海洋模塊鉆機高壓泥漿管線材質的選擇

鄭道林，李樹剛

（1.中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452；2.中海油能源發展裝備技術有限公司工業清洗技術服務中心，天津 300452）

海洋模塊鉆機的高壓泥漿管線包括鉆井液循環管線、節流壓井管線、高壓泥漿泵放空管線。鉆井液的作用主要是在井底為鉆頭創造出良好的工作環境，鉆井作業時起到攜帶巖屑、潤滑和冷卻鉆頭、穩固井壁、平衡地層壓力以及發揮水力效能等作用，作為鉆井液的載體，高壓泥漿管線常用設計壓力為5 000psi，試驗壓力為7 500psi，高壓泥漿管線的運行狀態直接影響到鉆井的作業安全，所以高壓泥漿管線的材質選用至關重要。通過對近年來海洋模塊鉆機高壓泥漿管線常用的幾種材質進行計算、分析對比，提出結論。

1 材質的理化性能比較

海洋平臺模塊鉆機高壓泥漿管線近年來常用的幾種合金鋼材質為4130、F52、30CrMo、35CrMo。其中ASTM A519 4130和ASTM A694 F52為美標材質，30CrMo和35CrMo為國標材質。30CrMo為4130的國標對應牌號，性能較為相似。海洋模塊鉆機高壓泥漿管線常用材質化學成分對比見表1。

表1 海洋模塊鉆機高壓泥漿管線常用材質化學成分對照表（%）

合金中各元素對材質性能的影響見表2。

表2 元素在鋼材中的作用和影響[1]

2 管線尺寸選取及材質強度校核

根據海洋模塊鉆機常規管線設計標準，是按照ASME B31.3[2]工藝管道設計中的壁厚計算進行選取，常用的高壓泥漿管線的管徑使用范圍為2″～6″，管徑壁厚選取計算公式為：

式中：tm為所需最小壁厚，t為管線壓力設計壁厚；c為裕量總和（包含外裕量和內裕量，高壓泥漿系統管線的內裕量為3mm）；c0為外裕量總和；D為管線外徑；p為管線設計內壓（表壓）；S為管線材質的許用應力；W為焊縫系數。根據上述公式計算以及對高壓泥漿管線近幾年材料的統計，常用的管線尺寸如表3。

表3 管線尺寸統計表 mm

根據各管線材質對應標準查得材質的力學性能，如表4。

表4 各材質力學性能對比表 （MPa）

由于ASTM A694 F52管線材質力學強度相對較低，在5″和6″管徑下一般選用設計規定壁厚的無縫鋼管，5″管壁厚選用23.5mm，6″壁厚選用27.3mm。高壓泥漿管線的管線外徑與內徑之比均大于1.2，屬于厚壁管線。

一般高壓泥漿管線破壞是塑性破壞，所以可以根據第三強度理論來對管線強度進行校核。首先從管子中取一微元，然后根據受力情況、幾何形狀、邊界條件等分別建立其靜力平衡方程、物理方程和幾何方程，然后聯解方程。

式中：R為管線外徑；r為管線內徑；p為管線內壓；x為沿壁厚任意處的半徑。

由上式可知應力最大點均為內壁處，且方向相反，對管線強度進行校核，軸向應力只與內外徑有關，方向沿管線壁厚分布，管線兩端為開口，所以管線在軸線方向上不受力。取內壁上任意一點（x=r）：

根據表3管線尺寸進行計算，結果如表5。

表5 計算結果及結論

續表

計算結果表明，這四種材質在對應壁厚下均能滿足高壓泥漿的工作強度要求。

高壓泥漿管線由于工作壓力較高，管徑較小，采用高強度鋼材制成的高壓管線會可能出現低應力脆性斷裂。由于裂紋破壞了材料的均勻連續性，改變了材料內部應力狀態和應力分布而使管線發生低應力脆性斷裂。

低強度鋼由于塑性比較好，在裂紋前緣的應力最大處產生塑性變形，這種塑性變形使該處的應力僅保留在屈服雄限的附近，限制了應力峰值的增長，促使應力重新分布并趨于均勻。所以，低強度鋼一般表現為韌性斷裂，而很少出現應力脆性斷裂[3]。

所以高壓管線的材質選用不能單純地追求高強度鋼材。

3 焊接性能

材質的焊接性能對高壓管線來說非常重要，直接影響到管線的車間預制、現場施工及管線的使用。合金鋼中的其他元素對鋼材的強度和可焊性也起著重要的作用。

按照國際焊接學會推薦的碳鋼及合金結構鋼的碳當量經驗公式[CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]計算出這幾種材質的平均碳當量，計算結果如表6。

表6 各材質碳當量平均值 %

CE＜0.4%時，鋼材塑性良好，淬硬傾向不明顯，可焊性好。一般不會產生裂縫。

CE在0.4%～0.6%，鋼材塑性下降，強度增加，淬硬傾向明顯，可焊性較差。工件應采取焊前預熱，焊后緩冷等工藝防止裂縫。

CE＞0.6%，鋼材塑性較低，強度較高，淬硬傾向很強，可焊性不好。工件焊前經預熱到較高溫度，焊接時采取減少焊接應力和防止開裂的工藝措施，焊后還應進行熱處理，確保焊接接頭質量。

