X80Q钢级海洋桩腿支撑管的研制

卓　钊

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳421000）



X80Q钢级海洋桩腿支撑管的研制

卓钊

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳421000）

摘要：介绍了X80Q钢级海洋桩腿支撑管的化学成分和设计方案；归纳了生产过程中的工艺控制要点，通过试验确定其最佳热处理工艺；并评定其力学性能和焊接工艺。试验结果表明：以低C含Mn钢为基础，加入Cr、Mo、Ni、V、Ti、Nb等微合金元素可提高X80Q钢级海洋桩腿支撑管的强度，细化晶粒，降低其过热敏感性；在淬火温度930℃、回火温度625℃时，其组织均匀、晶粒细小；产品力学性能和焊接性能较好，能满足用户要求。

关键词：海洋桩腿支撑管；X80Q钢级；热处理；力学性能；焊接性能；设计方案

卓钊（1981-），男，硕士，工程师，主要从事管线管产品研发及合同评审工作。

随着石油勘探开采向海洋的战略转移，海洋石油装备的市场需求进一步加大［1］。海洋桩腿支撑管主要用于海洋油气钻井平台，复杂多变的海洋环境决定了海洋桩腿支撑管的各项技术指标要求极高，不仅需要有很高的耐大气腐蚀和耐海水腐蚀性能，还应具有高强度、高韧性、易焊接等特性。2013 年11月，衡阳华菱钢管有限公司成功开发出Φ273.05 mm×21.41 mm等规格X80Q钢级海洋桩腿支撑管，经ABS（美国船级社）和CCS（中国船级社）检验，产品的拉伸性能、冲击韧性、伸长率、硬度、焊接性能、表面质量和尺寸精度等均符合标准要求，并成功实现批量生产。在此将重点介绍X80Q钢级海洋桩腿支撑管的研发。

1　产品主要技术要求

X80Q钢级海洋桩腿支撑管的化学成分、力学性能按API Spec 5L—2012标准中的PSL2规范要求执行，具体见表1～2。

除了上述基本性能要求外，客户还要求评定钢管的焊接性能。

表1　X80Q钢级海洋桩腿支撑管的化学成分（质量分数）要求　%

表2　X80Q钢级海洋桩腿支撑管的力学性能要求

2　钢的化学成分设计

由于服役条件较为苛刻，海洋桩腿支撑管必须具有较好的低温冲击韧性和良好的焊接性能。随着C含量的增加，钢的强度、硬度提高而塑性、韧性却下降，焊缝的裂纹敏感性增加［2］。而C元素又是对碳当量贡献最大的元素。因此，为确保钢材具有良好的焊接性能，本研究中X80Q钢级海洋桩腿支撑管w（C）控制在0.12%以内。在C含量不高的情况下，为了提高钢的淬透性，需加入其他合金元素。Mn能显著降低钢的Ar1温度和奥氏体相变速度，从而提高钢的淬透性，但过高的Mn会使钢的过热敏感性和回火脆性增加，故Mn含量设计为不超过1.80%；V、Ti、Nb等微合金元素能提高钢的强度，并能细化晶粒，降低过热敏感性；Cr、Mo等元素能显著提高钢的淬透性。

（1）根据国内高钢级管线管的成分设计经验，以低C含Mn钢为基础，加入Cr、Mo、Ni、V、Ti、Nb等微合金元素［3-4］，经过适当的工艺控制，使各种合金元素合理分布，发挥合金元素各自的作用，以沉淀强化、细晶强化等方式保证材料的强度和韧性［5］。添加适量的Nb、Ti等微合金元素可以提高材料的韧性，Ti是强烈的氮化物形成元素，微量的Ti可以捕捉钢中游离的N，以TiN质点的形式弥散析出，同时Nb和Ti形成的碳化物能稳定焊接区域骤热急冷时C在基体组织中的固溶度，从而改善钢的焊接性能［6］。

（2）控制钢中有害元素。S含量高容易引起硫化物应力腐蚀和产生氢致裂纹，尤其当油气中含有H2S、CO2等腐蚀性气体时［7］。因此，w（S）应小于0.005%，控制Ca/S≥1以便对硫化物夹杂进行球化处理，降低氢致裂纹发生率［8］。P、As、Sn等元素对钢的质量和性能会产生不利影响，在工艺许可的情况下，应尽可能降低它们的含量。

3　试制过程

3.1生产工艺流程

优质废钢、生铁→90 t电炉冶炼→LF+VD精炼→弧形连铸→冷床冷却→坯料检验、修磨→坯料锯切→环形炉加热→穿孔→连轧→步进炉再加热→高压水除鳞→定径→冷床冷却→切管→矫直→探伤→调质→矫直→探伤→静水压试验→人工检验→测长、称重→入库。

3.2炼钢

以90 t电炉配合钢包炉及真空脱气精炼炉炼钢，由弧形连铸机制成Φ330 mm连铸坯。电炉采用泡沫渣工艺，前期低温快速脱磷，后期快速脱碳、去气、去夹杂。炉外精炼采用LF+VD全程吹氩工艺，精炼过程使用铝粒和碳化钙进行脱氧，分批均匀加入，保持良好的精炼还原气氛。

