海洋深水鉆井隔水管用鋼試驗研究

張 帥 任 毅 王 爽 劉文月 高 紅

（鞍鋼股份有限公司技術中心，遼寧鞍山 114009）

海洋深水鉆井隔水管用鋼試驗研究

張 帥 任 毅 王 爽 劉文月 高 紅

（鞍鋼股份有限公司技術中心，遼寧鞍山 114009）

通過研究合金成分、冷卻工藝對性能和微觀組織的影響探索了X80海洋深水鉆井隔水管用鋼適宜的生產方案和微觀組織類型。結果表明，當碳當量在0.40%～0.44%時，通過適宜的工藝能夠達到X80隔水管用鋼的技術要求，相同工藝下，碳、錳和碳當量降低，強度下降，韌性改善，脆轉溫度升高；冷卻工藝對組織狀態、亞結構和元素固溶影響明顯，從而改變相變、位錯、固溶和細晶等強化及韌化效果；BF（貝氏體鐵素體）＋GB（粒狀貝氏體）＋少量QF（準多邊形鐵素體）的復合組織和QF＋GB的復合組織均能滿足X80隔水管用鋼的性能要求，晶粒細化和適宜的組織類型是獲得優異性能的重要保障。

鉆井隔水管 X80 合金元素 冷卻工藝 顯微組織

隨著世界能源消耗的不斷增多和陸路油氣資源的逐漸枯竭，海底油氣資源的開采日益受到重視［1］；未來開采海底油氣所需的鉆井船和石油平臺有望大幅生產和應用。鉆井隔水管是連接海底井口和鉆井設備的重要組成部分，是海洋鉆井的關鍵設備之一［2-3］，服役條件復雜，不僅要受到海流、波浪等環境因素影響，工作時還承受如渦激震動、周期扭轉、旋轉彎曲等復雜多變的應力和載荷。因此為保證安全性和穩定性，海洋深水鉆井隔水管用鋼通常采用X80級別，在材料的合金成分、橫縱向強度、低溫韌性等方面均較普通管線鋼有更苛刻要求。

海洋深水鉆井隔水管用鋼技術要求和質量評價主要遵循美國石油協會（API）和挪威船級社（DNV）規范［4-5］。目前，國外對X80級隔水管用鋼的研究已取得一定進展，而國內的相關研究才剛剛起步；深化X80級隔水管用鋼的研制工作對加速我國深海油氣資源開采的意義重大。本文通過相關試驗重點研究了X80隔水管用鋼的合金設計、生產工藝與性能、微觀組織的相關性，探索適宜的生產技術方案以期為工業化生產提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗鋼由兩種不同成分的鑄坯試制，采用高C高Mn和低C低Mn兩種設計方案，配以Ni、Mo、Cu、Cr、Nb、Ti等合金元素，碳當量CEIIW分別為0.44%和0.40%，其中，C、S元素采用CS600碳硫測定儀進行測定，其他合金元素采用Avanta AAS原子吸收光譜儀測定，具體化學成分見表1。

鑄坯厚250 mm，經相同工藝加熱后采用再結晶區和未再結晶區兩階段控軋成厚15.88 mm鋼板，隨后空冷到一定溫度再加速水冷到設定溫度，其精軋及冷卻工藝見表2。采用兩種不同的試制工藝研究成分和冷卻工藝對材料的影響；與工藝1相比，工藝2的開冷溫度低，終冷溫度高。試驗鋼號中首位表示鑄坯號，末位表示工藝號。

表1 試驗鋼化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of test steels（mass fraction） %

表2 試驗鋼軋制和冷卻工藝Table 2 Rolling and cooling processes of the test steels

沿試驗鋼的橫向和縱向截取試樣進行拉伸、沖擊、落錘和硬度測試。拉伸試驗在Z1200拉伸試驗機上進行，采用φ12.7 mm的圓棒試樣；沖擊試驗在JBN-500沖擊試驗機上進行，試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口，沖擊試驗溫度0～－60℃；落錘試驗在JL-50000落錘試驗機上進行，試驗溫度－20℃；硬度測量在FV-300維氏硬度試驗機上進行；同時，利用DMIRM光學顯微鏡、背散射電子衍射技術（EBSD）及透射電鏡（TEM）對材料的微觀組織進行觀察和分析。

2 試驗結果

2.1 強度和硬度

試驗鋼的拉伸性能如表3所示。可見，1-1、1-2、2-1試驗鋼的性能均達到技術要求，2-2鋼的縱向屈服強度偏低。對用同一坯料試制的試驗鋼而言，采用工藝1時材料強度較高，采用工藝2時屈服強度和抗拉強度均明顯降低，但塑性略有改善，屈強比也有所下降。相同工藝條件下，采用坯料1試制的試驗鋼強度明顯高于坯料2，說明C、Mn和CEIIW的升高能夠有效提高材料的強度。

