海洋平臺結構用大口徑厚壁X70Q PSL2無縫鋼管的研制

林發駒,吳 紅,王西江,陳 雨,陳曉娟

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

海洋平臺結構用大口徑厚壁X70Q PSL2無縫鋼管的研制

林發駒,吳 紅,王西江,陳 雨,陳曉娟

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

浩瀚的海洋蘊藏著豐富的資源,世界各國都在加快海洋資源開發和利用。作為開采海洋油氣資源重要設施之一的自升式鉆井平臺,其結構支撐管采用大口徑厚壁高鋼級的無縫鋼管,目前主要依賴于進口。為了減少對進口的依賴,實現國產化,攀成鋼公司根據自身的工藝裝備情況,并針對海洋鉆井平臺結構支撐管的服役條件及特點,通過對化學成分設計及軋制工藝、熱處理工藝的研究,成功開發出大口徑厚壁海洋鉆井平臺結構支撐管用X70Q PSL2無縫鋼管,其綜合性能優良,完全滿足用戶的設計和使用要求。

海洋資源;鉆井平臺;大口徑厚壁;綜合性能

1 引言

浩瀚的海洋蘊藏著豐富的資源,主要包括海洋礦產資源、海洋可再生能源、海洋化學資源、海洋生物資源和海洋空間資源等五大類。以海洋油氣資源為代表的海洋礦產資源是當前世界海洋資源開發的重點和熱點,技術相對成熟,裝備種類多,數量規模較大,是未來5～10年產業發展的主要方向。面對海洋資源開發這一不斷成長的新興市場,世界各國都在加快海洋資源開發和利用。

作為開采海洋油氣資源重要設施的海洋平臺,是在海上進行鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的構筑物,按其結構特性和工作狀態可分為固定式、活動式和半固定式三大類。自升式鉆井平臺屬于活動式海洋平臺之一,其結構支撐管采用大口徑高鋼級的無縫鋼管,鋼級為NV E550、NV E690、X70、X80、X100、Q620、Q690等,目前主要依賴于進口。為了減少進口的依賴,實現國產化,急需對這部分無縫鋼管進行研制與開發。

攀成鋼公司根據自身的工藝裝備情況并結合用戶提出的要求,針對海洋鉆井平臺的結構支撐管服役條件及特點,通過對化學成分設計及軋制工藝、熱處理工藝的研究,成功開發出大口徑厚壁海洋平臺結構支撐管用X70Q PSL2無縫鋼管。

本文將重點介紹攀鋼集團成都鋼釩有限公司開發的自升式鉆井平臺結構支撐管用大口徑厚壁?405mm×51mm規格X70Q PSL2無縫鋼管的生產工藝及產品特點。

2 主要技術條件

2.1 化學成分

熔煉分析及產品分析的化學成分應符合API 5L 45th中表J.1中X70Q的要求,允許加入0.002 5%以下的B元素。

2.2 碳當量(CEpcm和CEIIw)要求

碳當量的計算公式應根據API 5L 45th中9.2.4執行,CEpcm≤0.25%,CEIIW≤0.42%。

2.3 鋼管的力學性能符合表1的要求

2.4 鋼管幾何尺寸要求見表2

表1 力學性能

表2 幾何尺寸

3 生產工藝線設計

鐵水脫硫→電爐→LF鋼包精煉爐→VD真空精煉→鋼錠→環形爐加熱→穿孔→508皮爾格軋機軋制→冷床冷卻→調質熱處理(508淬火+合金回火)→性能檢驗→外表面整體修磨→探傷(超探、分層、測厚)→外觀檢查→包裝入庫

4 化學成分優化設計

自升式鉆井平臺結構支撐管需要承載重量大,且工作環境惡劣,要求所采用的無縫鋼管外徑大、壁厚厚、高強度和高低溫韌性,因此合理設計鋼種的化學成分,確保強度及低溫韌性滿足使用要求是研究的重點之一。項目組結合前期我公司生產大口徑厚壁NV E550海洋工程用無縫鋼管的生產經驗,重點對Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等各種合金元素的強化機理進行了詳細分析,優化設計了大口徑厚壁X70Q PSL2無縫鋼管的化學成分,其最大特點在于:

(1)添加了對低溫沖擊韌性有很大改善的Ni元素,使鋼管經調質處理后在保證高強度的情況下具有良好的低溫沖擊韌性。

(2)通過適量提高Mo的含量來保證鋼管的強度和回火穩定性不下降。

(3)通過添加適量的V和Nb元素,利用兩種元素的細化晶粒和析出強化的復合作用,提高鋼管的強度和低溫沖擊韌性。

(4)在冶煉時加入了1kg/t鈦鐵進行了微鈦處理,主要目的是細化晶粒,提高鋼的強度,改善鋼的冷成形性能和焊接性能。

(5)通過添加適量的B元素,提高鋼管的淬透性。

優化設計的X70Q PSL2化學成分如下表3。

表3 X70Q PSL2鋼管化學成分(質量分數%)

5 關鍵技術的控制

5.1 冶煉工藝

針對自升式鉆井平臺結構支撐用無縫鋼管的特點,采用“電爐→LF爐→VD真空處理→模鑄”冶煉工藝。在冶煉過程中,關鍵是脫氧、合理的合金加入順序、合金加入量、中包鋼液過熱度的控制及鑄坯冷卻速度的控制,具體應按以下要求控制:

鋼包、中間包在使用前必須將殘鋼、殘渣清理干凈;必須做好爐前終點碳的控制,不能過氧化和超低碳出鋼;澆注過程中應注意控制注速并做好補縮工作,防止軋制過程中出現因二次縮孔或疏松導致的內表面缺陷。LF爐精煉必須做到白渣出鋼,保持底吹Ar暢通,控制吹Ar強度;VD爐必須控制好真空度和保持時間,保證爐渣不再明顯發泡,同時必須做好中間包長水口Ar保護,防止鋼水二次氧化。模鑄時選用內表面質量好的鋼錠模,作好刷模工作,澆鑄系統采用優質耐火材料,并進行抽砂、吹灰,采用氬氣保護澆鑄。

5.2 制管工藝

(1)為保證鋼管的外表面質量,避免產生麻面等缺陷,要求在軋制過程中嚴格控制坯料的加熱溫度,最高不宜超過1 260℃。

(2)穿孔過程中,要求專人監控穿孔后毛管內表面質量,若發現有內折缺陷,應立即停止出料并進行穿孔機參數調整。若發現有鐵耳子,則必須清除后再送軋機進行軋制,避免形成內結疤。

(3)采用無皮爾格頭軋制,軋后不鋸破頭。軋制過程控制好喂入量,避免產生內竹節。同時加強芯棒的潤滑,要求潤滑劑均勻覆蓋芯棒360°表面。

(4)精整區鋼管不定徑,軋后快速輸送到冷床冷卻,要求冷床勻速運行,避免鋼管冷卻不均造成彎曲,影響后序淬火效果。

5.3 熱處理工藝

5.3.1 熱處理工藝確定

由于鋼管的外徑大,壁厚厚,要求熱處理后鋼管內中外的組織、性能必須均勻,因此鋼管的熱處理難度非常大。項目組根據我公司的裝備情況,并結合我公司生產大口徑厚壁X70Q PSL2/Q485L和NV E550無縫鋼管的生產經驗和相關資料,制定了508機組淬火工藝:再加熱爐加熱段爐溫按(930±20)℃中上線控制,均熱段按(945±15)℃中上線控制,保出爐管溫(930±10)℃,步進周期為13min,冷卻方式為浸淬+內軸流,并在淬火后的鋼管取小試樣在實驗室進行不同回火工藝實驗,結果見表4。

