海洋石油平台用钢的现状与发展趋势(一)

杜　伟，李鹤林

(中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室　陕西　西安　700077)



·综述·

海洋石油平台用钢的现状与发展趋势(一)

杜伟，李鹤林

(中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安700077)

摘要：归纳了海洋石油平台用钢的类别品种，包括一般强度钢、高强度钢、超高强度钢，以及耐海水腐蚀低合金钢、齿条钢、Z向钢、适合高热输入焊接钢、高强度系泊链钢、高强度铸钢等特殊用途钢种；分析了海洋平台用钢的标准体系，并介绍了欧洲标准、API标准、船级社标准以及国家标准对平台用钢的性能要求；综述了国内外平台用钢的产品开发及应用现状；最后讨论提出了海洋石油平台用钢向高强、高韧以及良好低温韧性与焊接性方向发展的趋势。

关键词：海洋平台用钢；Z向钢；齿条钢；适应高热输入焊接钢；耐海水腐蚀钢

0引言

我国海洋油气资源储量巨大，而其中石油资源探明程度约为12.3% (世界平均约为73.0%)，天然气资源探明程度约为10.9%(世界平均约为60.5%)，探明率均远低于世界平均水平，我国海洋油气资源的勘探开发潜力巨大。随着浅滩海油气资源的陆续开采，深水油气资源的勘探开发已成为必然趋势。我国深水油气资源主要集中在南海，南海石油储量达到250～300亿吨，天然气约20万亿立方米，堪称第二个“波斯湾”。深水油气资源的开发利用，强烈依赖于先进的海洋油气开发装备。2011～2015年间，全球海工装备年均投入600～800亿美元。其中，海洋石油钻井平台约282亿美元，浮式生产平台约189亿美元，海洋工程船舶约126亿美元，其他装备(包括固定式生产平台、水下设施和设备、陆上终端以及新型装备等)约200亿美元[1]。虽然当前的海工装备市场受到低油价的严峻挑战，而调查表明，低油价期同时也是相关装备、材料采购价格处于低谷的阶段。历史上国际知名石油公司及工程承包商，比如Shell、Petrobras、Seadrill、Saipem等，均曾利用低油价时机，加快了深水能力建设，为后来高油价、高服务价格期间获取丰厚利润打下坚实基础[2]。加快发展深水油气开发装备成为促进海洋油气资源高效开发的必然选择。与国外先进水平相比，目前我国海洋油气开发装备还存在一定差距，尚不完全具备在水深500 m以上海域进行油气勘探生产的技术装备，海洋石油装备材料研发及应用的落后是造成这种差距的主要原因。鉴于此，发展深水油气开发装备，需做到“材料先行”。下面即围绕海洋石油平台用钢，重点论述海洋平台用钢的主要类别、性能要求、研发与应用现状以及发展趋势。

1海洋平台用钢的主要类别

海洋平台用钢的选用需考虑构件类型、使用部位、环境温度、构件参数、使用性能、生产工艺等多个因素，并根据标准和规范的要求加以确定，以选择规格、等级合适的材料。海洋平台可以采用同一钢种、不同级别，也可以使用不同强度、不同钢种的钢材。海洋平台用钢的品种及规格众多。

表1给出了典型海洋石油平台用钢的主要品种和规格。海洋平台用钢的强度范围包括从235 MPa的一般强度钢到690 MPa调质处理的超高强度钢；涉及的材料包括A、B、D、AH36、DH36、EH36、A420、A460、A500、A550、A620、A690、D420、D460、D500、D550、D620、D690、E460、E500、E550、E620、E690等多个级别；所用钢板最薄5 mm(一般用于生活楼，以降低质量)，最大厚度可达210 mm(用于高应力水平部位，如关键构件的连接区域等)。

表1　海洋平台用钢的主要规格、品种[3]

除上述常用的一般强度钢、高强度钢以及超高强度钢外，高技术含量和高附加值的特殊钢材，如耐海水腐蚀低合金钢、齿条钢、Z向钢、适合高热输入焊接钢、高强度系泊链钢、高强度铸钢等也被用于平台特殊部件的建造。

1)耐海水腐蚀低合金钢

海洋腐蚀环境特别是近海岸腐蚀环境极为恶劣，钢在海岸的腐蚀速率比沙漠环境高400倍以上。特别是我国南海环境因其高湿热、强辐射、高Cl-含量，腐蚀性更强。因此平台设计选材时，要考虑钢材的腐蚀性能。

目前，国外生产的耐海水腐蚀低合金钢按成分系列可分为Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。国外典型耐海水腐蚀低合金钢见表2。我国耐海水腐蚀低合金钢主要有Cu系、P-V系、P-Nb-Re系和Cr-Al系等类型，如08PV、08PVRe、10CrPV等。耐海水腐蚀低合金钢因其焊接工艺复杂和制造成本较高，目前在海洋平台中的应用较少。

