海洋石油平臺用鋼的現狀與發展趨勢(四)

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 710077)

·綜 述·

海洋石油平臺用鋼的現狀與發展趨勢(四)

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 710077)

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。

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

(接2016年第5期)

4 海洋平臺用鋼的發展趨勢

伴隨海洋油氣開發由淺水區向深水區，由常規溫和環境向極地高寒環境發展，推動了海洋石油平臺的不斷升級換代。固定式平臺的使用逐步減少，以自升式平臺、半潛式平臺為代表的移動式平臺用量隨之增多。另外，移動式平臺的作業水深、作業能力及范圍也逐漸增大。自升式平臺由200 ft(1 ft=304.8 mm)作業水深依次升級至300 ft、400 ft甚至500 ft。半潛式平臺由最初的第一代發展至第六代、第七代。目前，由中集來福士為挪威Frigstad Deepwater公司承建的第二座第七代超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(Frigstad Deepwater Rig Beta)已啟動開工。Frigstad Deepwater Rig Beta是全球最大的超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺之一，最大工作水深為12 000 ft(3 658 m)，鉆井深度為50 000 ft(15 240 m)，平臺可在墨西哥灣、中國南海、澳大利亞、巴西海域、西非、南大西洋等深水海域作業。為適應嚴酷低溫的環境條件，極地地區石油開發則需采用專門的冰級海洋平臺或鉆井船。世界上第一艘冰區超深水鉆井船為韓國三星重工建造的“Stena DRILLMAX ICE”號，設計作業水深3 000 m，最大鉆井深度10 000 m，可在-40℃的低溫、16 m的海浪和41 m/s的海風環境下作業。國內的中集來福士正在建造一座適用于嚴酷環境的冰級半潛式鉆井平臺North Dragon，服役溫度-25℃，設計依照北海海況，同時兼顧北極圈及巴倫支海況要求，能夠抵御北海百年一遇的風暴。海洋石油平臺升級換代，促進了平臺材料性能的進一步優化升級。為保證海洋石油平臺建造的經濟性以及服役期的安全性，平臺用鋼應具有更高的強度、更優的低溫韌性和可焊性。

1)超高強度

高強度一直是海洋用鋼發展的方向，一方面海洋平臺用鋼出于比強度以及成本節約等方面的考慮，趨于使用更高強度的鋼；另一方面提高鋼的強度，還可增大平臺的承載能力和作業能力。隨著深水資源的進一步開發，高強輕量化將是海洋平臺用鋼的主要發展趨勢。

早期大型船體結構多采用235 MPa級以下的鋼板，隨著安全性要求的不斷提高，鋼板的強度在逐步提高，由235 MPa逐步升級到315 MPa以及355 MPa。最初于1975年由加拿大建造，后經新加坡大修改造的“流花11-1”半潛式平臺，主要采用315 MPa強度級別鋼材，2008年由上海外高橋造船有限公司承建的“海洋石油981”半潛式平臺則采用了355 MPa、550 MPa以及690 MPa鋼材。1979年由大連造船廠建造的“渤海5號”自升式平臺樁腿齒條采用了EH36鋼，而2010年建造完成的“海洋石油921”自升式平臺樁腿齒條則采用了690 MPa級別的鋼材。同樣，渤海裝備遼河重工在建造CP-300自升式平臺時主船體結構和樁靴采用EH36鋼材，而在CP-400的建造中主船體和樁靴則部分采用了E460、E550以及E620超高強度鋼材。歐洲的Valhall海洋平臺在設計建造中，平臺頂部區域采用S500鋼板代替S420鋼板，大幅減少頂部甲板的重量，明顯降低建造及安裝費用[26]。

從平臺的發展歷史來看，平臺用鋼的強度級別有明顯的上升趨勢，鋼材的高強輕量化，實現了海洋平臺經濟性與安全性的統一。單從經濟效益上講，平臺用鋼屈服強度由420 MPa提高到500 MPa以上，海洋工程結構可減重約20%，預計國內每年可節約海洋平臺用鋼約14萬噸，節約資金8.4億元[27]。目前，國內鋼廠已開發出690 MPa級鋼材，部分取代了進口，但鑒于國內產品的工程應用業績尚不多，還有少量超高強度鋼需要進口，見表28。國外，迪林根、瑞典SSAB 等公司已開發了屈服強度達到690 MPa 以上的海洋平臺用鋼，如0X812、SE702 等牌號[28]。北海油區海洋自升式平臺已使用最高屈服強度達到750 MPa 的鋼種[29]。為此，國內鋼廠需進一步優化生產工藝，不斷提高690 MPa級別平臺鋼的質量水平及穩定性，同時研制開發690 MPa以上級別的超高強度平臺用鋼。

表28 我國海洋平臺用鋼主要進口品種[1]