表3 試驗鋼的拉伸性能Table 3 Tensile properties of the test steels

沿試驗鋼的厚度方向進行硬度測量，連續測量9個點，其結果如圖1所示。試驗鋼硬度從高到低依次是1-1、1-2、2-1、2-2，但相互間差異不大；試驗鋼硬度變化趨勢與拉伸強度基本一致。

2.2 沖擊韌性

試驗鋼的沖擊性能如圖2所示。可以看出，采用坯料2試制的2-1、2-2試驗鋼的沖擊性能明顯高于采用坯料1試制的1-1、1-2試驗鋼。同時，1-1、1-2試驗鋼沖擊性能受溫度的影響較大，隨著溫度下降沖擊能量明顯降低，但在－60℃時沖擊能量仍能夠保持在250 J以上；2-1、2-2試驗鋼的沖擊性能對溫度的敏感性較低，－60℃時橫、縱向沖擊能量均在420 J以上。

圖1 試驗鋼的硬度測量結果Fig.1 Hardness test results of the test steels

試驗鋼的落錘試驗結果見表4，其中1-2試驗鋼的斷口形貌見圖3。從表4中可以看出，試制的4塊試驗鋼板的落錘性能均達到了技術要求且具有一定的富余量，其中，1-1、1-2試驗鋼的落錘性能略低于2-1、2-2試驗鋼。

2.3 微觀組織

圖4為試驗鋼的微觀組織形貌。可見，試驗鋼1-1、1-2的組織以貝氏體為主，包含少量的準多邊形鐵素體（QF），其中1-2試樣組織中粒狀貝氏體（GB）和準多邊形鐵素體的比例略高于1-1試樣；試驗鋼2-1、2-2組織以QF＋GB為主，QF比例和晶粒尺寸較1-1、1-2試驗鋼有所增大。

圖2 試驗鋼的沖擊性能隨溫度的變化Fig.2 Charpy V-notch impact toughness as a function of temperatures for the test steels

表4 試驗鋼的落錘性能Table 4 Drop performance of the test steels

圖3 1-2試驗鋼的落錘斷口形貌Fig.3 DWTT fracturemorphology of the test steel 1-2

3 分析與討論

3.1 鋼的成分與組織性能的相關性

在管線鋼中C、Mn有效增加淬透性，可以顯著提高材料強度和硬度；其中，在亞共析范圍內，隨著C含量的增加，抗拉強度不斷提高，而Mn則通過固溶強化的方式影響材料強度；Ni、Mo、Cu、Cr也是管線鋼中重要的強化元素，可以彌補部分C、Mn含量降低引起的強度損失。碳當量CEIIW可以看作是合金元素對強度影響的評價指標，隨著CEIIW的增加管線鋼的強度呈非線性的升高趨勢［6-8］。其主要原因是，CEIIW的增加促進了固溶強化，同時合金元素提高了α相的形核功和轉變激活能，使γ相中原子結合力增大，提高了奧氏體穩定性，抑制了多邊形鐵素體的轉變，使微觀組織中貝氏體等硬相比例增大，即相變強化效果增強，從而引起強度提高。從試驗鋼的強度和微觀組織來看，相同工藝條件下，碳當量為0.44%的1-1、1-2試驗鋼組織以貝氏體為主，準多邊形鐵素體轉變受到抑制，強度明顯高于碳當量為0.40%的2-1、2-2試驗鋼，后者組織中存在大量準多邊形鐵素體。但總體來看，采用兩種成分試制的試驗鋼在適當工藝下均可以達到X80級隔水管用鋼的強度要求，若同時考慮制管過程中的加工硬化、焊接性等，與鋼板相比，X80鋼管強度會進一步升高，強度富余量較低的2-1試驗鋼在制管后也完全能夠達到理想的強度，其焊接性也更為優異。

鋼的韌性斷裂強度可以用式σc＝（2Gγ／K）×d－1／2來描述，其中，σc為斷裂強度，G為切變模量，γ為表面能或塑變能，K為常數，d為有效晶粒尺寸。可以看出，材料的斷裂強度受γ和d的影響。碳是影響試驗鋼塑性和韌性的最主要因素；碳含量增加，促進碳化物和中低溫組織等“硬相”形成，同時碳又以間隙固溶形式存在于點陣間隙，造成較大的晶格畸變，使材料塑變能力、起裂能和裂紋擴展能減小，從而導致韌性降低，脆轉溫度升高。從試驗鋼的沖擊韌性和落錘性能來看，碳含量較高的1-1、1-2試驗鋼的韌性明顯低于碳含量低的2-1、2-2試驗鋼且對溫度更為敏感。

