)系到焊管梨型凸度（又稱撅嘴）、內(nèi)外焊的焊縫質(zhì)量和焊趾缺陷等。

O成型的精度影響到焊接過程的穩(wěn)定、內(nèi)外焊縫交互熔深以及管體的橢圓度，管體擴(kuò)徑率與O成型過程中的壓縮率的合理匹配決定了管體的力學(xué)性能和管形尺寸精度。

通過對板材力學(xué)性能與各工序工藝參數(shù)對成型質(zhì)量的影響規(guī)律的研究，基于管材力學(xué)性能測試模型建立UOE產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)判系統(tǒng)，對本項(xiàng)目的UOE焊管產(chǎn)品的成型質(zhì)量和力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測，優(yōu)化成型工藝設(shè)計(jì)，力求在鋼板性能、成型工藝、鋼管性能、殘余應(yīng)力和鋼管尺寸中找到最佳平衡。

4.2 焊接工藝設(shè)計(jì)和研究

采用UOE多絲埋弧焊焊接有限元模型，主要對焊接熱輸入及殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬研究，確定合適的熱輸入范圍；配以寶鋼自行研發(fā)的BH70GX-Ⅲ焊絲，焊絲的成分設(shè)計(jì)與寶鋼母材的成分匹配，焊縫金屬Pcm控制在0.16%~0.17%，最大程度優(yōu)化焊接性；焊劑采用特別定制的JH-SJ101GX堿性焊劑，最終得到焊縫與母材成分等同，強(qiáng)度等強(qiáng)略高匹配的焊接接頭；內(nèi)外焊分別采用4絲埋弧焊接工藝，內(nèi)外焊分別采用激光自動跟蹤自動記錄追溯系統(tǒng)；焊劑輸送回收均采用全自動系統(tǒng)完成，確保焊劑質(zhì)量的穩(wěn)定性，以得到焊縫性能的穩(wěn)定性。

外焊縫余高直接決定了涂層的成本，通過坡口及焊接工藝的調(diào)整可將內(nèi)外焊縫余高顯著降低，可大幅度節(jié)約涂層成本。通過焊接工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制焊趾過渡角，可使內(nèi)外焊縫余高與管體平滑過渡，可有效提升涂層合格率，降低焊趾殘余應(yīng)力，并可提升深海管線的抗壓潰能力，焊縫宏觀金相照片如圖2所示，焊縫宏觀金相尺寸數(shù)據(jù)見表4。

圖2 焊縫宏觀金相照片

表4 焊縫宏觀金相尺寸數(shù)據(jù)

4.3 探傷

為確保海管的質(zhì)量，對每根鋼管的原料均進(jìn)行100%的表面積超聲波探傷、擴(kuò)徑前后焊縫超聲波探傷、焊縫X射線工業(yè)電視探傷、管端X射線拍片探傷、管端超聲波分層探傷、管端磁粉探傷和內(nèi)外表面檢查，并配置了3組串列式探頭，主要用于探測普通探頭難以探測的焊縫中間部位的缺陷，如氣孔、夾渣等缺陷，超聲波串列式探測如圖3所示。

圖3 超聲波串列式探測缺陷示意圖

5 成品鋼管檢測結(jié)果

5.1 鋼管幾何尺寸

對影響海管鋪設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格控制。管端橢圓度最大值控制在3.0 mm以內(nèi)，管端平均橢圓度1.7 mm，過程能力指數(shù)CPK1.43，且不同鋼管之間橢圓度、外徑等尺寸差異很小，可保證海上環(huán)焊施工時容易進(jìn)行鋼管對口，盡量減小對口錯邊。

同時，UOE焊管在O成型時采用了較大的壓縮率，使得鋼管內(nèi)部殘余應(yīng)力小且分布均勻，即使鋼管經(jīng)過涂層加熱及長時間放置，鋼管尺寸依然保持不變。成品鋼管的尺寸數(shù)據(jù)見表5，管端橢圓度和外徑分布如圖4和圖5所示。

為了將鋼管定尺長度控制在（12.2±0.3）m，為海上鋪管施工提供更寬松的條件，對鋼板剪切精度、擴(kuò)徑后鋼管長度縮減量、平頭及倒棱量均進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。尤其是為了避免取樣試驗(yàn)造成的短尺，經(jīng)過與業(yè)主、監(jiān)理反復(fù)溝通，達(dá)成了兩根管取樣的方案，避免了因取樣造成的鋼管短尺。

表5 鋼管幾何尺寸

圖4 管端橢圓度分布圖

圖5 管端外徑分布圖

5.2 鋼管力學(xué)性能

5.2.1 拉伸性能

管體拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。采用矩形壓平試樣，可以看到所有的強(qiáng)度指標(biāo)均滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，且數(shù)據(jù)分布在很窄的范圍，縱橫向差異在20 MPa以內(nèi)，橫向屈強(qiáng)比均值0.83，縱向屈強(qiáng)比均值0.87。同時，為了避免因試驗(yàn)方法本身造成對鋼管屈服強(qiáng)度的誤判，按標(biāo)準(zhǔn)對每個試批也進(jìn)行了圓棒試樣的拉伸試驗(yàn)，通過對大量的圓棒試樣與矩形壓平試樣結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，二者并無明顯區(qū)別，圓棒試樣的橫向屈服強(qiáng)度比矩形試樣均值高約20 MPa，這與矩形試樣的壓平程度、包申格效應(yīng)及圓棒試樣的取樣位置等均有關(guān)系。

