海洋自升式鉆井平臺樁腿半弦用不銹鋼無縫鋼管的開發

 本文介紹了浙江至德鋼業有限公司通過電爐冶煉，爐外精煉，真空除氣后弧形連鑄出特大圓管坯，采用720機組不銹鋼無縫鋼管生產工藝以及調質熱處理研制出海洋石油與天然氣開采自升式鉆井平臺ASTM A517 Gr.Q樁腿半弦用不銹鋼無縫管。經檢驗，產品的化學成分、力學性能、低溫沖擊韌性以及尺寸精度、表面質量等均符合ASTM A517標準及客戶要求，達到了國外同類產品質量水平，為我國海洋石油與天然氣開采自升式鉆井平臺樁腿的國產化制造提供了一種優良的材料。

 隨著全球陸地油氣資源儲量的逐漸減少，海洋資源開發已成為各國關注的焦點。我國海上石油和天然氣資源非常豐富，海洋資源的開發潛力巨大，海洋油氣開采工程裝備的市場前景廣闊。但同時，我國海洋油氣開采裝備自給率較低，很多高端設備仍然需要高價進口，尤其是深海油氣勘探與開發技術和裝備遠遠落后于歐美發達國家。我國政府已出臺文件明確要求加快海洋石油和天然氣的勘探與開發，加大海洋油氣開采工程裝備的發展力度，使海洋油氣開采工程裝備的高端制造產業成為我國經濟的重要產業之一。因此，發展海洋油氣開采工程裝備制造產業已上升為我國的國家戰略，多項支持和鼓勵政策相繼出臺?！逗Ｑ蠊こ萄b備制造業中長期發展規劃（2011～2020）》要求，到2020年，我國的海洋油氣開采工程裝備制造業的年度銷售收入實現4000億元以上，其中海洋油氣開采裝備在國際市場的份額要實現35%，在海洋油氣勘探與開發鉆井系統、深海平臺錨泊系統、大功率海洋鉆井平臺發電站、海洋鉆井平臺大型吊機、自升式鉆井平臺升降系統、水下生產控制系統等領域形成多個品牌產品。因此，如何實現我國海洋自升式鉆井平臺升降系統所需材料和設備的國產化，是我國先進制造產業面臨的重大機遇和挑戰。

 在海洋油氣開采中，樁腿是整個自升式鉆井平臺升降系統中最為關鍵的部件之一，其作用是將整個平臺支撐在海平面以上，以便于海上鉆井作業，其建造精度要求高、難度大，是整個平臺建造的關鍵。因此，對樁腿半弦管用鋼的綜合力學性能、低溫沖擊性能等各項技術指標要求極高。樁腿半弦管采用的是美國材料與試驗協會ASTM A517標準上的Gr.Q材料，是一種需要進行調質熱處理的高強度合金鋼。樁腿半弦管的傳統制造方法是采用鋼板熱壓制成半圓板加工而成，浙江至德鋼業有限公司利用720機組首次采用不銹鋼無縫鋼管成型法制造樁腿用半弦管，填補了國內外空白，并極大地提高了樁腿的制造效率，降低了生產成本。因此，該產品的開發成功具有重大意義以及廣闊的市場前景。

一、產品技術條件

 樁腿半弦管材料的化學成分、力學性能主要按ASTM A517標準《壓力容器用淬火加回火高強度合金板材》中的Gr.Q等級執行，并符合客戶的其它特殊技術要求，以滿足產品高強度、高韌性以及良好焊接性能的特點。

二、生產工藝

 1. 生產工藝流程

  不銹鋼無縫管坯采用電弧爐粗煉-爐外精煉-真空除氣-弧形連鑄工藝生產，不銹鋼無縫管采用浙江至德鋼業有限公司720機組熱軋工藝生產。整個生產工藝流程為：鐵水+廢鋼→電爐煉鋼→爐外精煉→真空除氣→弧形連鑄一特大連鑄圓管坯→坯料緩冷→坯料環形爐加熱→二輥錐形輥穿孔→Pilger周期式熱軋→步進爐加熱→定徑→調質熱處理→理化性能檢驗→矯直→超聲+渦流探傷→外觀尺寸檢驗→包裝、入庫。

