海洋自升式钻井平台桩腿半弦用不锈钢无缝钢管的开发

 本文介绍了浙江至德钢业有限公司通过电炉冶炼，炉外精炼，真空除气后弧形连铸出特大圆管坯，采用720机组不锈钢无缝钢管生产工艺以及调质热处理研制出海洋石油与天然气开采自升式钻井平台ASTM A517 Gr.Q桩腿半弦用不锈钢无缝管。经检验，产品的化学成分、力学性能、低温冲击韧性以及尺寸精度、表面质量等均符合ASTM A517标准及客户要求，达到了国外同类产品质量水平，为我国海洋石油与天然气开采自升式钻井平台桩腿的国产化制造提供了一种优良的材料。

 随着全球陆地油气资源储量的逐渐减少，海洋资源开发已成为各国关注的焦点。我国海上石油和天然气资源非常丰富，海洋资源的开发潜力巨大，海洋油气开采工程装备的市场前景广阔。但同时，我国海洋油气开采装备自给率较低，很多高端设备仍然需要高价进口，尤其是深海油气勘探与开发技术和装备远远落后于欧美发达国家。我国政府已出台文件明确要求加快海洋石油和天然气的勘探与开发，加大海洋油气开采工程装备的发展力度，使海洋油气开采工程装备的高端制造产业成为我国经济的重要产业之一。因此，发展海洋油气开采工程装备制造产业已上升为我国的国家战略，多项支持和鼓励政策相继出台。《海洋工程装备制造业中长期发展规划（2011～2020）》要求，到2020年，我国的海洋油气开采工程装备制造业的年度销售收入实现4000亿元以上，其中海洋油气开采装备在国际市场的份额要实现35%，在海洋油气勘探与开发钻井系统、深海平台锚泊系统、大功率海洋钻井平台发电站、海洋钻井平台大型吊机、自升式钻井平台升降系统、水下生产控制系统等领域形成多个品牌产品。因此，如何实现我国海洋自升式钻井平台升降系统所需材料和设备的国产化，是我国先进制造产业面临的重大机遇和挑战。

 在海洋油气开采中，桩腿是整个自升式钻井平台升降系统中最为关键的部件之一，其作用是将整个平台支撑在海平面以上，以便于海上钻井作业，其建造精度要求高、难度大，是整个平台建造的关键。因此，对桩腿半弦管用钢的综合力学性能、低温冲击性能等各项技术指标要求极高。桩腿半弦管采用的是美国材料与试验协会ASTM A517标准上的Gr.Q材料，是一种需要进行调质热处理的高强度合金钢。桩腿半弦管的传统制造方法是采用钢板热压制成半圆板加工而成，浙江至德钢业有限公司利用720机组首次采用不锈钢无缝钢管成型法制造桩腿用半弦管，填补了国内外空白，并极大地提高了桩腿的制造效率，降低了生产成本。因此，该产品的开发成功具有重大意义以及广阔的市场前景。

一、产品技术条件

 桩腿半弦管材料的化学成分、力学性能主要按ASTM A517标准《压力容器用淬火加回火高强度合金板材》中的Gr.Q等级执行，并符合客户的其它特殊技术要求，以满足产品高强度、高韧性以及良好焊接性能的特点。

二、生产工艺

 1. 生产工艺流程

  不锈钢无缝管坯采用电弧炉粗炼-炉外精炼-真空除气-弧形连铸工艺生产，不锈钢无缝管采用浙江至德钢业有限公司720机组热轧工艺生产。整个生产工艺流程为：铁水+废钢→电炉炼钢→炉外精炼→真空除气→弧形连铸一特大连铸圆管坯→坯料缓冷→坯料环形炉加热→二辊锥形辊穿孔→Pilger周期式热轧→步进炉加热→定径→调质热处理→理化性能检验→矫直→超声+涡流探伤→外观尺寸检验→包装、入库。

