海洋深水钻井隔水管用钢试验研究

张 帅 任 毅 王 爽 刘文月 高 红

（鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山 114009）

海洋深水钻井隔水管用钢试验研究

张 帅 任 毅 王 爽 刘文月 高 红

（鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山 114009）

通过研究合金成分、冷却工艺对性能和微观组织的影响探索了X80海洋深水钻井隔水管用钢适宜的生产方案和微观组织类型。结果表明，当碳当量在0.40%～0.44%时，通过适宜的工艺能够达到X80隔水管用钢的技术要求，相同工艺下，碳、锰和碳当量降低，强度下降，韧性改善，脆转温度升高；冷却工艺对组织状态、亚结构和元素固溶影响明显，从而改变相变、位错、固溶和细晶等强化及韧化效果；BF（贝氏体铁素体）＋GB（粒状贝氏体）＋少量QF（准多边形铁素体）的复合组织和QF＋GB的复合组织均能满足X80隔水管用钢的性能要求，晶粒细化和适宜的组织类型是获得优异性能的重要保障。

钻井隔水管 X80 合金元素 冷却工艺 显微组织

随着世界能源消耗的不断增多和陆路油气资源的逐渐枯竭，海底油气资源的开采日益受到重视［1］；未来开采海底油气所需的钻井船和石油平台有望大幅生产和应用。钻井隔水管是连接海底井口和钻井设备的重要组成部分，是海洋钻井的关键设备之一［2-3］，服役条件复杂，不仅要受到海流、波浪等环境因素影响，工作时还承受如涡激震动、周期扭转、旋转弯曲等复杂多变的应力和载荷。因此为保证安全性和稳定性，海洋深水钻井隔水管用钢通常采用X80级别，在材料的合金成分、横纵向强度、低温韧性等方面均较普通管线钢有更苛刻要求。

海洋深水钻井隔水管用钢技术要求和质量评价主要遵循美国石油协会（API）和挪威船级社（DNV）规范［4-5］。目前，国外对X80级隔水管用钢的研究已取得一定进展，而国内的相关研究才刚刚起步；深化X80级隔水管用钢的研制工作对加速我国深海油气资源开采的意义重大。本文通过相关试验重点研究了X80隔水管用钢的合金设计、生产工艺与性能、微观组织的相关性，探索适宜的生产技术方案以期为工业化生产提供参考。

1 试验材料及方法

试验钢由两种不同成分的铸坯试制，采用高C高Mn和低C低Mn两种设计方案，配以Ni、Mo、Cu、Cr、Nb、Ti等合金元素，碳当量CEIIW分别为0.44%和0.40%，其中，C、S元素采用CS600碳硫测定仪进行测定，其他合金元素采用Avanta AAS原子吸收光谱仪测定，具体化学成分见表1。

铸坯厚250 mm，经相同工艺加热后采用再结晶区和未再结晶区两阶段控轧成厚15.88 mm钢板，随后空冷到一定温度再加速水冷到设定温度，其精轧及冷却工艺见表2。采用两种不同的试制工艺研究成分和冷却工艺对材料的影响；与工艺1相比，工艺2的开冷温度低，终冷温度高。试验钢号中首位表示铸坯号，末位表示工艺号。

表1 试验钢化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of test steels（mass fraction） %

表2 试验钢轧制和冷却工艺Table 2 Rolling and cooling processes of the test steels

沿试验钢的横向和纵向截取试样进行拉伸、冲击、落锤和硬度测试。拉伸试验在Z1200拉伸试验机上进行，采用φ12.7 mm的圆棒试样；冲击试验在JBN-500冲击试验机上进行，试样规格为10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口，冲击试验温度0～－60℃；落锤试验在JL-50000落锤试验机上进行，试验温度－20℃；硬度测量在FV-300维氏硬度试验机上进行；同时，利用DMIRM光学显微镜、背散射电子衍射技术（EBSD）及透射电镜（TEM）对材料的微观组织进行观察和分析。

2 试验结果

2.1 强度和硬度

试验钢的拉伸性能如表3所示。可见，1-1、1-2、2-1试验钢的性能均达到技术要求，2-2钢的纵向屈服强度偏低。对用同一坯料试制的试验钢而言，采用工艺1时材料强度较高，采用工艺2时屈服强度和抗拉强度均明显降低，但塑性略有改善，屈强比也有所下降。相同工艺条件下，采用坯料1试制的试验钢强度明显高于坯料2，说明C、Mn和CEIIW的升高能够有效提高材料的强度。

表3 试验钢的拉伸性能Table 3 Tensile properties of the test steels

沿试验钢的厚度方向进行硬度测量，连续测量9个点，其结果如图1所示。试验钢硬度从高到低依次是1-1、1-2、2-1、2-2，但相互间差异不大；试验钢硬度变化趋势与拉伸强度基本一致。

