深海用高强厚壁直缝埋弧焊管开发技术难点分析*

牛爱军，殷立洪，毕宗岳，牛 辉，黄晓辉，刘海璋

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

深海用高强厚壁直缝埋弧焊管开发技术难点分析*

牛爱军1,2，殷立洪2，毕宗岳1,2，牛 辉1,2，黄晓辉1,2，刘海璋1,2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

深海油气管道对管道用管材的可靠性提出了更高的技术要求，高强度大壁厚直缝埋弧焊管是深海油气输送管道的方向发展。从深海用高强度厚壁直缝埋弧焊管对管线钢板材及钢管在高强度、高韧性和抗脆断、高尺寸精度、低焊接碳当量和良好焊接性以及抗腐蚀性等方面的高技术要求入手，详细分析了高强度厚壁管线钢材料、板材质量控制和钢管制造工艺等方面存在的技术难点，提出了解决思路。

焊管；深海管线；高强度管线钢；大壁厚；直缝埋弧焊管；断裂韧性

随着近陆、近海油气田开发的完成，新建油气田的开发逐渐向极地、冰原、荒漠、海洋等偏远地区发展。近年来世界石油勘探重点已由陆地转向海洋，由浅海转向深海，深水和超深水的油气资源勘探开发已经成为世界油气开采的重点领域。

深海环境十分复杂，考虑到深海管道的结构稳定性和施工、服役的安全性，海底管道对管线钢材料、管道焊接、施工、维护等提出了比陆上更高的要求，对钢管的强度、韧性、抗压性能、耐腐蚀性能、尺寸精度等都有着严格的要求[1-2]。深海油气输送管正在向厚壁和高强度方向发展，近年来，世界上绝大多数海底油气管道要求使用直缝埋弧焊管。

我国南海具有丰富的油气资源和天然气水合物资源，目前，我国正加快南中国海油气资源的勘探开发，但这一海域水深为500～2 000m，而我国目前还不完全具备在这样深水海域进行油气勘探和生产的技术[3]。因此，研究开发具有高性能、高钢级、大壁厚和高尺寸精度的深海管线用钢管的重要性得到凸显。

1 深海服役工况对管材性能的要求

深海环境十分恶劣和复杂，海底管道工作在低温、高压、强腐蚀的海洋环境中，不仅承受着内外压力、轴向力、弯矩等静载荷和温度荷载的联合作用，而且还要承受交变的外压、波浪、海流的动载荷的作用，使管道承受着多种载荷的联合作用并引发多种形式的破坏[4]。受深海浪涌和洋流的影响，钢管应具有良好的纵向强韧性、塑性以及抗疲劳能力[5]。随着铺设深度的增加，海底管线的抗压溃性愈来愈重要，钢管壁厚和钢管尺寸精度的要求更加严格，同时钢管的直径与钢管壁厚的比值减小，小直径和厚壁化已成为深海管线钢管的主要特点[6]。水深大于2 100m后，深海的环境更恶劣，对管线的各项性能要求也更高。深海溶氧量增加，海水、海泥和海底微生物造成钢管腐蚀行为更加复杂；对H2S和CO2含量的油气介质来说，在深海管道高压输送条件下，腐蚀将加剧。同时，在管材屈服强度提高的同时还应考虑屈强比和可焊性等方面的要求。

2 深海用厚壁管材开发关键技术难点

深海油气管道建设的恶劣环境条件对管道及管材提出了愈来愈高的质量要求，即对管道用钢管的可靠性要求越来越高。钢管的质量可靠性需要突破两个技术难点：一是管线钢板生产(包括管线钢的冶炼、管线钢板的控轧控冷、热处理等)技术；二是钢管制造技术。深海用厚壁直缝焊管的研发具有很高的技术和生产难度，包括厚壁钢板的制造、断裂韧性控制、强度、塑性及韧性的合理匹配，厚壁钢管的成型控制、焊接缺陷及焊接接头的强韧性控制等多方面的关键技术需要研究和攻克。

2.1 高强度大壁厚深海管材增加了钢板的制造难度

生产高强度厚壁规格的管线钢的技术关键是：同时保证钢材高强度和良好的低温断裂韧性。为了使管材具有优良的断裂韧性，必须满足CTOD，DWTT和CVN等韧性指标要求，因此对管材的合金成分组合要求严格，对材料的纯净度要求高，同时对钢中As，Sb，Sn，Bi，Pb以及B的残余均有严格要求，原材料的控制和冶炼难度大[7]。为此，必须保证管线钢合适的合金成分及微合金化方式，根据各合金元素对钢种组织和性能影响的规律，考虑微合金化效果、生产成本和管线钢性能要求[8]。

