高尺寸精度深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管性能研究*

牛爱军，户志国，牛 辉，李 颖

（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 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司，河北 秦皇岛 066206）

高尺寸精度深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管性能研究*

牛爱军1,2，户志国3，牛 辉1,2，李 颖3

（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 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司，河北 秦皇岛 066206）

为了适应恶劣深海服役工况和复杂作业因素对深水钻井隔水管力学性能及外观尺寸精度的严格要求，研制了X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管，并按照相关标准要求对试制钢管的力学性能和外观几何尺寸进行了检测。检测结果表明，试制钢管不但具有高强度、强低温韧性及低硬度等特点，而且钢管的直径、椭圆度、壁厚、直线度等外观几何尺寸也得到严格控制，钢管的力学性能和尺寸精度均达到研制目标要求。

焊管；深水；钻井隔水管；直缝埋弧焊管；高强度；力学性能；几何尺寸

Abstract:In order to adapt to the strict requirements of inclement deep sea service condition and complex operation factors on deep-water drilling riser mechanical properties and appearance of dimensional accuracy,it developed X80 grade Φ 533.4 mm×25.4 mm deep-water drilling riser longitudinal submerged arc welded pipe,and in accordance with the relevant standards requirements conducted detection for the mechanical properties of trial-manufactured steel pipe and appearance geometric dimensions.Test results showed that the trial-manufactured steel pipe not only possesses the characteristics of high strength,strong low temperature toughness,low hardness etc.,but also the pipe diameter,ovality,wall thickness,straightness,and appearance geometric dimensions all be strictly controlled.The mechanical properties of steel pipe and dimensional accuracy reached development goal requirement.

Key words:welded pipe;deep-water;drilling riser;longitudinal submerged arc weldedpipe;high strength;mechanical properties;geometric dimensions

海洋钻井隔水管是从海洋钻井平台（或钻井船）通往海底井口防喷器（BOP）装置的液体输送管道，主要用来隔离外界海水，用于钻井液循环、安装水下BOP、支撑各种控制管线（主要包括节流和压井管线、钻井液补充管线、液压传输管线等），并起到钻杆、钻井工具从钻台到海底井口装置的导向作用[1-3]，是海洋深水油气勘探开发的一个重要装备单元。

海洋钻井隔水管作业环境条件复杂，实际工作中不仅要受海流、海浪、浮力、海水外压、平台移动等载荷作用，同时还要受内部钻井液压力、钻杆摩擦、张紧拉力等多种因素的影响[4]，服役环境较为苛刻。另外，隔水管工作时是多根组件安装连接形式，随平台钻井搬迁和海况变化等需经常拆卸和安装，对管体质量提出了较高要求。所以海洋钻井隔水管是一种具有高风险、高难度、高技术的石油钻井装备[5]。

单根隔水管是钻井隔水管系统的主体，一般单根长度为22.86 m，最长不超过27.43 m，壁厚一般为15.9 mm、19.1 mm、25.4 mm[6]。常用海洋钻井隔水管的直径有533 mm、406 mm和375 mm等几种规格，且有向小型化发展的趋势[7]。管线钢材料是当前隔水管制造所用的主流材质，主要以X65～X80等系列钢种为主，其特点是刚性好，抗海流、海浪等外载能力强，目前超深水隔水管材料以X80钢为主[8]。

近年来，随着海洋勘探技术的不断进步，我国深水油气勘探开发的能力已经超过3 000 m水深。隔水管是海洋钻探工作中必不可少的关键装备之一，多年来，我国海洋钻井隔水管一直依赖于进口。随着我国石油装备技术的不断进步，目前已具备研究和开发拥有自主知识产权的深水钻井隔水管的条件和技术。本研究重点介绍了一种自主研发的具有高尺寸精度的X80钢级深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管。