3.3轧管

采用Φ330 mm连铸坯在Φ340 mm连轧管机组进行热轧生产。将3 600 mm长定尺坯在环形炉加热至1 270℃，通过锥形穿孔机轧制成Φ415 mm×33 mm×7 300 mm的毛管，再经限动芯棒连轧管机轧制成Φ351 mm×20.8 mm×13 700 mm的荒管，荒管经过步进炉再加热后由微张力减径机减径为Φ273.05 mm×21.41 mm的两倍尺钢管，经过冷床冷却后进入精整线进行后续工序处理。

3.4热处理

热轧后的钢管机械性能不能满足标准要求，因此必须进行热处理。为了降低材料的屈强比和脆性转变温度，钢管在热轧并自然空冷后进行离线淬火+高温回火，使钢管的组织更加均匀细致，从而提高钢管强度和韧性，以弥补合金含量低的不足［9］。3.4.1淬火温度

钢的成分越均匀，其耐腐蚀性能越好。若淬火温度过低，存在未溶碳化物，奥氏体组织不均匀，奥氏体中固溶的C及其他合金元素含量较低，淬火后马氏体的强度偏低，影响钢的强度和断裂韧性。若淬火温度过高，将导致晶粒粗大，钢的冲击韧性和裂纹扩展功降低，冷脆区域增加［10］。

根据奥氏体转变结束温度Ac3=910-320w（C）-14w（Ni）-12w（Cu）-10w（Mn）+5w（Cr）+14w（Mo）+ 18w（Si）公式计算出该X80Q钢级钢的奥氏体化温度约为870℃［11］。由于该钢中含有一定的Mn、Cr、Mo、Ti、Nb等合金元素，Mn是扩大γ相区元素，Mo和Cr则是缩小γ相区元素，Ti、Nb在抑制高温奥氏体化时晶粒异常长大［12］。综合上述因素，选择淬火温度为930℃。

3.4.2回火温度

回火的目的是消除淬火时产生的残余应力，提高钢的塑性和韧性，并稳定组织及尺寸［13］。在进行回火处理时，选择合适的回火温度和回火时间对材料的性能有较大的影响。930℃（误差为±3℃）淬火后的样管，取样分别在615℃、625℃、635℃、645℃4个温度（误差为±3℃）进行了实验室回火试验，回火时间控制为100 min。综合考虑屈服强度、抗拉强度、冲击功和伸长率等性能指标，将工业生产的回火温度确定为625℃。

4　试制结果及质量评价

4.1钢的成分和性能

试制的X80Q钢级海洋桩腿支撑管的化学成分和实验室不同回火温度下的力学性能数据见表3～ 4。由表4可知：回火温度615～645℃，屈服强度、抗拉强度变化较为明显；在保温时间相同的情况下，试验钢的屈服强度、抗拉强度随回火温度的升高而降低。现场批量生产热处理工艺：930（±5）℃淬火+625（±5）℃回火，热处理后的钢管各项性能指标均满足标准及客户要求，力学性能见表5。

表3　试制的X80Q钢级海洋桩腿用支撑管的化学成分（质量分数）　%

表4　实验室不同回火温度下X80Q钢级海洋桩腿支撑管试样的力学性能

4.2钢的金相组织

X80Q钢级海洋桩腿支撑管的回火态组织如图1所示。回火态X80Q钢级海洋桩腿支撑管的组织比较均匀，晶粒细小，符合钢种研发的要求。

4.3焊接性能评定

采用焊条电弧焊，选用合适的焊接材料和焊接规范进行对接焊接试验，并进行焊接工艺评定。环焊缝接头的焊缝质量、对接环焊缝接头的侧弯试验和刻槽锤断试验结果均符合API 1104—2005《管道及相关设施焊接标准》标准要求。

5　结　论

采用微合金化技术，以低C含Mn钢为基础设计出X80Q海洋桩腿支撑用管的化学成分，并通过试验确定其最佳热处理工艺。试制结果表明：X80Q钢级海洋桩腿支撑用管成分符合标准及用户要求；钢管的组织均匀、晶粒细小，力学性能和焊接性能较好，满足用户的要求。

表5　工业生产X80Q钢级海洋桩腿用管的力学性能

图1　X80Q钢级海洋桩腿支撑管的回火态组织

6　参考文献

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Research and Development of X80Q Steel Tube Used as Offshore Platform Leg Support

ZHUO Zhao
（Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421000，China）

Abstract：Elaborated in the paper are the chemical composition and design scheme of the X80Q steel tube used as the offshore platform leg support. The key process control points for manufacture of the tube are summarized，and the best heat treatment process is determined via relevant tests. Furthermore，the mechanical properties of and welding process for the tube are evaluated. The test results lead to such a conclusion that with low C and Mn-% containing steel as the base material，and owing to addition of micro-alloy elements namely，Cr，Mo，Ni，V，Ti and Nb，the strength of the tube is enhanced，and its grains are refined to reduce its thermal sensitivity. With 930℃quench temperature and 625℃temper temperature，the tube possesses homogeneous microstructure and fine grains. Moreover，both the mechanical properties and welding performance of the tube are good，and satisfactory to the customer requirements.

Key words：steel tube as used for offshore platform leg support；St. G. X80Q；heat treatment process；mecha-% nical properties；welding performance；design scheme

收稿日期：（2015-01-21；修定日期：2015-08-21）

中图分类号：TG335.7；TE931+.2摇

文献标志码：B摇

文章编号：1001-2311（2016）01-0023-04