2.2 冲击韧性

试验钢的冲击性能如图2所示。可以看出，采用坯料2试制的2-1、2-2试验钢的冲击性能明显高于采用坯料1试制的1-1、1-2试验钢。同时，1-1、1-2试验钢冲击性能受温度的影响较大，随着温度下降冲击能量明显降低，但在－60℃时冲击能量仍能够保持在250 J以上；2-1、2-2试验钢的冲击性能对温度的敏感性较低，－60℃时横、纵向冲击能量均在420 J以上。

图1 试验钢的硬度测量结果Fig.1 Hardness test results of the test steels

试验钢的落锤试验结果见表4，其中1-2试验钢的断口形貌见图3。从表4中可以看出，试制的4块试验钢板的落锤性能均达到了技术要求且具有一定的富余量，其中，1-1、1-2试验钢的落锤性能略低于2-1、2-2试验钢。

2.3 微观组织

图4为试验钢的微观组织形貌。可见，试验钢1-1、1-2的组织以贝氏体为主，包含少量的准多边形铁素体（QF），其中1-2试样组织中粒状贝氏体（GB）和准多边形铁素体的比例略高于1-1试样；试验钢2-1、2-2组织以QF＋GB为主，QF比例和晶粒尺寸较1-1、1-2试验钢有所增大。

图2 试验钢的冲击性能随温度的变化Fig.2 Charpy V-notch impact toughness as a function of temperatures for the test steels

表4 试验钢的落锤性能Table 4 Drop performance of the test steels

图3 1-2试验钢的落锤断口形貌Fig.3 DWTT fracturemorphology of the test steel 1-2

3 分析与讨论

3.1 钢的成分与组织性能的相关性

在管线钢中C、Mn有效增加淬透性，可以显著提高材料强度和硬度；其中，在亚共析范围内，随着C含量的增加，抗拉强度不断提高，而Mn则通过固溶强化的方式影响材料强度；Ni、Mo、Cu、Cr也是管线钢中重要的强化元素，可以弥补部分C、Mn含量降低引起的强度损失。碳当量CEIIW可以看作是合金元素对强度影响的评价指标，随着CEIIW的增加管线钢的强度呈非线性的升高趋势［6-8］。其主要原因是，CEIIW的增加促进了固溶强化，同时合金元素提高了α相的形核功和转变激活能，使γ相中原子结合力增大，提高了奥氏体稳定性，抑制了多边形铁素体的转变，使微观组织中贝氏体等硬相比例增大，即相变强化效果增强，从而引起强度提高。从试验钢的强度和微观组织来看，相同工艺条件下，碳当量为0.44%的1-1、1-2试验钢组织以贝氏体为主，准多边形铁素体转变受到抑制，强度明显高于碳当量为0.40%的2-1、2-2试验钢，后者组织中存在大量准多边形铁素体。但总体来看，采用两种成分试制的试验钢在适当工艺下均可以达到X80级隔水管用钢的强度要求，若同时考虑制管过程中的加工硬化、焊接性等，与钢板相比，X80钢管强度会进一步升高，强度富余量较低的2-1试验钢在制管后也完全能够达到理想的强度，其焊接性也更为优异。

钢的韧性断裂强度可以用式σc＝（2Gγ／K）×d－1／2来描述，其中，σc为断裂强度，G为切变模量，γ为表面能或塑变能，K为常数，d为有效晶粒尺寸。可以看出，材料的断裂强度受γ和d的影响。碳是影响试验钢塑性和韧性的最主要因素；碳含量增加，促进碳化物和中低温组织等“硬相”形成，同时碳又以间隙固溶形式存在于点阵间隙，造成较大的晶格畸变，使材料塑变能力、起裂能和裂纹扩展能减小，从而导致韧性降低，脆转温度升高。从试验钢的冲击韧性和落锤性能来看，碳含量较高的1-1、1-2试验钢的韧性明显低于碳含量低的2-1、2-2试验钢且对温度更为敏感。

采用EBSD分析了2-1、2-2试验钢的晶粒取向分布情况，如图5所示。可见，试验钢组织中存在大量角度≥15°的大角度晶界，有研究表明［9］，当裂纹要扩展通过时需要消耗大量能量，因此，大角度晶界能够有效阻碍裂纹扩展，从而发挥止裂作用。另外，计算得到2-1、2-2试验钢的有效晶粒尺寸约2.32μm和2.57μm，细小的晶粒对提高试验钢强韧性发挥了良好的作用。

图4 试验钢的显微组织Fig.4 Microstructures of the test steels

图5 试验钢晶粒位向差≥15°的取向分布图Fig.5 Distributions of grainswith misorientation of≥15°in the test steels