X70厚壁深海管线钢板材主要以低C-Mn-Mo-Nb系为基础，添加适量的V，Ti，Ni，Cu和Cr等微合金元素，充分应用洁净钢冶炼技术，以保证钢质的高纯净度，并在连铸过程中采用电磁搅拌和轻压下等技术，保证钢的成分和组织的均匀性[9]。获得针状铁素体组织是生产特厚规格、高强度、高韧性X70钢板的关键。其合金设计特点是采用低C、高Mn，通过钼低合金化控制相变组织以及铌微合金化细化晶粒和组织，获得细小均匀的超低碳针状铁素体组织[10]。采用TMCP工艺以保证针状铁素体的形成，轧制时采用两阶段控制轧制工艺，即在奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制。在钢坯再加热、轧制和轧后冷却过程中，通过控轧、控冷和加速冷却，获得具有高密度位错的针状铁素体组织[11]。

同时，为了保证深海管道所用钢管的圆度和全线钢管内外径的一致性，避免钢板表面划伤引起钢管承压时起裂和钢板表面（尤其是板边）油污导致焊缝内部气孔，对钢板的宽度和厚度精度以及表面质量要求严格控制。

目前，国内试制的海底管线用钢管壁厚可达31.8mm，钢级为X70。但对厚度在 35 mm及以上的高强度深海管线用钢及钢管尚未有过成功试制的经验。深海油气用高强度超厚壁管材的自主研发在我国将有广阔的前景，能否生产高钢级管线钢已成为衡量钢铁冶金企业技术水平的一个重要标志。

2.2 厚壁管线钢低温断裂韧性控制难度增大

断裂韧性是反映管线钢结构是否安全可靠的重要指标，包括冲击韧性和断裂韧性等。高的韧性是防止断裂起始和阻止断裂扩展的必要保证。为保障管线的安全可靠性，在提高强度的同时，必须相应提高管线钢的韧性，即保证钢材的韧性高于最低止裂韧性。

大壁厚是深水海底管道的特点之一，针对深水海底管道而言，要求其具备更加优异的韧度性能，高的韧性和低的韧脆转变温度是高强厚壁钢材对韧性的共同要求。在对管道的韧度评价中，由于DWTT结果（剪切面积SA）与管线实物的破坏程度有较大的相关性，被广泛应用于管道钢管，是输气管道抵抗脆性开裂能力的韧度指标之一[12]。

超厚钢板压缩比降低，组织细化困难，中心偏析难控制，厚壁各部位的晶粒大小不均匀。一般认为，高钢别管线钢的压缩比只有在不小于9的情况下，落锤撕裂试验（DWTT）的纤维率才能够得到保证[13]。国内正在研发的36.5mm厚壁管线钢板在鞍钢5 500mm四辊可逆式双机架特宽厚板轧机上，采用最高厚度为300mm的高质量连铸板坯进行钢板试制，最大压缩比还达不到8.5。因此，在高强厚壁管线钢开发过程中，只有采取更为独特的工艺，才能保证其DWTT性能，尽量减小低压缩比的影响。

DWTT成为影响厚壁管线钢及钢管是否合格的关键因素，而管线钢的DWTT性能与其内部铁素体有着密切关系。针状铁素体组织管线钢板具有高的强度、高的冲击韧性、低的韧脆转变温度和高的抗动态撕裂能力[14]。铁素体的类型、含量和晶粒大小对管线钢DWTT性能都有一定程度的影响。高性能的管线钢内部铁素体应当是多边铁素体和针状铁素体混合，且多边铁素体不宜过高；同时铁素体的晶粒越小越好。其他影响DWTT性能的因素还包括：杂质元素含量及夹杂物、铸坯中心偏析及相比例等。在现代管线钢S，P，O及N等杂质元素含量很低且中心偏析也可以通过各种工艺措施得到有效改善。因此，在超厚规格管线钢的生产中，奥氏体晶粒尺寸的细化和马奥岛的优化控制是材料获得优异断裂韧性的关键。如何改善厚规格管线钢的低温断裂韧性一直是世界管线钢开发的技术难题。

