X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的研制

卓　釗

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421000）

?

X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的研制

卓釗

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421000）

摘要：介紹了X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的化學成分和設計方案；歸納了生產過程中的工藝控制要點，通過試驗確定其最佳熱處理工藝；并評定其力學性能和焊接工藝。試驗結果表明：以低C含Mn鋼為基礎，加入Cr、Mo、Ni、V、Ti、Nb等微合金元素可提高X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的強度，細化晶粒，降低其過熱敏感性；在淬火溫度930℃、回火溫度625℃時，其組織均勻、晶粒細??；產品力學性能和焊接性能較好，能滿足用戶要求。

關鍵詞：海洋樁腿支撐管；X80Q鋼級；熱處理；力學性能；焊接性能；設計方案

卓釗（1981-），男，碩士，工程師，主要從事管線管產品研發及合同評審工作。

隨著石油勘探開采向海洋的戰略轉移，海洋石油裝備的市場需求進一步加大［1］。海洋樁腿支撐管主要用于海洋油氣鉆井平臺，復雜多變的海洋環境決定了海洋樁腿支撐管的各項技術指標要求極高，不僅需要有很高的耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能，還應具有高強度、高韌性、易焊接等特性。2013 年11月，衡陽華菱鋼管有限公司成功開發出Φ273.05 mm×21.41 mm等規格X80Q鋼級海洋樁腿支撐管，經ABS（美國船級社）和CCS（中國船級社）檢驗，產品的拉伸性能、沖擊韌性、伸長率、硬度、焊接性能、表面質量和尺寸精度等均符合標準要求，并成功實現批量生產。在此將重點介紹X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的研發。

1　產品主要技術要求

X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的化學成分、力學性能按API Spec 5L—2012標準中的PSL2規范要求執行，具體見表1～2。

除了上述基本性能要求外，客戶還要求評定鋼管的焊接性能。

表1　X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的化學成分（質量分數）要求　%

表2　X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的力學性能要求

2　鋼的化學成分設計

由于服役條件較為苛刻，海洋樁腿支撐管必須具有較好的低溫沖擊韌性和良好的焊接性能。隨著C含量的增加，鋼的強度、硬度提高而塑性、韌性卻下降，焊縫的裂紋敏感性增加［2］。而C元素又是對碳當量貢獻最大的元素。因此，為確保鋼材具有良好的焊接性能，本研究中X80Q鋼級海洋樁腿支撐管w（C）控制在0.12%以內。在C含量不高的情況下，為了提高鋼的淬透性，需加入其他合金元素。Mn能顯著降低鋼的Ar1溫度和奧氏體相變速度，從而提高鋼的淬透性，但過高的Mn會使鋼的過熱敏感性和回火脆性增加，故Mn含量設計為不超過1.80%；V、Ti、Nb等微合金元素能提高鋼的強度，并能細化晶粒，降低過熱敏感性；Cr、Mo等元素能顯著提高鋼的淬透性。

（1）根據國內高鋼級管線管的成分設計經驗，以低C含Mn鋼為基礎，加入Cr、Mo、Ni、V、Ti、Nb等微合金元素［3-4］，經過適當的工藝控制，使各種合金元素合理分布，發揮合金元素各自的作用，以沉淀強化、細晶強化等方式保證材料的強度和韌性［5］。添加適量的Nb、Ti等微合金元素可以提高材料的韌性，Ti是強烈的氮化物形成元素，微量的Ti可以捕捉鋼中游離的N，以TiN質點的形式彌散析出，同時Nb和Ti形成的碳化物能穩定焊接區域驟熱急冷時C在基體組織中的固溶度，從而改善鋼的焊接性能［6］。

（2）控制鋼中有害元素。S含量高容易引起硫化物應力腐蝕和產生氫致裂紋，尤其當油氣中含有H2S、CO2等腐蝕性氣體時［7］。因此，w（S）應小于0.005%，控制Ca/S≥1以便對硫化物夾雜進行球化處理，降低氫致裂紋發生率［8］。P、As、Sn等元素對鋼的質量和性能會產生不利影響，在工藝許可的情況下，應盡可能降低它們的含量。

