X80钢级海洋自升式钻井平台桩腿支撑管的研制

周晓锋，张传友，刘江成，鹿锋华，张国柱，边令喜

（1.天津钢管集团股份有限公司，天津 300301；2.中国石油天然气管道科学研究院，河北 廊坊 065000）

自升式钻井平台是指具有活动桩腿，且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行钻井作业的平台［1-2］。随着海洋石油开发需求的进一步增长，自升式钻井平台可以在满足经济性的前提下，向更深水域发展。新一代自升式钻井平台多采用超高强度钢、大壁厚、小径壁比的主弦管与支撑管，以减小水阻力与波浪载荷；一般采用具有高强度、高刚度的X型与逆K型管节点，并减少节点数量［3-5］。支撑管作为关键承力部件，在结构上了采用大壁厚（28~40 mm）和小径壁比（10~14）截面，以减小海水阻力与波浪载荷，增加工作水深；在选材上采用了屈服强度≥550 MPa的高强度无缝钢管，以确保承载能力。另外，考虑到钻井平台在极其恶劣的海洋环境（如海洋风暴、可变载荷、海水腐蚀）下服役的安全可靠性，对支撑管材料的-40℃低温韧性、焊接性能、疲劳性能、耐蚀性能等力学特性和使用性能都提出了极高要求。这种具有高强度、高韧性、厚规格、易焊接和服役性能优异等诸多特性的结构用无缝钢管，作为大型海洋平台结构的关键材料，是结构管中目前公认的技术难度大、要求高的产品之一。

1 性能要求

JU2000E钻井平台是美国Friede&Goldman，Ltd.设计的一种船型自升式钻井平台，该平台型长70.36 m，型宽76.00 m，型深9.45 m，悬臂梁总长55.60 m，桩腿总长166.98 m，最大作业水深122 m，最大钻井作业深度9 150 m［6］。该平台桩腿支撑管的规格为Φ323.85 mm×28.58 mm和Φ273.05 mm×21.41 mm，钢级为X80。JU2000E钻井平台用X80钢级桩腿支撑管的力学性能要求见表1。

表1 JU2000E钻井平台用X80钢级桩腿支撑管的力学性能要求

2 化学成分设计

为了满足服役条件对桩腿支撑用无缝钢管综合力学性能和焊接接头性能的要求，天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）采用降碳、低碳当量、多元合金化和微合金化设计，控制较低的碳含量以提高可焊性［7］；加入适量Ni以提高低温韧性；加入适量的Cr、Mo合金元素以控制淬火马氏体回火组织的相变强化和细晶强化；利用Si、Mn的固溶强化和Nb、V、Ti微合金化对原奥氏体晶粒的细化作用；并尽可能降低S、P等有害元素和气体含量。基于以上考虑和生产经验，天津钢管确定了X80钢级桩腿支撑管主要化学成分的上限值，具体见表2。

表2 X80钢级桩腿支撑管的化学成分（质量分数）上限值%

3 生产情况

3.1 炼钢工艺

以铁水和优质废钢为原料，采用炉外精炼、真空脱气等纯净钢冶炼技术，尽可能降低钢中的杂质元素和气体含量，采用夹杂物变性处理技术以改善夹杂物的尺寸和分布。为了保证夹杂物变性处理，增加了喂入SiCa丝的工艺，设定炼钢Pcm控制的目标值，严格控制各个元素的波动范围，确保批量生产成分均匀稳定，为后续热处理性能的稳定奠定基础。

3.2 轧管工艺

充分发挥天津钢管Ф460 mm PQF连轧管机组在轧制精度方面的优势，将无缝钢管外径公差控制在（-0.5%~+0.5%）D范围内，壁厚公差控制在（-10%~+10%）S范围内。这些指标均严于客户订货要求，可以为客户在后续的涂装施工打下良好的基础。

3.3 热处理工艺

作为新钢种，天津钢管特意测定了该钢种的Ac3温度，为917℃。以测定的Ac3为依据，制定了Φ323.85 mm×28.58 mm规格X80钢级桩腿支撑管的热处理工艺：实验室淬火温度为960℃，保温1 h，水冷；回火温度为500~700℃，间隔为50℃，保温1 h，空冷。通过试验，绘制X80钢级桩腿支撑管的强度-回火温度曲线和冲击功-回火温度关系，具体如图1~2所示。

图1 X80钢级桩腿支撑管的强度-回火温度曲线

图2 X80钢级桩腿支撑管的冲击功-回火温度关系

从图1可以看出：在相同的淬火条件下，随着回火温度的降低，强度并不是像以往管线钢逐渐升高的趋势，而是呈现先升高后降低的趋势。这主要是因为在一定淬火条件下，随着回火温度的提高，Mo、V和Nb元素在原铁素体基体内弥散析出的碳氮化物起到了二次强化的作用；但回火温度过高，析出强化作用又随着碳氮化物的过快长大而弱化。因此，在选择实际热处理工艺时，根据具体规格和具体淬火温度选择相应的回火温度，以得到合理的性能匹配。具体到JU2000E自升式钻井平台桩腿支撑管规格，可采用相同的淬火温度和不同的回火温度，结合图2回火温度≥650℃，既可以保证产品足够的强度，同时具备较高的低温韧性和较低的韧-脆转变温度。