 2. 煉鋼工藝

 煉鋼工藝控制的重點是準確控制各元素含量，降低鋼水中的夾雜物含量，并對夾雜物進行變性處理。

（1）采用80%的鐵水和20%的優質廢鋼配料，降低砷、錫、鉛等有害元素含量；

（2）電爐氧化末期鋼水T≥1630℃，Ps0.010%，C<0.05%；

（3）LF采用碳粉和碳化鈣進行脫氧，分批均勻加入，保持精煉良好的還原氣氛；

（4）VD高真空度67Pa下保持時間大于15min；

（5）吊包前喂Ca-Si線，對鋼水中A1O，夾雜進行變性處理。鋼中[Ca]控制在（30-40）×10，以便將MnS變性為CaS夾雜；

（6）弧形連鑄機采用恒速拉坯，穩定結晶器鋼水液面，并進行電磁攪拌。

 3. 熱軋工藝

  A517Gr.Q試制連鑄圓坯外徑為600mm，下料長度為3500mm，在環形爐加熱至1280℃，加熱時間14h。連鑄圓坯通過錐形輥雙導盤斜軋穿孔成580mm（外徑）×120mm（壁厚）×5700mm（長度）的毛管，再經過720Pilger周期式軋管機組熱軋成450mm（外徑）×81mm（壁厚）x10500mm（長度）的荒管，脫棒后由5機架定徑機組定徑為444.5mm（外徑）×82.5mm（壁厚）的成品鋼管。

 4. 熱處理工藝

  A517Gr.Q試制不銹鋼無縫管采用淬火+回火的調質熱處理工藝，依據A517Gr.Q試驗鋼管的化學成分及熱處理工藝理論公式（：Ac3=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+14Mo+18Si，確定試制鋼管的奧氏體化溫度（Ac3）為860℃。如果奧氏體化溫度過低，材料中的碳化物以及合金元素不能得到充分的溶解，將造成材料基體組織的不均勻，影響到鋼的強度和斷裂韌性。如果奧氏體化過高，將會導致晶粒粗大，殘余奧氏體增多，在晶界上產生屈氏體組織，影響鋼的低溫韌性[]，因此，試制鋼管淬火溫度設定為920℃。將試制鋼管置于步進式淬火爐中加熱到920℃，保溫時間為5h，使材料進行充分的奧氏體化。淬火在720機組配備的浸入式水槽（水槽內安裝有噴水均勻攪拌系統）中進行，冷卻介質為工業循環水，冷速大于50℃/s。試制鋼管淬火完成后，在淬火鋼管上截取5節350mm長的試驗用鋼管，然后在箱式電阻爐中完成回火熱處理試驗，回火試驗溫度分別為560℃、580℃、600℃、620℃和640℃，回火試驗保溫時間均為8小時。

 5. 理化性能試驗

 試制不銹鋼無縫管在完成回火熱處理試驗后，參照ASTM A370-2014《鋼產品力學性能試驗的標準方法和定義》標準中的試驗方法對不同溫度回火的A517Gr.Q試制不銹鋼無縫鋼管進行理化性能檢測?；瘜W成分分析在LABM8型直讀光譜儀進行。

 拉伸試驗采用p12.5mm圓棒試樣，取樣位置為壁厚的1/2處，在100t電液伺服萬能試驗機上進行。沖擊試驗在配有最低溫度能達到-80℃的低溫槽的沖擊試驗機上進行，沖擊試樣為沿鋼管縱向加工的V型缺口10mm×10mm×55mm的全尺寸試樣，取樣位置分別為壁厚的1/4處和1/2處，沖擊試驗溫度為-40℃。金相組織試樣的取樣位置為壁厚1/2處，試樣經粗磨、精磨、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在ZISS Axio Imager.M1m型光學顯微鏡下進行微觀組織觀察。

三、生產與質量評定

 1. 鋼的成分和性能

  表3為A517Gr.Q試制鋼管的熔煉成分和成品成分數據。從數據可以看出，試制鋼管的熔煉成分和成品成分完全符合ASTMA517Gr.Q標準要求，并且兩者的波動較小，P、S含量均控制在較低值，同時碳當量Ceq控制在0.80%以下，確保了試制鋼管良好的焊接性能。