2)超大厚度

隨著海洋平臺構件向大型化發展，海洋平臺用鋼的厚度也不斷增大。厚度達60 mm甚至更厚的特厚板的應用已較為普遍。自升式平臺樁腿的升降齒條機構需要特厚齒條板，最大達到259 mm。渤海裝備遼河重工在建的CP-300與CP-400自升式平臺的齒條鋼厚度存在明顯的差別，其中CP-300齒條鋼的厚度為127 mm和152.4 mm，CP-400齒條鋼的厚度則達到178 mm。隨著海洋油氣開發不斷向深水發展，平臺用鋼的厚規格化是大勢所趨。

60 mm以上厚板的生產技術難度較大，易出現力學性能不均勻，心部韌性低；焊接HAZ韌性惡化，易發生焊接開裂；Z向性能低，出現層狀撕裂；時效敏感性強，疲勞性能差；夾雜物和帶狀組織超標，需合理設計坯料解決方案，采用慢速大壓下技術以及良好的夾雜物控制技術。

國內外厚板坯料的處理途徑包括立彎式連鑄(主要鋼企)、立式連鑄(新日鐵、迪林根)、模鑄鋼錠(舞陽、寶鋼、鞍鋼、湘鋼等)、電渣重熔(JFE、舞陽、鞍鋼、武鋼)、水冷模鑄(營口、南鋼等)、大鑄錠鍛造(舞陽-中信重工、沙鋼-蘇南重工)、焊接復合坯(JFE、濟鋼、鞍鋼、興澄)、定向凝固(烏克蘭、舞陽)等。各坯料處理方案各具特色，各有優缺點。其中立彎式連鑄受限于連鑄坯的厚度，國內連鑄設備生產的鑄坯厚度一般不超過400 mm，為保證較大的壓下比，鋼板厚度一般不超過100 mm；模鑄方式生產的板坯，易產生縮孔和疏松缺陷，在軋制過程中難以愈合，影響鋼板質量；電渣重熔可生產高質量板坯，但生產效率低，成本高；焊接復合坯通過焊后軋制，可生產合格產品，但加工工序多，生產周期長；大鑄錠鍛造通過鍛造可將鑄坯中的中心縮松閉鎖、焊合，改善中心偏析和疏松，提高產品質量，但對軋機的能力要求高，工序復雜，生產成本較高；立式連鑄可保證夾雜物充分上浮提高鋼液的純凈度，降低偏析和疏松，是生產高等級厚板的理想工藝，但投資相對較大。

120 mm以上特厚板一般采用調質處理生產工藝，國內鋼廠目前已具備生產高強特厚板的能力。但當齒條鋼厚度超過150 mm時，國內產品質量與國外還有一定的差距，尚需從迪林根、JFE等國外公司進口。目前，國外開發的齒條鋼厚度已達259 mm，國內僅舞陽開發了215 mm厚的齒條鋼。對于120 mm以下厚板也可采用TMCP或正火工藝生產，國外JFE采用TMCP工藝生產了101.6 mm厚API 2W-60鋼板，德國迪林根TMCP產品的最大厚度達120 mm。與此相比，國內產品還有一定差距。

厚規格鋼板的使用將隨著平臺的發展不斷增多，針對與國外厚板產品的差距，國內需重點研發150 mm以上，尤其是259 mm厚度規格的齒條鋼。同時，與調質及正火工藝相比，TMCP鋼具有碳當量低，焊接性能好的優點，因此TMCP系列厚板(100 mm以上)也應重點發展。

3)良好的低溫韌性

北極地區蘊藏豐富的油氣資源，目前已在加拿大、俄羅斯及美國阿拉斯加的陸上等區域發現油氣田400多個，油氣當量327.36×108t，占世界已發現常規油氣儲量(累計產量加上剩余儲量)的10%[30]。美國地質調查局(USGS)評估[31]認為：北極圈具有122.6×108t原油、1 669×1012m3天然氣及60×108t天然氣液的待發現可采儲量，其中84%的油氣資源存在于海洋地區。在油氣能源形勢日漸嚴峻的今天，世界對北極地區油氣資源的關注程度將進一步增加，美國、挪威以及俄羅斯等國家已紛紛將油氣勘探開發伸向北極地區。

而北極地區的嚴酷環境給油氣勘探開發帶來了極大難度和挑戰。北極大部分地區常年被冰雪覆蓋，北極海區最冷月平均氣溫可達-40℃，歷史最低溫度接近-70℃。鋼鐵材料在低溫下可能產生韌脆轉變，有發生低溫脆斷的危險，極地低溫環境要求海洋平臺用鋼具有良好的低溫韌性。隨著海洋油氣開發的目標轉向北極，F級甚至是更高級別鋼材的需求量將大增。中集來福士為挪威建造的Frigstad Deepwater Rig Beta半潛式石油平臺，已大量使用F級別鋼材，包括FH36、F420、F460、F550和F690等。