3.4 生产性能统计

截至2015年6月，天津钢管生产JU2000E自升式钻井平台桩腿支撑管累计12 000 t，其性能统计结果如图3所示。从图3可以看出，天津钢管生产的X80钢级海洋自升式钻井平台桩腿支撑管各项性能指标均高于客户要求，特别是低温韧性。

图3 X80钢级桩腿支撑管的性能统计结果

3.5 与国外同类产品对比

将天津钢管生产的X80钢级海洋自升式钻井平台桩腿支撑管与国外同类产品进行比较，其力学性能对比见表3，化学成分对比见表4，韧-脆转变温度对比如图4所示。由表3~4、图4可以看出：在力学性能相差不多的情况下，天津钢管生产的X80钢级桩腿支撑管的低温韧性要远高于国外同类产品。这与天津钢管的钢种成分设计有关：降低了碳含量，从而减少了M/A组元脆性相的数量；提高了有利于低温韧性的Ni含量；添加了有利于通过淬火+高温回火细化组织、提高强韧性的Nb和Ti。这样也使得天津钢管产品具有较低的韧-脆转变温度，国外同类产品的韧-脆转变温度约为-36℃，而天津钢管产品韧-脆转变温度低于-80℃。这说明天津钢管生产的X80钢级桩腿支撑管可用于更低温度环境，安全性更好。

表3 X80钢级桩腿支撑管的力学性能对比

表4 X80钢级桩腿支撑管的化学成分（质量分数）%

图4 X80钢级桩腿支撑管的韧-脆转变温度对比

4 焊接工艺评价试验

JU2000E自升式钻井平台的桩腿是三角形桁架结构，需要将主弦管和桩腿支撑管焊接到一起。桩腿的主弦管、主要支撑管的材质都属于超高强度调质钢，其碳当量均较大，焊接性能较差，而且焊接接头均为钢管T、K、Y节点形式；因此，需从焊接工艺、焊接温度、焊接变形、焊接顺序、焊工管理、焊缝外观、焊后无损检测等方面加以严格控制［8］。通过焊接工艺评定，可检验按拟订的焊接工艺指导书焊制的焊接接头的使用性能是否符合设计要求，并为正式制定焊接工艺指导书或焊接工艺卡提供可靠的依据。为此依据美国焊接学会（AWS）和美国船级社（ABS）相关焊接规范进行焊接工艺评定试验［9-10］。

试样规格为Φ323.85 mm×28.58 mm，钢级为PSL2 X80Q，采用SMAW（手工电弧焊）焊接工艺，焊接位置如图5所示，打底采用LB52U Φ3.2 mm焊条，填充/盖面采用TENACITO 65R Φ4.0mm焊条，预热温度100~200℃，层间温度80~150℃，焊后在210~230℃保温2 h后空冷，48 h后进行X射线探伤，探伤合格后取样进行性能检测。Φ323.85 mm×28.58 mm试样的性能检测结果见表5，V型夏比冲击试样取样位置如图6所示；硬度压点位置如图7所示，结果见表6。

图5 Φ323.85 mm×28.58 mm试样焊接位置示意

检测结果表明：天津钢管生产的X80钢级海洋自升式钻井平台桩腿支撑管可焊性高，焊接工艺评价试验合格。

表5 Φ323.85 mm×28.58 mm试样的性能检测结果

图6 Φ323.85 mm×28.58 mm试样V型缺口夏比冲击试验取样位置示意

图7 Φ323.85 mm×28.58 mm试样的硬度压点位置示意

表6 Φ323.85 mm×28.58 mm试样的硬度检测结果 HV10

5 结 语

天津钢管在开发X80钢级海洋自升式钻井平台桩腿支撑管时，研究并解决了材料成分和组织的优化设计、高纯均质化冶炼—连铸工艺、高精度轧管工艺、热处理工艺及环焊工艺等多项关键技术问题；且产品批量生产性能稳定，各项性能指标达到或者超过国外同类产品，特别是低温韧性远远高于国外产品。目前，该产品通过了AWS和ABS焊接工艺评价试验，具有较高的可焊性，已经得到了海洋工程制造企业的认可。

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［2］张鹏飞，于兴军，栾苏，等.自升式钻井平台的技术现状和发展趋势［J］.石油机械，2015，43（3）：55-59.

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［6］霍宏博，刘政，王晶，等．JU2OOOE自升式钻井平台适用海洋环境界限研究［J］.西部探矿工程，2015（3）：41-42.

［7］李群.天津钢管集团股份有限公司成功试制出X80钢级桩腿管［J］.钢管，2012，41（2）：44.

［8］丁果林，徐捷.JU2000自升式钻井平台桩腿建造检验［J］.中国船检，2005（11）：86-88.

［9］ American Welding Society.AWS D1.1/D1.1M：2010 Structural welding code-steel［S］.2010.

［10］ American Bureau of Shipping.ABS rules for materials and welding 2014：Part 2［S］.2014.