2.3 管材性能的稳定性对冶炼工艺提出了苛刻的要求

陆地用管横向屈服强度波动范围最大值是150 MPa，且对纵向屈服和抗拉强度均无要求。与常规陆地管线钢相比，海底管线钢对力学性能的稳定性要求更加严格，强度的波动范围更窄，且横向和纵向要求相同。在DNV－OS－F101《海底管线规范》及APISPEC 5L《管线钢管规范》中对海上服役条件用焊接钢管的管体屈服强度波动范围最大为120 MPa，而要达到这一指标要求，就应减小钢板的各向异性，控制同张钢板屈服强度差异，钢板头尾屈服强度的波动范围最大值不能大于40 MPa，否则很难满足钢管管体横向和纵向强度的力学性能要求。钢板同板差分为纵向同板差和横向同板差两类，热轧生产中需要严格控制工艺，以减少同板差发生。

合金元素的含量变化会引起钢材显微组织及其比例的改变,从而导致钢板力学性能的变化；钢板厚度的差异会引起冷却速度和压缩比的差异，也会影响钢材的显微组织及其比例的改变，并导致性能的变化[15]。厚壁钢板力学性能稳定性的控制，主要策略是提高钢的洁净度和组织均匀性，并采取微合金化、真空脱气+CaSi、连铸过程的轻压下、多阶段的热机械轧制以及多功能间歇加速冷却等工艺。因此对冶炼工艺技术具有比较苛刻的要求，技术难点主要集中于杂质元素含量控制、夹杂物控制和窄成分控制等。

2.4 管材强度、塑性、韧性等优异的综合性能实现难度大

由于海洋环境远远比陆地恶劣，海底管道施工和运营安全性的要求远远高于陆地管道，对深水海底管道的可靠性提出了更高要求。由于对深水海底管道静水压溃、管道在位、管道施工以及管道悬跨等各种工况的考虑，除需要满足高强度、高韧度以及良好的焊接性能和耐腐蚀性能等一般要求外，还要求具有一定塑性、尽可能小的缺口敏感性、高的疲劳强度和良好的工艺性能。

由于韧性的提高受到强度的制约，高强度管线钢通常采用控制轧制与控制冷却技术来细化晶粒，既要提高钢材强度又要提高钢材韧性。控轧控冷工艺将直接决定着管线钢的组织形态和力学性能，获得良好的强韧性搭配最有效的方法就是细化晶粒，晶粒的细化可以明显带来晶界强化效果，对强度尤其对韧性可显著提高[16]。另外，夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性，因此降低钢中有害元素含量并进行夹杂物的变形处理是提高韧性的有效手段。在成分设计上以低C、高Mn成分设计为基础，通过添加少量的Nb，V，Ti微合金化元素改善钢板性能，提高钢板强度；确保P和S等有害元素含量低，同时控制夹杂物数量和形态，改善钢的低温韧性和塑性。

深海用管线钢是高技术含量和高附加值的产品，高强度厚壁管线钢板的生产几乎应用到冶金领域的一切工艺技术新成就。

2.5 小径厚比和高尺寸精度要求加大了制管难度

为保证深海管道输送的安全性，提高管道的抗压溃性能，深海管道必须采用较高的尺寸精度、较小的管径和管径壁厚比的钢管。与普通钢管比，海洋用管其主要特点是：具有精密的几何尺寸，壁厚均匀，钢管几何形状好，椭圆度小，焊缝质量可靠，这些都增加了制管的难度，对设备能力及原料质量均有极大的考验。

国内正在研制的专用于深海油气开发的X70 φ914mm×36.5mm直缝埋弧焊管，钢管径厚比D/t=25.04，钢管最大形变率达到4%，达到钢管冷成型极限，制管难度极大。在直缝埋弧焊钢管的制造过程中，通常经过成型及扩径工序，上述过程在管体内产生应力应变变化。采用JCOE工艺进行小径厚比厚壁钢管成型，需要对压制道次步长、模具圆弧半径和压制力等成型工艺参数进行调整和优化，应对钢板的高强度和大弹复获得理想的成型效果。而随着强度的提高，钢板的合金含量高，在制管过程中的扩径工序变形量较大，包辛格效应和加工硬化作用复杂，制管前后力学性能波动较大。因此，必须从预弯开始对成型工艺进行优化，防止出现扩径冷裂纹；必须对钢板的组织类型和力学性能以及制管工艺实施精确的控制，达到对制管后钢管力学性能及外观尺寸精度的合理控制。

2.6 厚壁钢管的焊接缺陷及焊接接头韧性问题控制难度大

埋弧焊接时，随着钢管厚壁的增加，焊接坡口加深，熔池深度增加，焊接时熔池中的气体及夹渣等缺陷因素上浮的时间增加，焊接缺陷的几率增加。对于厚壁管线钢焊接接头要进行焊缝、熔合线（FL）、FL+2mm和FL+5mm的冲击试验，如果焊接质量及焊缝形貌控制不好，则焊接接头的低温冲击功很难稳定在技术控制指标以上。