表6 管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5.2.2 沖擊韌性

沖擊試驗(yàn)溫度為-20℃，管體取樣位置為壁厚中心，焊接接頭取樣位置為外焊縫及內(nèi)外焊縫交界部分的焊縫中心以及FL，F(xiàn)L+2 mm和FL+5 mm，每個焊接接頭的沖擊試樣為8組，如圖6所示。焊接接頭沖擊韌性的分布如圖7所示。同時，對管體進(jìn)行了時效（200℃，1 h）前后的系列沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8及圖9所示。可以看到，無論管體、焊縫以及FL，F(xiàn)L+2 mm，F(xiàn)L+5 mm均具有非常優(yōu)異的沖擊韌性，管體時效后無明顯的沖擊韌性下降現(xiàn)象，即使在-60℃，沖擊韌性依然接近400 J，遠(yuǎn)高于工程項(xiàng)目的要求。焊接接頭的FL沖擊韌性相對最低，隨著取樣位置距離FL越遠(yuǎn)，沖擊韌性越好，但即使是沖擊韌性最低的FL，最低沖擊功依然在100 J以上。因此，這種材料設(shè)計(jì)即使在埋弧焊大熱量輸入的情況下依然具有優(yōu)異的焊接性。

圖6 焊接接頭沖擊取樣位置示意圖

圖7 焊接接頭不同位置沖擊韌性分布圖

圖8 450FD/X65MO時效前后系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖9 485FD/X70MO時效前后系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5.2.3 DWTT性能

DWT試驗(yàn)溫度為0℃，標(biāo)準(zhǔn)要求采用全壁厚試樣。由于管體韌性高，采用壓制缺口試樣在60 000 J落錘試驗(yàn)機(jī)上仍不能將試樣打斷，后采用全壁厚人字形缺口試樣進(jìn)行試驗(yàn)，可在較低的吸收能量下將試樣打斷，但由于人字形缺口試樣在加工缺口前需要將試樣反復(fù)進(jìn)行壓平，壓平過程對DWTT結(jié)果有一定的負(fù)面影響。

隨著強(qiáng)度及壁厚的增加，全壁厚DWTT對鋼板原料的制造及試驗(yàn)本身均是一個很大的挑戰(zhàn)。DWT試驗(yàn)結(jié)果見表7，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 海管DWTT性能（全壁厚，人字形缺口，0℃）

5.2.4 CTOD性能

對首批檢驗(yàn)鋼管進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度0℃，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS7448和DNV OS-F101附錄B進(jìn)行試驗(yàn)。對NPWM和NPBM試樣，采用的試樣形式為W=2B。對于NQCGHAZ試樣，采用表面缺口且試樣形式為W=B，NQCGHAZ的預(yù)制裂紋尖端位于HAZ粗晶區(qū)且距熔合線不超過0.5 mm，如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果見表8，無論母材、焊縫還是HAZ粗晶區(qū)均具有良好的CTOD值。

圖10 NQCGHAZ預(yù)制裂紋位置

表8 海管CTOD性能（0℃）

5.2.5 其他試驗(yàn)

其他試驗(yàn)如硬度、導(dǎo)向彎曲、焊縫拉伸等試驗(yàn)均一次通過。為了保證焊接接頭、管體的沖擊韌性和良好的落錘性能，采用了超低硫磷含量的三脫鐵水。為此，根據(jù)NACE TM0284和NACE TM0177分別進(jìn)行了HIC和SSCC試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示所有試樣均無裂紋，表明該材料無論管體還是焊縫均具備優(yōu)良的耐蝕性能。

6 結(jié) 論

寶鋼生產(chǎn)開發(fā)的南海深水天然氣海底UOE管線鋼管具有性能優(yōu)良、焊接性好、橢圓度等尺寸控制精度高的特點(diǎn)。滿足荔灣海底管道項(xiàng)目的各項(xiàng)技術(shù)要求，并成功實(shí)現(xiàn)批量供貨和工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了我國海底管道長距離高壓輸送用特厚壁、高強(qiáng)度UOE管線鋼管的國產(chǎn)化目標(biāo)。

［1］XIE S Q， HUANG W F， ZHANG B.Research and Development of Deepwater Offshore Linepipe of Baosteel UOE SAWL X70 of Heavy Wall Thickness and Large Diameter[J].Baosteel Technical Research，2013,7(02):49.

［2］馬良.海底油氣管道工程［M］.北京：海洋出版社，1987.

［3］徐亮，劉世澤.海洋管線管焊縫全壁厚試樣與減薄試樣的 CTOD 值分析[J].鋼管，2012(01)：72-74.

［4］戈曉，劉家泳，張麗敏，等.海洋管線管全尺寸塑性彎曲試驗(yàn)方法研究[J].物理測試，2012(02)：18-21.

［5］劉世澤，謝仕強(qiáng).直縫埋弧焊管擴(kuò)徑機(jī)的應(yīng)用[J].焊管,2003,26(02):26-29.

［6］王嘯修，鄒天下,李新文，等.UOE成型三維有限元仿真研究[J].寶鋼技術(shù)，2014(01)：40-43.

［7］劉京雷，黃克堅(jiān)，阮鋒.大口徑直縫焊管O成型過程有限元分析[J].材料科學(xué)與工藝，2007，15（05）：693-696.

［8］黃衛(wèi)鋒，錢偉方，王治國.UOE焊管埋弧焊焊接過程變形仿真研究[J].焊管，2011，34（12）：12-13.

［9］彭在美，沈發(fā)楚，嵇紹偉.我國UOE／JCOE直縫埋弧焊管機(jī)組的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鋼管,2013,42(02)：3-6.

［10］DNV-OS-F101,OFFSHORE STANDARD Submarine Pipeline Systems[S].