2)齿条钢

在自升式平台中，桩腿作为主要的承载机构，起到支撑和升降平台的作用。桩腿由桁架、齿条构成全焊接结构，并与主船体上的齿轮箱配合，实现主船体的升降和锁紧。齿条是桩腿中最具代表性的大构件，须通过厚度达120 mm以上的专用齿条钢制造。由于长期在强风暴、高腐蚀的严酷海洋环境中工作，要求齿条钢同时具备厚规格、高强度、高韧性等特点。用于北极地区油气钻探的俄罗斯Arkticheskaya自升式钻井平台，最大钻探深度为6 500 m，该平台由3个桩腿支撑，每个桩腿的升降系统均使用了130～145 mm厚度、690 MPa强度级别的齿条钢，共用钢材1 094 t[5]。由美国F&G公司设计建造，中海油采购的JU2000型CP-400自升式钻井平台，所用齿条钢厚度为180 mm，用量约2 400 t。随着海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，齿条钢的厚度不断增加，目前世界上齿条钢的最大厚度达到259 mm。图1为渤海装备辽河重工采用德国迪林根齿条钢板加工的齿条板。

表2　国外典型耐海水腐蚀钢[4]

图1　迪林根开发的齿条钢

3)Z向钢

区别于船板钢，海洋平台用钢不仅要求沿宽度方向和长度方向有一定的力学性能，而且要求厚度方向有良好的抗层状撕裂性能。这种抗层状撕裂钢又称为Z向钢。海洋平台中存在较多的T型、K型和十字型接头，这些接头位置拘束度大，当钢材厚度方向受力时，极易造成厚度方向上的层状撕裂。而层状撕裂在外观上没有任何迹象，现有的无损检测手段又难以发现，即使能判断结构中有层状撕裂，也很难修复，造成巨大的经济损失。因此，对于承受高约束，抗冲击、应变疲劳和层状撕裂的关键管节点，采用抗层状撕裂性能好的Z向钢是必要的。Z向钢是在某一等级结构钢的基础上，经过特殊处理(如钙处理、真空脱气、氩气搅拌等)和适当热处理的钢材。Z向钢根据厚度方向拉伸试样的断面收缩率的大小分为Z25和Z35两个级别。在F&G EXD半潜式平台中，355 MPa和550 MPa 级别的Z向钢用量分别为491 t和39 t。

4)适应高热输入焊接钢

焊接是海洋平台建造中的一个重要工序，如导管架平台焊接占到建造总工时的40%、总成本的50%。提高焊接线能量，免除焊后热处理，对于缩短海洋平台的制造周期和降低成本具有重要意义。但是焊接线能量增大，焊接热影响区(HAZ)的强韧性降低。国外注重大线能量焊接技术的进步，尤其是日本较早地开发了适应高热输入焊接钢。日本最初应用于寒冷地区能源开发的YP360 MPa钢板，最大厚度为70 mm，能够承受130 kJ/cm的焊接热输入[1]。目前JFE研制的YP460[6]和新日铁研制的YP390[7]适应高热输入焊接钢，可分别承受360 kJ/cm和390 kJ/cm的热输入，技术优势明显但价格昂贵。

5)高强度系泊链钢

体积庞大的移动式钻井平台，要长期停泊在狂风大浪之中，连续进行海底石油资源的勘探和开采，平台的定位至关重要，锚泊定位是其中主要的定位方式之一。锚泊定位所用系泊链(图2)使用条件苟刻，单根长2 000多米，常规直径80～130 mm，深海系泊链直径可增至180～200 mm，单根重600～1 000 t。系泊链钢具有高强度、高韧性以及低屈强比等特性。目前世界最高等级的R5级系泊链钢(抗拉强度≥1 000 MPa，屈服强度≥850 MPa)，已在“海洋石油981”平台成功应用，用量达到3 000余吨。

图2　R5系泊链

6)高强度铸钢

节点(桁与支撑相交叉的部位)是自升式、半潜式钻井平台和导管架平台的关键部位，大多采用焊接结构，在风浪等外力作用下，易产生疲劳裂纹。从上世纪七十年代起，英国、日本陆续将铸钢节点用于海洋平台，可提高疲劳寿命，降低应力集中系数同时可以减轻节点重量。表3将一座实用平台上的102个铸钢节点与焊接节点的成本、应力集中系数和疲劳寿命等进行了综合比较，可以看出，采用铸钢节点能降低成本20%，提高疲劳寿命4～18倍[8]。我国从日本订购的“渤海四号”平台使用了屈服强度超过680 MPa的铸钢节点材料。英国Sheffield Forge Masters International的大型铸钢件也已广泛用于Spar、TLP、FPSO以及导管架等海洋平台中[9]，如图3所示。

图3　大型铸钢节点

表3　一座实用平台上铸钢节点与焊接节点的比较

注：①SCF为应力集中系数。

(待续)

Status and Development Trends of Offshore Platform SteelsⅠ

DU Wei，LI Helin

(CNPC Tubular Goods Research Institute,State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi′an,Shaanxi 710077,China)

Abstract：The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized,which include general strength steel,high strength steel,ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel,Z-direction steel,high heat input welding steel,mooring chain steel and high strength cast steel,etc.).The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards,API standards,classification society standards and national standards are concluded.Then the R&D status of platform steels are discussed.Lastly,the development trends of offshore platform steels are pointed out.

Key words：offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

第一作者简介：杜伟，男，1982年生，工程师，2008年硕士毕业于北京科技大学材料学专业，现主要从事石油管的工程应用与应用基础研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

中图法分类号：TE5

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0005-03

(收稿日期：2016-04-14编辑：屈忆欣)