3　試制過程

3.1生產工藝流程

優質廢鋼、生鐵→90 t電爐冶煉→LF+VD精煉→弧形連鑄→冷床冷卻→坯料檢驗、修磨→坯料鋸切→環形爐加熱→穿孔→連軋→步進爐再加熱→高壓水除鱗→定徑→冷床冷卻→切管→矯直→探傷→調質→矯直→探傷→靜水壓試驗→人工檢驗→測長、稱重→入庫。

3.2煉鋼

以90 t電爐配合鋼包爐及真空脫氣精煉爐煉鋼，由弧形連鑄機制成Φ330 mm連鑄坯。電爐采用泡沫渣工藝，前期低溫快速脫磷，后期快速脫碳、去氣、去夾雜。爐外精煉采用LF+VD全程吹氬工藝，精煉過程使用鋁粒和碳化鈣進行脫氧，分批均勻加入，保持良好的精煉還原氣氛。

3.3軋管

采用Φ330 mm連鑄坯在Φ340 mm連軋管機組進行熱軋生產。將3 600 mm長定尺坯在環形爐加熱至1 270℃，通過錐形穿孔機軋制成Φ415 mm×33 mm×7 300 mm的毛管，再經限動芯棒連軋管機軋制成Φ351 mm×20.8 mm×13 700 mm的荒管，荒管經過步進爐再加熱后由微張力減徑機減徑為Φ273.05 mm×21.41 mm的兩倍尺鋼管，經過冷床冷卻后進入精整線進行后續工序處理。

3.4熱處理

熱軋后的鋼管機械性能不能滿足標準要求，因此必須進行熱處理。為了降低材料的屈強比和脆性轉變溫度，鋼管在熱軋并自然空冷后進行離線淬火+高溫回火，使鋼管的組織更加均勻細致，從而提高鋼管強度和韌性，以彌補合金含量低的不足［9］。3.4.1淬火溫度

鋼的成分越均勻，其耐腐蝕性能越好。若淬火溫度過低，存在未溶碳化物，奧氏體組織不均勻，奧氏體中固溶的C及其他合金元素含量較低，淬火后馬氏體的強度偏低，影響鋼的強度和斷裂韌性。若淬火溫度過高，將導致晶粒粗大，鋼的沖擊韌性和裂紋擴展功降低，冷脆區域增加［10］。

根據奧氏體轉變結束溫度Ac3=910-320w（C）-14w（Ni）-12w（Cu）-10w（Mn）+5w（Cr）+14w（Mo）+ 18w（Si）公式計算出該X80Q鋼級鋼的奧氏體化溫度約為870℃［11］。由于該鋼中含有一定的Mn、Cr、Mo、Ti、Nb等合金元素，Mn是擴大γ相區元素，Mo和Cr則是縮小γ相區元素，Ti、Nb在抑制高溫奧氏體化時晶粒異常長大［12］。綜合上述因素，選擇淬火溫度為930℃。

3.4.2回火溫度

回火的目的是消除淬火時產生的殘余應力，提高鋼的塑性和韌性，并穩定組織及尺寸［13］。在進行回火處理時，選擇合適的回火溫度和回火時間對材料的性能有較大的影響。930℃（誤差為±3℃）淬火后的樣管，取樣分別在615℃、625℃、635℃、645℃4個溫度（誤差為±3℃）進行了實驗室回火試驗，回火時間控制為100 min。綜合考慮屈服強度、抗拉強度、沖擊功和伸長率等性能指標，將工業生產的回火溫度確定為625℃。

4　試制結果及質量評價

4.1鋼的成分和性能

試制的X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的化學成分和實驗室不同回火溫度下的力學性能數據見表3～ 4。由表4可知：回火溫度615～645℃，屈服強度、抗拉強度變化較為明顯；在保溫時間相同的情況下，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度隨回火溫度的升高而降低?，F場批量生產熱處理工藝：930（±5）℃淬火+625（±5）℃回火，熱處理后的鋼管各項性能指標均滿足標準及客戶要求，力學性能見表5。