焊缝要获得良好的性能，必须采用合适的焊接工艺参数。热输入过小时，焊缝出现脆硬第二相组织，强度和硬度有所提高，但韧性大大下降；热输入过大时，则组织过于粗大，韧性也会下降[18]。国内目前正在研制的X70钢36.5mm深海管线钢管用高强度超厚壁直缝埋弧焊管采用内焊四丝外焊五丝的多丝埋弧焊接工艺，单层热输入高达70 kJ/cm以上，焊缝的低温冲击韧性和低温断裂韧性(CTOD值)要稳定地达到控制指标要求更是困难。在多丝共熔池大线能量焊接条件下，如何解决焊接接头热影响区软化和脆化问题，提高厚壁管线钢焊接钢管焊缝的强韧性，是壁厚在30 mm以上厚壁埋弧焊接钢管焊接主要存在的主要难点。

2.7 耐腐蚀性管线钢材料技术及管道防腐保温技术有待提升

腐蚀是危害海底管线的重要因素，酸性环境下管线腐蚀更易于发生。我国对深水环境下管线钢材料的腐蚀行为研究很少，缺乏相应的材料合金设计和组织控制技术。目前，国内抗酸性管线钢管的最高水平为X65钢20mm厚钢板，对X70高强度超厚管线钢材料的耐腐蚀性能还正处于研究阶段。管线钢材料的金相组织、强度、硬度以及合金元素等影响着管材的抗氢致开裂（HIC）、硫化氢应力腐蚀（SSCC）性能。这就要求管线钢材料的超低碳、超低硫、夹杂物形态的严格控制，提高材料的纯净度高、组织成分均匀和性能稳定。同时，采用先进的制管工艺技术，降低小D/t钢管在制管变形过程中产生的残余应力，减少由此引起的腐蚀破坏和腐蚀疲劳破坏影响。

国内对于深水管道防腐保温体系的设计及相关材料的研究处于刚起步阶段，与国外存在着很大的差距，需要加大科研力度，为海洋油气开发提供技术支持和保障。

3 结 论

（1）随着油气开采深度的加大以及基于油气田本身高温、高压等恶劣的开采条件，越来越多的深水、超深水域的高温、高压油气资源正不断得到勘探和开发，深海油气输送管正在向大壁厚和高强度方向发展。

（2）高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管是高技术含量和高附加值的产品。由于深海油气输送管道的特殊性，对管线钢的可靠性和经济性提出了更高要求。深海管线钢材料必须具有较高的耐压强度和较高的低温韧性，优良的焊接性能、成形性及一定的抗腐蚀能力，这些都是需要从钢板生产和钢管制造等方面来攻克的技术难题。

（3）随着国内冶金技术、制管工艺技术及装备水平的不断进步，通过合理的成分设计和工艺控制得到最佳的显微组织，能够实现满足深海用高强度、高韧性和抗脆断、高尺寸精度、低焊接碳当量和良好焊接性以及抗腐蚀的高强度厚壁直缝埋弧焊管。

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Technical Difficulties Analysis on Development of SAW L Pipe Used for Deep-sea Pipeline w ith High Strength and Heavy W all Thickness

NIU Aijun1,2， YIN Lihong2， BIZongyue1,2，NIUHui1,2，HUANGXiaohui1,2，LIUHaizhang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji721008，Shaanxi，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.，Baoji721008， Shaanxi，China)

High strength and heavy wall thickness SAWL pipe is the development direction for deep-sea oil and gas transportation pipelines.The higher technical requirements for the reliability of deep-sea oil and gas pipeline were presented.According to the technical requirements for the high strength heavy wall thickness SAWL pipe and steel plate used for deep-sea oil and gas pipelines in high strength,high toughness,brittle fracture resistance,high dimensional accuracy,low welding carbon equivalent,good weldability and corrosion resistance,etc.It detailedly analyzed some technical difficulties existing in pipeline steelmaterial with high strength and thick wall,quality control of steel plate and steel pipemanufacturing process,etc.,proposed the solutions aswell as.

welded pipe;deep-sea pipeline； high strength pipeline steel； heavy wall thickness； longitudinal submerged arc weldedpipe(SAWL pipe)；fracture toughness

TG445

A

1001－3938（2015）11-0015-05

国家高技术研究发展计划（863计划）课题“深海高压油气输运高强厚壁管材关键技术研究”（项目号2013AA09A219）。

牛爱军（1980—），男，工程师，主要从事油气管材开发及焊接技术研究工作。

2015－03－31

李红丽