1 研制目标

钢管的性能和尺寸精度是隔水管质量要求中的重要内容。钢管椭圆度和管径误差是影响现场施工对接施焊的最直接因素。海洋钻井隔水管的使用环境极其特殊，会受到浪涌、涡激振动、深水压力、洋流环境等因素的影响，同时还会发生海水腐蚀，因此对海洋钻井平台隔水管主管质量提出了严格要求，海洋钻井隔水管主管不仅需具有较高的强度、较低的屈强比，还需具有较高的低温韧性，尤其对钢管的外观几何尺寸精度要求更高[9]。椭圆度好、管径误差小的钢管，在高输送压力服役下的各个方向应力均衡，能够为管线施工提供良好的质量保障。因此，具有良好的力学性能和高尺寸精度的隔水管，是提高隔水管系统的现场安装效率，并保证隔水管系统抵抗深水压溃的重要保障。

宝鸡石油钢管有限责任公司（以下简称宝鸡钢管）进行了X80深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管的研制。由于现有的国内外标准中，没有明确针对钻井隔水管材料性能的标准，无法对研制出的隔水管进行性能评价。通过综合分析API SPEC 5L、DNV-OS-F201、 API SPEC 16F、API RP 16Q、API SPEC 16R、 API RP 2RD、 ISO 13628-7/API RP 17G等国际标准以及SY/T 10037、SY/T 6558等行业标准中与钻井隔水管相关的管材性能要求，并参考国外钢管制造企业依据API SPEC 5L标准生产的X80钢Φ533.4 mm×25.4 mm深水钻井隔水管的力学性能及外观尺寸检测结果[10-16]，同时结合国内正在研发的深水钻井隔水管系统对X80隔水管用直缝埋弧焊接钢管的现场使用要求，制定了X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm隔水管用直缝埋弧焊接钢管的研制目标，主要技术指标见表1。从表1可看出，研制目标在力学性能方面主要参考了API SPEC 5L标准，但对屈强比、伸长率及硬度等指标提出了更高的要求，在管径、壁厚、椭圆度、直线度偏差等外观几何尺寸方面，相比API SPEC 5L标准及国外钢管的实物检测结果，控制指标更加严格。

表1 X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管的主要研制目标

2 性能分析

根据制定的X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm隔水管用直缝埋弧焊接钢管研制目标，宝鸡钢管采用国内钢厂生产的X80钢级25.4 mm钢板，在其子公司中油宝世顺钢管有限公司的JCOE生产线上完成了该规格直缝埋弧焊管的生产试制，并对该试制钢管的力学性能及外观几何尺寸进行了检测。

2.1 钢管力学性能

2.1.1 拉伸性能

在钢管管体和焊接接头位置分别取拉伸试样，管体拉伸试样包括管体横向和纵向试样，试样类型分为矩形板状试样和圆棒试样两种，焊接接头采用横向矩形试样。拉伸试验依据ASTM A370:2014标准，矩形板状试样和圆棒试样的拉伸试验分别在WAW-Y1000C和WDW-200E型号的拉伸试验机上进行，试验结果见表2。

表2 试制的X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm直缝埋弧焊管拉伸试验结果

对比表2和表1可以看出，试制钢管所有试样的拉伸性能指标均满足API SPEC 5L标准要求，也达到了隔水管研制目标。

2.1.2 冲击韧性

在钢管距焊缝90°位置处取横、纵向管体冲击试样，在焊缝处取焊缝、熔合线、熔合线+2 mm及熔合线+5 mm冲击试样进行系列温度下的夏比冲击试验。试样规格10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为－40℃。依据GB/T229—2007在PSW750型号冲击试验机上进行试验，结果见表3。

由表3可知，在－40℃低温下，管体冲击功最小值303J，焊接接头在熔合线位置的冲击功最小值93J，钢管管体及焊接接头都具有优良的低温韧性。

表3 试制的X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm直缝埋弧焊管冲击试验结果

2.1.3 硬度

在钢管焊接接头处取硬度试样，对焊接接头的母材、热影响区及焊缝进行维氏硬度检测，维氏硬度试验压痕位置如图1所示。依据GB/T 4340.1—2009采用HSV-30硬度计检测硬度，结果见表4。