表3　試制的X80Q鋼級海洋樁腿用支撐管的化學成分（質量分數）　%

表4　實驗室不同回火溫度下X80Q鋼級海洋樁腿支撐管試樣的力學性能

4.2鋼的金相組織

X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的回火態組織如圖1所示?；鼗饝BX80Q鋼級海洋樁腿支撐管的組織比較均勻，晶粒細小，符合鋼種研發的要求。

4.3焊接性能評定

采用焊條電弧焊，選用合適的焊接材料和焊接規范進行對接焊接試驗，并進行焊接工藝評定。環焊縫接頭的焊縫質量、對接環焊縫接頭的側彎試驗和刻槽錘斷試驗結果均符合API 1104—2005《管道及相關設施焊接標準》標準要求。

5　結　論

采用微合金化技術，以低C含Mn鋼為基礎設計出X80Q海洋樁腿支撐用管的化學成分，并通過試驗確定其最佳熱處理工藝。試制結果表明：X80Q鋼級海洋樁腿支撐用管成分符合標準及用戶要求；鋼管的組織均勻、晶粒細小，力學性能和焊接性能較好，滿足用戶的要求。

表5　工業生產X80Q鋼級海洋樁腿用管的力學性能

圖1　X80Q鋼級海洋樁腿支撐管的回火態組織

6　參考文獻

［1］王海濤，池強，李鶴林，等．海底油氣輸送管道材料開發和應用現狀［J］.焊管，2014，37（8）：25-29．

［2］彭自勝，謝凱意，孫群峰．X60級海底管線管的研制開發［J］．中國冶金，2008，18（11）：27-29．

［3］孔祥磊，黃國建，黃明浩，等．X80管線管成分工藝與組織性能研究［J］.材料熱處理技術，2011，40（24）：20-23．

［4］張寶昌．有色金屬及其熱處理［M］.西安：西北工業大學出版社，1993．

［5］黃開文. X80和X100鋼級管線管的合金化原理和生產要點［J］.軋鋼，2004，21（6）：55-57．

［6］王惠斌，張傳峰．微合金化在海底管線管生產中的應用［J］.天津冶金，2002（2）：11-16．

［7］張彩軍，蔡開科，袁偉霞.管線鋼硫化物夾雜及鈣處理效果研究［J］.鋼鐵，2006，41（8）：31-33．

［8］殷光虹，施青，孫元寧．管線用鋼氫致裂紋（HIC）影響因素分析［J］.鋼管，2004，33（6）：20-26．

［9］胡克邁，傅繼成，張傳友. X56鋼級海底無縫管線管的研制［J］.鋼管，2006，35（1）：43-46．

［10］樊東黎，羅晨光.熱處理手冊［M］.北京：機械工業出版社，2001：29．

［11］崔忠圻.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，1989：243．

［12］許天兵．25CrMn鋼強韌化研究［J］.國外金屬熱處理，2004，25（3）：30-35．

［13］李立科，鄭茂盛，孫利軍，等．熱處理對X80Q管線鋼組織性能的影響［J］.焊管，2010，33（4）：19-21．

Research and Development of X80Q Steel Tube Used as Offshore Platform Leg Support

ZHUO Zhao
（Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421000，China）

Abstract：Elaborated in the paper are the chemical composition and design scheme of the X80Q steel tube used as the offshore platform leg support. The key process control points for manufacture of the tube are summarized，and the best heat treatment process is determined via relevant tests. Furthermore，the mechanical properties of and welding process for the tube are evaluated. The test results lead to such a conclusion that with low C and Mn-% containing steel as the base material，and owing to addition of micro-alloy elements namely，Cr，Mo，Ni，V，Ti and Nb，the strength of the tube is enhanced，and its grains are refined to reduce its thermal sensitivity. With 930℃quench temperature and 625℃temper temperature，the tube possesses homogeneous microstructure and fine grains. Moreover，both the mechanical properties and welding performance of the tube are good，and satisfactory to the customer requirements.

Key words：steel tube as used for offshore platform leg support；St. G. X80Q；heat treatment process；mecha-% nical properties；welding performance；design scheme

收稿日期：（2015-01-21；修定日期：2015-08-21）

中圖分類號：TG335.7；TE931+.2搖

文獻標志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0023-04