國內F級平臺鋼的實際工程應用較少，而且大部分F級別鋼材還需進口。1994年，日本住友生產的101.6 mm厚345 MPa和76.2 mm厚414 MPa鋼板首次應用至SHELL MARS張力腿平臺，鋼板具有優異的低溫韌性，-80℃下壁厚處的橫向夏比沖擊剪切面積超過50%，沖擊功達到130～460 J。迪林根開發的用于北極圈庫頁Ⅱ島的S450鋼-60℃沖擊功超過300 J，滿足此類地區海洋開發的需要。住友和迪林根的上述產品均采用TMCP工藝生產，較低的碳當量是此類產品實現高的低溫韌性的重要保障。近年來，鞍鋼采用TMCP工藝生產的80 mm厚F550鋼板在中集來福士、中船重工等海洋平臺中得以應用，開創了國內超高強度F級鋼板應用的先河。而更高的690 MPa級、-60℃下使用的F690鋼，具有強度高、低溫韌性優異等特點，生產難度較大，是國內鋼廠下步重點研發目標。

4)良好焊接性

作為大型焊接裝備，焊接工作在海洋平臺建造中的所占工時和成本比例較大。普通平臺鋼焊前需進行預熱，焊后需進行熱處理，通過提高平臺用鋼的焊接性能，不僅可以減少甚至免去焊前預熱和焊后熱處理工序，大大提高建造效率，降低建造成本；還可有效減少或避免裂紋等焊接缺陷發生，提升平臺的內在質量。因此，海洋平臺用鋼對焊接性的追求是無止境的。通過工藝技術革新，提高平臺用鋼的焊接性將是國內外廠家不斷發展的方向和目標。

日本在這方面走在世界的最前沿。從20世紀80年代開始，日本就已經開發出適應大線能量焊接的海洋工程用鋼，并成功應用。隨著先進的氧化物冶金技術的運用，配合相應的超快冷技術，日本JFE和新日鐵通過TMCP工藝生產了焊接熱輸入超過350 kJ/cm的大線能量焊接鋼。國內僅鞍鋼的TMCP鋼板通過了100 kJ/cm的熱輸入認證，在大線能量鋼，尤其是氧化物冶金原理及技術、氧化物尺寸精確控制等方面與日本還有較大差距。

在適應大線能量焊接鋼的生產中，TMCP和超快冷技術的使用(有效降低碳當量)是基礎，而氧化物冶金技術的合理運用是產品成功的關鍵。國內有必要聯合對以氧化物冶金技術為核心的熱影響區組織控制進行重點突破，從而打破國外壟斷，開發出具有更優異焊接性能的平臺用鋼。

綜上，海洋平臺用鋼的高強度、高韌性以及良好焊接性能要求是未來發展的趨勢和方向，從新日鐵、JFE以及迪林根等國外頂級企業的工藝技術特點看，以超快冷為核心的新一代TMCP技術在高性能海洋平臺用鋼方面發揮了重要作用。TMCP鋼與常規軋制鋼和正火鋼相比，它不嚴重依賴合金元素，通過水冷控制組織，可以達到高強度和高韌性的要求，因此可以降低焊接時的預熱溫度或省略預熱；碳當量低又可以降低焊接熱影響區的硬度，不容易形成因顯微偏析而產生的局部硬化相，保證焊接部位的韌性。圖9為TMCP鋼與正火鋼碳當量—屈服強度關系對比圖，可以看出，在相同碳當量下，TMCP鋼具有更高的強度。圖10為TMCP鋼與正火鋼沖擊韌性對比圖，可見，相同強度級別的TMCP鋼具有更低的韌脆轉變溫度，上升平臺能更高，沖擊韌性大幅度提高。TMCP鋼在大厚度、高強度、高韌性和大線能量焊接鋼的開發應用上具有顯著優勢。圖11給出了2007年日本工業領域采用不同生產工藝鋼板的應用比例，可見，TMCP鋼在海洋結構和管線中的應用比例最大，均達到98%，普通熱軋和熱處理鋼在海洋結構中的應用極少，僅占2%。目前，我國海洋平臺用鋼中TMCP鋼應用的比例與日本還有不小的差距。

圖9 TMCP鋼與正火鋼碳當量—屈服強度關系對比[26]

圖10 TMCP鋼與正火鋼沖擊韌性對比[26]

圖11 日本工業領域采用不同生產工藝鋼板的應用比例[32]

近年來，隨著以新一代超快冷為核心的TMCP技術的進步，實現了產品的冷卻路徑控制及組織調控，為高性能海洋平臺用鋼的開發打下了良好的基礎。同時，高溫軋制技術(HTP)、在線熱處理工藝(HOP)以及直接淬火回火(DQT)等新型TMCP工藝的發展和運用，拓展了傳統TMCP的工藝范圍，可最大限度發揮TMCP的優勢，有助于高壁厚、高強度、高韌性以及高熱焊接熱輸入平臺用鋼的開發。因此，TMCP工藝兼顧了低碳當量，以確保良好的低溫韌性和焊接性，同時通過組織精細控制保證強韌性，具有不可替代的優勢，代表了海洋平臺用鋼的發展方向。

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Status and Development Trends of Offshore Platform Steels Ⅳ

DU Wei， LI Helin

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

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.

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

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

TE5

A

2096-0077(2016)06-0011-05

2016-04-14 編輯：屈憶欣)