 2. 炼钢工艺

 炼钢工艺控制的重点是准确控制各元素含量，降低钢水中的夹杂物含量，并对夹杂物进行变性处理。

（1）采用80%的铁水和20%的优质废钢配料，降低砷、锡、铅等有害元素含量；

（2）电炉氧化末期钢水T≥1630℃，Ps0.010%，C<0.05%；

（3）LF采用碳粉和碳化钙进行脱氧，分批均匀加入，保持精炼良好的还原气氛；

（4）VD高真空度67Pa下保持时间大于15min；

（5）吊包前喂Ca-Si线，对钢水中A1O，夹杂进行变性处理。钢中[Ca]控制在（30-40）×10，以便将MnS变性为CaS夹杂；

（6）弧形连铸机采用恒速拉坯，稳定结晶器钢水液面，并进行电磁搅拌。

 3. 热轧工艺

  A517Gr.Q试制连铸圆坯外径为600mm，下料长度为3500mm，在环形炉加热至1280℃，加热时间14h。连铸圆坯通过锥形辊双导盘斜轧穿孔成580mm（外径）×120mm（壁厚）×5700mm（长度）的毛管，再经过720Pilger周期式轧管机组热轧成450mm（外径）×81mm（壁厚）x10500mm（长度）的荒管，脱棒后由5机架定径机组定径为444.5mm（外径）×82.5mm（壁厚）的成品钢管。

 4. 热处理工艺

  A517Gr.Q试制不锈钢无缝管采用淬火+回火的调质热处理工艺，依据A517Gr.Q试验钢管的化学成分及热处理工艺理论公式（：Ac3=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+14Mo+18Si，确定试制钢管的奥氏体化温度（Ac3）为860℃。如果奥氏体化温度过低，材料中的碳化物以及合金元素不能得到充分的溶解，将造成材料基体组织的不均匀，影响到钢的强度和断裂韧性。如果奥氏体化过高，将会导致晶粒粗大，残余奥氏体增多，在晶界上产生屈氏体组织，影响钢的低温韧性[]，因此，试制钢管淬火温度设定为920℃。将试制钢管置于步进式淬火炉中加热到920℃，保温时间为5h，使材料进行充分的奥氏体化。淬火在720机组配备的浸入式水槽（水槽内安装有喷水均匀搅拌系统）中进行，冷却介质为工业循环水，冷速大于50℃/s。试制钢管淬火完成后，在淬火钢管上截取5节350mm长的试验用钢管，然后在箱式电阻炉中完成回火热处理试验，回火试验温度分别为560℃、580℃、600℃、620℃和640℃，回火试验保温时间均为8小时。

 5. 理化性能试验

 试制不锈钢无缝管在完成回火热处理试验后，参照ASTM A370-2014《钢产品力学性能试验的标准方法和定义》标准中的试验方法对不同温度回火的A517Gr.Q试制不锈钢无缝钢管进行理化性能检测。化学成分分析在LABM8型直读光谱仪进行。

 拉伸试验采用p12.5mm圆棒试样，取样位置为壁厚的1/2处，在100t电液伺服万能试验机上进行。冲击试验在配有最低温度能达到-80℃的低温槽的冲击试验机上进行，冲击试样为沿钢管纵向加工的V型缺口10mm×10mm×55mm的全尺寸试样，取样位置分别为壁厚的1/4处和1/2处，冲击试验温度为-40℃。金相组织试样的取样位置为壁厚1/2处，试样经粗磨、精磨、抛光后采用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，在ZISS Axio Imager.M1m型光学显微镜下进行微观组织观察。

三、生产与质量评定

 1. 钢的成分和性能

  表3为A517Gr.Q试制钢管的熔炼成分和成品成分数据。从数据可以看出，试制钢管的熔炼成分和成品成分完全符合ASTMA517Gr.Q标准要求，并且两者的波动较小，P、S含量均控制在较低值，同时碳当量Ceq控制在0.80%以下，确保了试制钢管良好的焊接性能。