由表4可见，焊接接头母材部位的平均硬度值为212.3HV10，热影响区部位的平均硬度值为201.1HV10，焊缝部位的平均硬度值为216.8HV10，整个焊接接头处的最大硬度值为223HV10，满足研制目标中硬度值≤248HV10的要求。

2.2 钢管外观几何尺寸

2.2.1 直径、椭圆度及直线度

图1 维氏硬度试验压痕位置示意图

表4 维氏硬度检测结果

钢管直径（D）测量是在钢管长度方向上等间隔测量10处，在每处测量截面的圆周方向上等间隔测量3个位置的直径数据。钢管的椭圆度是按照每个测量截面的最大和最小直径测量值的差（Dmax－Dmin）来计算。钢管直径及椭圆度的测量结果见表5。采用椭圆度测量仪测量钢管管端椭圆度的界面如图2所示。

表5可看出，试制钢管的最大直径534.3 mm，最小直径532.2 mm，均在钢管直径的控制目标范围之内，钢管椭圆度最大值1.8 mm，最小值0.6 mm，钢管全长的直线度2.5 mm。由此而见，试制钢管的直径、椭圆度及直线度等外观几何参数得到精确的控制。从图2可见，采用椭圆度测量仪测量钢管两端的椭圆度分别为1.8 mm和2.0 mm，与人工测量的钢管椭圆度稍有差异，这主要是由于人工测量不能精确找到钢管直径的最大和最小值点，但所有测量结果均达到目标控制指标要求。

表5 试制钢管直径及椭圆度测量结果

图2 椭圆度测量仪测量钢管管端椭圆度的界面

2.2.2 壁厚

钢管的壁厚（t）测量是在钢管长度方向上等间隔测量10处，在每处测量截面的圆周方向上等间隔测量3个位置的直径数据。钢管的壁厚偏差是按照每个测量截面的最大和最小壁厚测量值的差来计算，即tmax－tmin。钢管的壁厚测量结果见表6。

表6 试制钢管壁厚测量结果

表6可看出，试制钢管最大壁厚25.81 mm，最小壁厚25.35 mm，壁厚最大偏差0.46 mm，在同一截面圆周检测的壁厚最大偏差0.23 mm，壁厚偏差范围较小，壁厚及壁厚偏差均在目标控制范围之内。

在钢管外径和壁厚及其偏差范围得到精确控制后，钢管的内径及其椭圆度等外观精度也得到了有效的控制。经对内径椭圆度进行检测，内径椭圆度最大值1.0 mm，最小值0.5 mm。与国外生产的同规格的隔水管用直缝埋弧焊接钢管相比，试制钢管在管径、椭圆度、壁厚及直线度等钢管外观几何尺寸精度控制上优于国外钢管[17]。

3 结 论

（1）深水钻井隔水管作为深水油气勘探开发的一个重要装备单元，受恶劣的深海服役工况和复杂的作业因素的影响，要求深水钻井隔水管具有良好的力学性能和高的外观几何尺寸精度。

（2）结合国内深水钻井隔水管系统国产化研制需要，研制出X80钢级Φ533.4 mm×25.4 mm深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管，试制钢管不仅具有强度高、低温韧性强及硬度低等优异的力学性能，而且钢管的直径、椭圆度、壁厚、直线度等几何外观也具有较高的尺寸精度，力学性能和尺寸精度均达到研制目标要求。

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Performance Research on Longitudinal Submerged Arc Welded Pipe with High Dimensional Accuracy Used for Deepwater Drilling Riser

NIU Aijun1,2,HU Zhiguo3,NIU Hui1,2,LI Ying3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China）

TE951

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.001

2017-02-04

编辑：谢淑霞

国家高技术研究发展计划（863计划）课题“深水钻井隔水管系统工程化研制”（项目编号2013AA09A222）。

牛爱军（1980—），男，陕西武功人，高级工程师，主要从事油气管材的新产品开发、新工艺、新技术研究工作。