海洋石油平臺用鋼的現狀與發展趨勢(一)

杜　偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　700077)

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·綜述·

海洋石油平臺用鋼的現狀與發展趨勢(一)

杜偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安700077)

摘要：歸納了海洋石油平臺用鋼的類別品種，包括一般強度鋼、高強度鋼、超高強度鋼，以及耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強度系泊鏈鋼、高強度鑄鋼等特殊用途鋼種；分析了海洋平臺用鋼的標準體系，并介紹了歐洲標準、API標準、船級社標準以及國家標準對平臺用鋼的性能要求；綜述了國內外平臺用鋼的產品開發及應用現狀；最后討論提出了海洋石油平臺用鋼向高強、高韌以及良好低溫韌性與焊接性方向發展的趨勢。

關鍵詞：海洋平臺用鋼；Z向鋼；齒條鋼；適應高熱輸入焊接鋼；耐海水腐蝕鋼

0引言

我國海洋油氣資源儲量巨大，而其中石油資源探明程度約為12.3% (世界平均約為73.0%)，天然氣資源探明程度約為10.9%(世界平均約為60.5%)，探明率均遠低于世界平均水平，我國海洋油氣資源的勘探開發潛力巨大。隨著淺灘海油氣資源的陸續開采，深水油氣資源的勘探開發已成為必然趨勢。我國深水油氣資源主要集中在南海，南海石油儲量達到250～300億噸，天然氣約20萬億立方米，堪稱第二個“波斯灣”。深水油氣資源的開發利用，強烈依賴于先進的海洋油氣開發裝備。2011～2015年間，全球海工裝備年均投入600～800億美元。其中，海洋石油鉆井平臺約282億美元，浮式生產平臺約189億美元，海洋工程船舶約126億美元，其他裝備(包括固定式生產平臺、水下設施和設備、陸上終端以及新型裝備等)約200億美元[1]。雖然當前的海工裝備市場受到低油價的嚴峻挑戰，而調查表明，低油價期同時也是相關裝備、材料采購價格處于低谷的階段。歷史上國際知名石油公司及工程承包商，比如Shell、Petrobras、Seadrill、Saipem等，均曾利用低油價時機，加快了深水能力建設，為后來高油價、高服務價格期間獲取豐厚利潤打下堅實基礎[2]。加快發展深水油氣開發裝備成為促進海洋油氣資源高效開發的必然選擇。與國外先進水平相比，目前我國海洋油氣開發裝備還存在一定差距，尚不完全具備在水深500 m以上海域進行油氣勘探生產的技術裝備，海洋石油裝備材料研發及應用的落后是造成這種差距的主要原因。鑒于此，發展深水油氣開發裝備，需做到“材料先行”。下面即圍繞海洋石油平臺用鋼，重點論述海洋平臺用鋼的主要類別、性能要求、研發與應用現狀以及發展趨勢。

1海洋平臺用鋼的主要類別

海洋平臺用鋼的選用需考慮構件類型、使用部位、環境溫度、構件參數、使用性能、生產工藝等多個因素，并根據標準和規范的要求加以確定，以選擇規格、等級合適的材料。海洋平臺可以采用同一鋼種、不同級別，也可以使用不同強度、不同鋼種的鋼材。海洋平臺用鋼的品種及規格眾多。

表1給出了典型海洋石油平臺用鋼的主要品種和規格。海洋平臺用鋼的強度范圍包括從235 MPa的一般強度鋼到690 MPa調質處理的超高強度鋼；涉及的材料包括A、B、D、AH36、DH36、EH36、A420、A460、A500、A550、A620、A690、D420、D460、D500、D550、D620、D690、E460、E500、E550、E620、E690等多個級別；所用鋼板最薄5 mm(一般用于生活樓，以降低質量)，最大厚度可達210 mm(用于高應力水平部位，如關鍵構件的連接區域等)。

表1　海洋平臺用鋼的主要規格、品種[3]

除上述常用的一般強度鋼、高強度鋼以及超高強度鋼外，高技術含量和高附加值的特殊鋼材，如耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強度系泊鏈鋼、高強度鑄鋼等也被用于平臺特殊部件的建造。

1)耐海水腐蝕低合金鋼

海洋腐蝕環境特別是近海岸腐蝕環境極為惡劣，鋼在海岸的腐蝕速率比沙漠環境高400倍以上。特別是我國南海環境因其高濕熱、強輻射、高Cl-含量，腐蝕性更強。因此平臺設計選材時，要考慮鋼材的腐蝕性能。

目前，國外生產的耐海水腐蝕低合金鋼按成分系列可分為Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。國外典型耐海水腐蝕低合金鋼見表2。我國耐海水腐蝕低合金鋼主要有Cu系、P-V系、P-Nb-Re系和Cr-Al系等類型，如08PV、08PVRe、10CrPV等。耐海水腐蝕低合金鋼因其焊接工藝復雜和制造成本較高，目前在海洋平臺中的應用較少。