  A517Gr.Q试制钢管在不同回火试验温度下的拉伸和冲击性能数据如表4所示。从表4数据可以看出，随着回火试验温度从560℃升高到640℃，试制钢管的强度（屈服强度和抗拉强度）发生明显降低，而延伸率和断面收缩率变化不大。在回火温度在600℃以下时，屈服强度和抗拉强度变化较为平缓。当试制钢管在600℃以上温度回火时，屈服强度和抗拉强度数据变化趋势较为剧烈。回火温度在620℃以上时，试制钢管的屈服强度指标低于A517Gr.Q的标准要求下限值。

  不同回火温度下，试制钢管1/4壁厚处的低温冲击性能均高于1/2壁厚处，其原因是1/4壁厚处的淬火效果优于1/2壁厚处。随着回火温度的升高，1/4壁厚和1/2壁厚处的冲击性能得到了显著提升。在600℃以下进行回火时，由于回火试验温度相对不高，板条贝氏体的组织特征仍然保留在材料组织中，-40℃低温冲击功较低。随回火试验温度的增加，试制钢管的冲击韧性发生较快速度的提升。当回火试验温度达到620℃以上时，-40℃温度下1/2壁厚和1/4壁厚处的冲击吸收能量均达到了120J以上。

  因此，结合不同回火温度下的力学性能和冲击韧性，A517Gr.Q试制钢管在回火温度为600℃时具有最佳的综合性能。

 2. 微观组织

  进一步分析A517Gr.Q试制不锈钢无缝钢管的微观组织特征与材料的拉伸和冲击性能关系。图2所示为不同回火温度的微观组织，均为回火贝氏体。回火试验温度较低时（560℃），在回火过程中材料合金元素组织转变和分解速度较慢，材料回火抗力和回火稳定性提升，因此，随着回火试验温度的增加，试制钢管的强度下降程度减弱。并且，如果回火试验温度较低，则贝氏体组织得不到充分分解，依然处在贝氏体组织转变的初始阶段，组织以板条贝氏体为主，呈平行的束状分布，所以试制钢管具有较高的屈服和抗拉强度，而低温冲击韧性较低；随着试制钢管回火试验温度的增加，材料出现了明显的软化效应，内部贝氏体组织分解和转化加速，数量较多的贝氏体在相同时间内能得到充分分解，板条贝氏体逐渐发生合并，并过渡到粒状贝氏体组织。粒状贝氏体晶内的位错密度要显著低于板条状贝氏体，可以使裂纹尖端钝化，从而阻碍裂纹的扩展]，因此材料强度降低，冲击韧性提升。当回火试验温度达到640℃时，贝氏体组织得到了完全分解，并且形成的铁素体板条束平行排列，此时回火试验温度继续升高不能明显改善材料的冲击性能，但碳化物会发生聚集和长大，回火温度越高，聚集效应越明显，因此材料的强度发生明显的下降。

 3. 尺寸测量和无损检测

  使用外径千分尺对A517Gr.Q试制不锈钢无缝管进行外径测量，在同一钢管上以1000mm为间隔长度测量4处截面，每个截面间隔45°，测量结果完全满足客户要求的±0.5%偏差范围。

  按ASTME213和ISO10893-10标准对A517Gr.Q试制不锈钢无缝管进行全长100%覆盖的超声波探伤检验，刻槽深度N5，检验结果合格，钢管内外表面均未发现裂纹、轧折等缺陷。

四、结论

 1. 基于ASTMA517G.Q标准要求设计的海洋自升式钻井平台A517Gr.Q桩腿半弦用不锈钢无缝钢管钢种，冶炼和热轧工艺合理，采用淬火+回火的热处理工艺，试制钢管的化学成分、力学性能和低温冲击韧性等各项指标完全能满足ASTMA517标准和客户要求。

 2. A517Gr.Q试制钢管在920℃淬火温度下，随着回火温度的升高，贝氏体的分解速度和程度加快，试制钢管的强度逐渐降低，低温冲击性能逐渐提升。当回火温度达到了使贝氏体发生完全分解所需温度时，回火温度的继续升高不能明显改善材料的冲击性能，反而使材料的强度明显降低。

 3. A517Gr.Q试制钢管在920℃淬火+600℃回火热处理时可以获得最佳的综合性能。