采用EBSD分析了2-1、2-2試驗鋼的晶粒取向分布情況，如圖5所示。可見，試驗鋼組織中存在大量角度≥15°的大角度晶界，有研究表明［9］，當裂紋要擴展通過時需要消耗大量能量，因此，大角度晶界能夠有效阻礙裂紋擴展，從而發揮止裂作用。另外，計算得到2-1、2-2試驗鋼的有效晶粒尺寸約2.32μm和2.57μm，細小的晶粒對提高試驗鋼強韌性發揮了良好的作用。

圖4 試驗鋼的顯微組織Fig.4 Microstructures of the test steels

圖5 試驗鋼晶粒位向差≥15°的取向分布圖Fig.5 Distributions of grainswith misorientation of≥15°in the test steels

3.2 冷卻工藝與組織性能的相關性

3.2.1 開冷溫度

從表3試驗鋼的拉伸性能來看，開始冷卻溫度的降低和終冷溫度的升高導致了強度的下降。試驗鋼精軋后組織以高勢能的形變奧氏體為主，處于亞穩定狀態，相變驅動力大且內部存在大量的能量起伏和結構起伏位置，極易發生鐵素體形核。在終軋和開冷溫度區間，一方面合金元素的擴散能力強，容易形成先共析鐵素體相變所需的貧碳區，另一方面合金元素容易脫溶從而降低固溶強化效果；還有晶粒內位錯在此溫度區間也會發生回復，再加上先共析鐵素體增加導致的位錯密度減小（如圖6所示），最終導致試驗鋼強度下降。因此，開始冷卻溫度越低，終軋和開冷溫度區間越大，材料在此區間空冷停留時間越長，其相變、固溶、位錯強化效果降低，宏觀上導致了強度下降，微觀上促進了組織中先析鐵素體比例的增加。

圖6 試驗鋼組織中的位錯Fig.6 Dislocation in the test steels

3.2.2 終冷溫度

試驗鋼的加速冷卻過程使組織中未轉變的奧氏體最終轉變為貝氏體和M／A。終冷溫度不同，所形成的貝氏體組織的形態、亞結構、碳化物和M／A島分布狀態不同；終冷溫度降低，BF片條增多且細化，晶粒內亞結構、位錯增加，使強度上升；同時，在T4（350～380℃）溫度附近試驗鋼中Mo、Cr、Mn等置換固溶元素不具備顯著擴散能力，C等間隙固溶元素的擴散也會受到抑制，使合金元素處于過飽和固溶狀態，且終冷溫度越低，過飽和度越大，致使強度升高。

4 結論

（1）碳、錳和碳當量對X80海洋深水鉆井隔水管用鋼的強度有顯著影響，相同工藝條件下，隨著碳、錳含量和碳當量降低，強度下降、韌性提高；碳當量在0.40%～0.44%時，利用適宜的生產工藝能獲得滿足技術要求的X80隔水管用鋼。

（2）冷卻工藝對組織中鐵素體比例、貝氏體形貌、亞結構和元素固溶等都會產生影響，從而最終影響材料性能；對X80隔水管用鋼而言，結合鋼的成分選擇適當的冷卻工藝從而充分發揮多種強化、韌化效果是獲得良好性能的保證。

（3）以貝氏體為主的BF＋GB＋少量QF的復合組織和以QF＋GB為主的復合組織均能滿足X80隔水管用鋼的性能要求，可以根據強韌性控制目標的需求自行選擇。

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［2］劉彩虹，楊進，曹式敬，等.海洋深水鉆井隔水管力學特性分析［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：28-31.

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收修改稿日期：2016-01-18

Experimental Investigation of Deep Water Drilling Riser Steel

Zhang Shuai Ren Yi Wang Shuang Liu Wenyue Gao Hong
（Technical Center of Anshan Iron＆Steel Co.，Ltd.，Anshan Liaoning 114009，China）

Influence of alloy elments and cooling process on mechanical properties and microstructure of X80 deep water drilling riser steel was analyzed，and suitable production scheme and microstructure were researched.Results indicated that the carbon equivalent（CEIIW）should be controlled in the range of 0.40%to 0.44%to meet the property requirements of X80 drilling riser steel.Themicrostructure，substructure and alloy solution was influenced strongly by cooling process，aswell as the property of the steels.Complex microstructures of BF（bainite ferrite）＋GB（granular bainite）＋QF（quasi-polygonal ferrite）or QF＋GB were appropriate for X80 drilling riser steel，and fine grain and proper type ofmicrostructure was the key to obtain excellent property.

drilling riser，X80，alloy elments，cooling process，microstructure

張帥，男，碩士，高級工程師，主要從事鋼鐵新產品研究，Email：shzh0101＠sina.com