4130通過幾年來的使用發現這種材質在焊接時容易出現裂紋和熱影響區脆化的現象。其焊接熱影響區的脆硬傾向較大，有很強的冷裂紋敏感性；由于合金的成分含量較為復雜，熱影響區的組織轉變先于焊縫區，容易在焊縫區受氫影響形成冷裂紋，且具有一定的延遲的特性；焊接時的加熱不均勻及冷卻過程產生的熱應力和金屬相變產生的應力也可導致裂紋的產生[4]。

30CrMo與4130焊接性能相近，含碳量較高，其結晶溫度區間較大，偏析也較嚴重，具有較大的熱裂紋傾向[5]。

35CrMo屬于中碳調質鋼，碳含量較高，合金元素多，鋼的脆硬傾向較大，焊接時在熱影響區的淬火區產生大量馬氏體，導致脆化，增大了焊接接頭的冷裂傾向；當熱影響區加熱溫度超過調質處理回火時的溫度時，會出現強度和硬度低于母材的軟化區；合金含量高，結晶溫度區間大，偏析嚴重，具有較大的熱裂紋傾向[6]。

F52相較其他三種材質，焊接性能有所提高，淬硬傾向較低，焊接時同樣也容易出現冷裂紋[7]。

這四種材質在工程使用過程中均需要焊前預熱及焊后熱處理，相比較而言F52的焊接性能較好，焊接工藝更加便于工程現場應用。

4 防腐性能

鉆井液對高壓泥漿管線的腐蝕主要表現在電化學腐蝕、氧腐蝕、硫化氫腐蝕、二氧化碳腐蝕等方面。

為了提高膨潤土的水化能力，抑制井下硫化氫及二氧化碳對設備的作用等，一般情況下，鉆井液是呈堿性的。鉆井液中的溶解的氧是管線鋼材氧腐蝕的主要原因，在堿性或者弱酸性條件下，氧的還原反應比氫離子更加容易，在堿性或者弱酸性鉆井液中都是以氧的還原反應作為陰極過程而進行的。

由于海洋平臺鉆井液一般都使用海水進行配漿，海水中的電解質含量較高，兩種不同金屬可以形成宏觀電池腐蝕，或者金屬本身的不均勻性，形成了無數的微觀電池，電池中的陽極區產生了電化學腐蝕。

在鉆井及節流壓井的過程中，鉆井液會將地層中的硫化氫攜帶至鉆機，成為管道腐蝕的氧化劑，硫化氫溶解在鉆井液中，在陽極與金屬發生反應，更能使金屬管道發生氫脆現象，氫原子擴散進入鋼基體內，遇到氫陷阱后停留，隨著氫原子的擴散，在氫陷阱附近形成應力密度集中，導致形成裂紋發生脆性斷裂[8]。

海洋模塊鉆機高壓泥漿管線使用的材質一般在出廠之前需要進行調質處理，加入微量的鉻、鎳、鉬、硅等合金元素，對鋼材的防腐性能做一些調整。在一定范圍內，合金含量越高，金屬的抗腐蝕性能越好[9]，所以需根據不同地區的鉆井工況選取合適的材質。鉻能提高鋼材的抗氧化性和耐腐蝕性，鎳能提高鋼材的耐酸堿腐蝕性，通過對這四種材質的元素含量的對比以及相關資料的整理，發現35CrMo的合金含量較高，抗腐蝕性較好。

5 鑄造性能

管線材質不同，其鑄造性能也不同，所以獲得完好的鑄件難易程度也不同，如三通、法蘭等。

鑄造性能主要取決于金屬材料熔化后即金屬液體的流動性，冷卻時的收縮率和偏析傾向等。鉬含量在1%以下時生成硫化鉬，在晶界上析出，降低了導熱性，并增大收縮和冷裂、熱裂的可能性；鉻生成夾雜物和氧化膜，使鋼水變稠，降低鋼水的流動性，同時有增加收縮量和縮孔的可能性；硫和磷均為金屬中的有害元素，硫會使鋼水變稠，流動性變差，磷能增加鋼水的流動性和可鑄性，但會使鋼材的縮孔、縮松和開裂傾向增加。

綜合這幾種材質的成分，F52的液態流動性較好，鑄造性較好。

6 經濟性對比

工程應用必須考慮高壓泥漿管線材料的經濟性，主要包括貨源、價格和生產周期這三個方面，經過對現有鋼材市場的調查，得出結果見表7。

表7 各材質經濟性分析

35CrMo應用較為廣泛，生產廠家準備較為充分，生產周期較短，較為利于工程應用。

7 結束語

綜合分析了4130、F52、30CrMo及35CrMo這四種材質的強度、焊接性能、防腐性能、鑄造性能及使用的經濟性。在鉆井地層工況較好，硫化氫含量較少時，可選用F52作為高壓泥漿管線的材質，便于現場施工焊接，價格較低；地層硫化氫含量較高時選用35CrMo，管線強度較高，耐腐蝕性較好，目前該材質的焊接工藝已經比較成熟，完全滿足高壓泥漿管線的正常作業。