2)齒條鋼

在自升式平臺中，樁腿作為主要的承載機構，起到支撐和升降平臺的作用。樁腿由桁架、齒條構成全焊接結構，并與主船體上的齒輪箱配合，實現主船體的升降和鎖緊。齒條是樁腿中最具代表性的大構件，須通過厚度達120 mm以上的專用齒條鋼制造。由于長期在強風暴、高腐蝕的嚴酷海洋環境中工作，要求齒條鋼同時具備厚規格、高強度、高韌性等特點。用于北極地區油氣鉆探的俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺，最大鉆探深度為6 500 m，該平臺由3個樁腿支撐，每個樁腿的升降系統均使用了130～145 mm厚度、690 MPa強度級別的齒條鋼，共用鋼材1 094 t[5]。由美國F&G公司設計建造，中海油采購的JU2000型CP-400自升式鉆井平臺，所用齒條鋼厚度為180 mm，用量約2 400 t。隨著海洋石油工業的深入開展和鉆采難度的加大，齒條鋼的厚度不斷增加，目前世界上齒條鋼的最大厚度達到259 mm。圖1為渤海裝備遼河重工采用德國迪林根齒條鋼板加工的齒條板。

表2　國外典型耐海水腐蝕鋼[4]

圖1　迪林根開發的齒條鋼

3)Z向鋼

區別于船板鋼，海洋平臺用鋼不僅要求沿寬度方向和長度方向有一定的力學性能，而且要求厚度方向有良好的抗層狀撕裂性能。這種抗層狀撕裂鋼又稱為Z向鋼。海洋平臺中存在較多的T型、K型和十字型接頭，這些接頭位置拘束度大，當鋼材厚度方向受力時，極易造成厚度方向上的層狀撕裂。而層狀撕裂在外觀上沒有任何跡象，現有的無損檢測手段又難以發現，即使能判斷結構中有層狀撕裂，也很難修復，造成巨大的經濟損失。因此，對于承受高約束，抗沖擊、應變疲勞和層狀撕裂的關鍵管節點，采用抗層狀撕裂性能好的Z向鋼是必要的。Z向鋼是在某一等級結構鋼的基礎上，經過特殊處理(如鈣處理、真空脫氣、氬氣攪拌等)和適當熱處理的鋼材。Z向鋼根據厚度方向拉伸試樣的斷面收縮率的大小分為Z25和Z35兩個級別。在F&G EXD半潛式平臺中，355 MPa和550 MPa 級別的Z向鋼用量分別為491 t和39 t。

4)適應高熱輸入焊接鋼

焊接是海洋平臺建造中的一個重要工序，如導管架平臺焊接占到建造總工時的40%、總成本的50%。提高焊接線能量，免除焊后熱處理，對于縮短海洋平臺的制造周期和降低成本具有重要意義。但是焊接線能量增大，焊接熱影響區(HAZ)的強韌性降低。國外注重大線能量焊接技術的進步，尤其是日本較早地開發了適應高熱輸入焊接鋼。日本最初應用于寒冷地區能源開發的YP360 MPa鋼板，最大厚度為70 mm，能夠承受130 kJ/cm的焊接熱輸入[1]。目前JFE研制的YP460[6]和新日鐵研制的YP390[7]適應高熱輸入焊接鋼，可分別承受360 kJ/cm和390 kJ/cm的熱輸入，技術優勢明顯但價格昂貴。

5)高強度系泊鏈鋼

體積龐大的移動式鉆井平臺，要長期停泊在狂風大浪之中，連續進行海底石油資源的勘探和開采，平臺的定位至關重要，錨泊定位是其中主要的定位方式之一。錨泊定位所用系泊鏈(圖2)使用條件茍刻，單根長2 000多米，常規直徑80～130 mm，深海系泊鏈直徑可增至180～200 mm，單根重600～1 000 t。系泊鏈鋼具有高強度、高韌性以及低屈強比等特性。目前世界最高等級的R5級系泊鏈鋼(抗拉強度≥1 000 MPa，屈服強度≥850 MPa)，已在“海洋石油981”平臺成功應用，用量達到3 000余噸。

圖2　R5系泊鏈

6)高強度鑄鋼

節點(桁與支撐相交叉的部位)是自升式、半潛式鉆井平臺和導管架平臺的關鍵部位，大多采用焊接結構，在風浪等外力作用下，易產生疲勞裂紋。從上世紀七十年代起，英國、日本陸續將鑄鋼節點用于海洋平臺，可提高疲勞壽命，降低應力集中系數同時可以減輕節點重量。表3將一座實用平臺上的102個鑄鋼節點與焊接節點的成本、應力集中系數和疲勞壽命等進行了綜合比較，可以看出，采用鑄鋼節點能降低成本20%，提高疲勞壽命4～18倍[8]。我國從日本訂購的“渤海四號”平臺使用了屈服強度超過680 MPa的鑄鋼節點材料。英國Sheffield Forge Masters International的大型鑄鋼件也已廣泛用于Spar、TLP、FPSO以及導管架等海洋平臺中[9]，如圖3所示。

圖3　大型鑄鋼節點

表3　一座實用平臺上鑄鋼節點與焊接節點的比較

注：①SCF為應力集中系數。

(待續)

Status and Development Trends of Offshore Platform SteelsⅠ

DU Wei，LI Helin

(CNPC Tubular Goods Research Institute,State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi′an,Shaanxi 710077,China)

Abstract：The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized,which include general strength steel,high strength steel,ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel,Z-direction steel,high heat input welding steel,mooring chain steel and high strength cast steel,etc.).The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards,API standards,classification society standards and national standards are concluded.Then the R&D status of platform steels are discussed.Lastly,the development trends of offshore platform steels are pointed out.

Key words：offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

第一作者簡介：杜偉，男，1982年生，工程師，2008年碩士畢業于北京科技大學材料學專業，現主要從事石油管的工程應用與應用基礎研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

中圖法分類號：TE5

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0005-03

(收稿日期：2016-04-14編輯：屈憶欣)