3.2 冷却工艺与组织性能的相关性

3.2.1 开冷温度

从表3试验钢的拉伸性能来看，开始冷却温度的降低和终冷温度的升高导致了强度的下降。试验钢精轧后组织以高势能的形变奥氏体为主，处于亚稳定状态，相变驱动力大且内部存在大量的能量起伏和结构起伏位置，极易发生铁素体形核。在终轧和开冷温度区间，一方面合金元素的扩散能力强，容易形成先共析铁素体相变所需的贫碳区，另一方面合金元素容易脱溶从而降低固溶强化效果；还有晶粒内位错在此温度区间也会发生回复，再加上先共析铁素体增加导致的位错密度减小（如图6所示），最终导致试验钢强度下降。因此，开始冷却温度越低，终轧和开冷温度区间越大，材料在此区间空冷停留时间越长，其相变、固溶、位错强化效果降低，宏观上导致了强度下降，微观上促进了组织中先析铁素体比例的增加。

图6 试验钢组织中的位错Fig.6 Dislocation in the test steels

3.2.2 终冷温度

试验钢的加速冷却过程使组织中未转变的奥氏体最终转变为贝氏体和M／A。终冷温度不同，所形成的贝氏体组织的形态、亚结构、碳化物和M／A岛分布状态不同；终冷温度降低，BF片条增多且细化，晶粒内亚结构、位错增加，使强度上升；同时，在T4（350～380℃）温度附近试验钢中Mo、Cr、Mn等置换固溶元素不具备显著扩散能力，C等间隙固溶元素的扩散也会受到抑制，使合金元素处于过饱和固溶状态，且终冷温度越低，过饱和度越大，致使强度升高。

4 结论

（1）碳、锰和碳当量对X80海洋深水钻井隔水管用钢的强度有显著影响，相同工艺条件下，随着碳、锰含量和碳当量降低，强度下降、韧性提高；碳当量在0.40%～0.44%时，利用适宜的生产工艺能获得满足技术要求的X80隔水管用钢。

（2）冷却工艺对组织中铁素体比例、贝氏体形貌、亚结构和元素固溶等都会产生影响，从而最终影响材料性能；对X80隔水管用钢而言，结合钢的成分选择适当的冷却工艺从而充分发挥多种强化、韧化效果是获得良好性能的保证。

（3）以贝氏体为主的BF＋GB＋少量QF的复合组织和以QF＋GB为主的复合组织均能满足X80隔水管用钢的性能要求，可以根据强韧性控制目标的需求自行选择。

［1］董晓明，张忠铧，尹卫东，等.深井开发用超高强度高韧性套管组织对韧性的影响研究［J］.上海金属，2015，37（5）：1-5.

［2］刘彩虹，杨进，曹式敬，等.海洋深水钻井隔水管力学特性分析［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：28-31.

［3］石晓冰，陈平.三维载荷对海洋深水钻井隔水管强度的影响分析［J］.天然气工业，2004，24（12）：86-88.

［4］彭朋，陈国明.海洋钻井隔水管适用性评价技术研究［J］.石油机械，2008，36（5）：11-14.

［5］王建军，林凯，宫少涛，等.海洋深水钻井隔水管材料性能标准研究［J］.天然气工业，2010，30（4）：84-90.

［6］王晓香.管线钢焊接常用的集中碳当量公式［J］.焊管，2004，27（2）：71-73.

［7］贾书君，刘清友，段琳娜.X100热轧钢带的组织与性能［J］.材料热处理学报，2014，35（增刊）：77-82.

［8］郝瑞辉，高惠临，丛晖，等.合金元素在高级管线钢中的作用与控制［J］.上海金属，2006，28（1）：58-62.

［9］DIAZ-FUENTESM，IZA-MENDIA A，GUTIERREZ I.Analysis of differentacicular ferritemicrostructures in low-carbon steels by electron backscattered diffraction［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2003，34（11）：2505-2516.

收修改稿日期：2016-01-18

Experimental Investigation of Deep Water Drilling Riser Steel

Zhang Shuai Ren Yi Wang Shuang Liu Wenyue Gao Hong
（Technical Center of Anshan Iron＆Steel Co.，Ltd.，Anshan Liaoning 114009，China）

Influence of alloy elments and cooling process on mechanical properties and microstructure of X80 deep water drilling riser steel was analyzed，and suitable production scheme and microstructure were researched.Results indicated that the carbon equivalent（CEIIW）should be controlled in the range of 0.40%to 0.44%to meet the property requirements of X80 drilling riser steel.Themicrostructure，substructure and alloy solution was influenced strongly by cooling process，aswell as the property of the steels.Complex microstructures of BF（bainite ferrite）＋GB（granular bainite）＋QF（quasi-polygonal ferrite）or QF＋GB were appropriate for X80 drilling riser steel，and fine grain and proper type ofmicrostructure was the key to obtain excellent property.

drilling riser，X80，alloy elments，cooling process，microstructure

张帅，男，硕士，高级工程师，主要从事钢铁新产品研究，Email：shzh0101＠sina.com