根據實驗室的結果,確定回火工藝為:爐溫按(680±10)℃控制,管溫到680℃時才開始計保溫時間,升溫時間270min,保溫時間280min,出爐空冷。

表4 實驗室不同回火工藝及性能

5.3.2 熱處理主要控制措施

為保證鋼管的淬火效果和回火的穩定性,確保鋼管內、中、外性能、組織的均勻性,項目組要求采用嚴格的控制措施,主要包括:

(1)爐內以還原氣氛為主,為保證鋼管加熱均勻,鋼管應擺放在爐子中間,步進梁每隔一定的時間“踏步”一次。

(2)為避免再加熱爐輸送輥道吸熱造成鋼管溫度低影響淬火效果,要求最后兩個步進梁不布料,鋼管出爐時采用前進三步后退兩步的方式。

(3)淬火時要求托輥必須旋轉,托輥轉速設定合理,同時合理設計內軸流的打開時間,確保鋼管淬火時不彎曲且內外壁冷卻均勻。

(4)為確保內軸流水足夠大,要求三臺軸流泵都打開,并要求鋼管離噴嘴有一定的距離,以便軸流水拖拽淬火槽中的水進入鋼管內孔,加大冷卻速度。

(5)回火時,要求鋼管擺放時應離爐門端大于一定的距離,且鋼管之間應留有足夠的間隙。

(6)應采用測溫槍對室式爐內的鋼管進行測溫,只有當鋼管的溫度滿足要求時才開始算保溫時間,并要求間隔一定的時間,對鋼管兩端進行測溫,確保爐內鋼管加熱的均勻性。

6 產品性能檢驗結果

按相關技術協議和標準規定,對攀成鋼公司生產的405mm×51mm規格X70Q PSL2自升式鉆井平臺結構支撐管用無縫鋼管進行了機械性能、金相組織及非金屬夾雜物評級等技術指標的檢驗,其檢驗結果如下。

6.1 產品力學性能

X70Q PSL2鋼管調質后內、中、外的屈服強度、抗張強度、延伸率及-40℃低溫沖擊均值見表5。

6.2 非金屬夾雜物

X70Q PSL2無縫鋼管非金屬夾雜物檢驗結果見表6。

6.3 金相組織

X70Q PSL2調質后內中外的金相組織均為回火貝氏體,具體見圖1～3。

表6 X70Q PSL2鋼管高倍情況

圖1 內表面

圖2 中部

圖3 外表面

7 結論

(1)攀成鋼公司采用“電爐+LF精煉+ VD真空精煉+508機組軋管+調質熱處理”工藝生產的大口徑厚壁X70Q PSL2無縫鋼管,其鋼質純凈、鋼管組織和綜合性能良好,完全能夠滿足海洋鉆井平臺結構支撐管的使用要求。

(2)攀成鋼公司通過采取嚴格的熱處理控制措施,保證大口徑厚壁X70Q PSL2無縫鋼管的淬火效果,其內、中、外的性能和組織均勻。

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Development of Large Diameter Thick Wall X70QPSL2 Seamless Steel Pipe for Offshore Platform Structure

LIN Fa-ju,WU Hong,WANG Xi-jiang,CHEN Yu,CHEN Xiao-juan

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.Chengdu 610303,Sichuan,China)

The vast ocean is rich in resources,countries in the world accelerate the development and utilization of marine resources.As one of the important facilities for the exploitation of offshore oil and gas resources,the structure of the platform,which is a large diameter thick wall high grade steel pipe,is used for the construction of offshore oil and gas resources.In order to reduce the dependence on import,realize the localization,the steel companies according to their own technology and equipment,and according to the marine drilling platform structure supporting pipe's service conditions and characteristics,through the chemical composition design and rolling process,heat treatment process,the successful development of large diameter thick wall X70Q PSL2 seamless steel pipe for offshore drilling platform structure supporting,its comprehensive performance is excellent,fully meet the user's design and use requirements.

marine resources,drilling platform,large diameter thick wall,comprehensive performance

1001-5108(2016)04-0026-06

TG335.71

A

林發駒,工程師,主要從事無縫鋼管新產品開發和軋鋼工藝研究等技術工作。