  A517Gr.Q試制鋼管在不同回火試驗溫度下的拉伸和沖擊性能數據如表4所示。從表4數據可以看出，隨著回火試驗溫度從560℃升高到640℃，試制鋼管的強度（屈服強度和抗拉強度）發生明顯降低，而延伸率和斷面收縮率變化不大。在回火溫度在600℃以下時，屈服強度和抗拉強度變化較為平緩。當試制鋼管在600℃以上溫度回火時，屈服強度和抗拉強度數據變化趨勢較為劇烈?；鼗饻囟仍?20℃以上時，試制鋼管的屈服強度指標低于A517Gr.Q的標準要求下限值。

  不同回火溫度下，試制鋼管1/4壁厚處的低溫沖擊性能均高于1/2壁厚處，其原因是1/4壁厚處的淬火效果優于1/2壁厚處。隨著回火溫度的升高，1/4壁厚和1/2壁厚處的沖擊性能得到了顯著提升。在600℃以下進行回火時，由于回火試驗溫度相對不高，板條貝氏體的組織特征仍然保留在材料組織中，-40℃低溫沖擊功較低。隨回火試驗溫度的增加，試制鋼管的沖擊韌性發生較快速度的提升。當回火試驗溫度達到620℃以上時，-40℃溫度下1/2壁厚和1/4壁厚處的沖擊吸收能量均達到了120J以上。

  因此，結合不同回火溫度下的力學性能和沖擊韌性，A517Gr.Q試制鋼管在回火溫度為600℃時具有最佳的綜合性能。

 2. 微觀組織

  進一步分析A517Gr.Q試制不銹鋼無縫鋼管的微觀組織特征與材料的拉伸和沖擊性能關系。圖2所示為不同回火溫度的微觀組織，均為回火貝氏體?；鼗鹪囼灉囟容^低時（560℃），在回火過程中材料合金元素組織轉變和分解速度較慢，材料回火抗力和回火穩定性提升，因此，隨著回火試驗溫度的增加，試制鋼管的強度下降程度減弱。并且，如果回火試驗溫度較低，則貝氏體組織得不到充分分解，依然處在貝氏體組織轉變的初始階段，組織以板條貝氏體為主，呈平行的束狀分布，所以試制鋼管具有較高的屈服和抗拉強度，而低溫沖擊韌性較低；隨著試制鋼管回火試驗溫度的增加，材料出現了明顯的軟化效應，內部貝氏體組織分解和轉化加速，數量較多的貝氏體在相同時間內能得到充分分解，板條貝氏體逐漸發生合并，并過渡到粒狀貝氏體組織。粒狀貝氏體晶內的位錯密度要顯著低于板條狀貝氏體，可以使裂紋尖端鈍化，從而阻礙裂紋的擴展]，因此材料強度降低，沖擊韌性提升。當回火試驗溫度達到640℃時，貝氏體組織得到了完全分解，并且形成的鐵素體板條束平行排列，此時回火試驗溫度繼續升高不能明顯改善材料的沖擊性能，但碳化物會發生聚集和長大，回火溫度越高，聚集效應越明顯，因此材料的強度發生明顯的下降。

 3. 尺寸測量和無損檢測

  使用外徑千分尺對A517Gr.Q試制不銹鋼無縫管進行外徑測量，在同一鋼管上以1000mm為間隔長度測量4處截面，每個截面間隔45°，測量結果完全滿足客戶要求的±0.5%偏差范圍。

  按ASTME213和ISO10893-10標準對A517Gr.Q試制不銹鋼無縫管進行全長100%覆蓋的超聲波探傷檢驗，刻槽深度N5，檢驗結果合格，鋼管內外表面均未發現裂紋、軋折等缺陷。

四、結論

 1. 基于ASTMA517G.Q標準要求設計的海洋自升式鉆井平臺A517Gr.Q樁腿半弦用不銹鋼無縫鋼管鋼種，冶煉和熱軋工藝合理，采用淬火+回火的熱處理工藝，試制鋼管的化學成分、力學性能和低溫沖擊韌性等各項指標完全能滿足ASTMA517標準和客戶要求。

 2. A517Gr.Q試制鋼管在920℃淬火溫度下，隨著回火溫度的升高，貝氏體的分解速度和程度加快，試制鋼管的強度逐漸降低，低溫沖擊性能逐漸提升。當回火溫度達到了使貝氏體發生完全分解所需溫度時，回火溫度的繼續升高不能明顯改善材料的沖擊性能，反而使材料的強度明顯降低。

 3. A517Gr.Q試制鋼管在920℃淬火+600℃回火熱處理時可以獲得最佳的綜合性能。