海洋平台结构用大口径厚壁X70Q PSL2无缝钢管的研制

林发驹,吴 红,王西江,陈 雨,陈晓娟

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

海洋平台结构用大口径厚壁X70Q PSL2无缝钢管的研制

林发驹,吴 红,王西江,陈 雨,陈晓娟

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

浩瀚的海洋蕴藏着丰富的资源,世界各国都在加快海洋资源开发和利用。作为开采海洋油气资源重要设施之一的自升式钻井平台,其结构支撑管采用大口径厚壁高钢级的无缝钢管,目前主要依赖于进口。为了减少对进口的依赖,实现国产化,攀成钢公司根据自身的工艺装备情况,并针对海洋钻井平台结构支撑管的服役条件及特点,通过对化学成分设计及轧制工艺、热处理工艺的研究,成功开发出大口径厚壁海洋钻井平台结构支撑管用X70Q PSL2无缝钢管,其综合性能优良,完全满足用户的设计和使用要求。

海洋资源;钻井平台;大口径厚壁;综合性能

1 引言

浩瀚的海洋蕴藏着丰富的资源,主要包括海洋矿产资源、海洋可再生能源、海洋化学资源、海洋生物资源和海洋空间资源等五大类。以海洋油气资源为代表的海洋矿产资源是当前世界海洋资源开发的重点和热点,技术相对成熟,装备种类多,数量规模较大,是未来5～10年产业发展的主要方向。面对海洋资源开发这一不断成长的新兴市场,世界各国都在加快海洋资源开发和利用。

作为开采海洋油气资源重要设施的海洋平台,是在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物,按其结构特性和工作状态可分为固定式、活动式和半固定式三大类。自升式钻井平台属于活动式海洋平台之一,其结构支撑管采用大口径高钢级的无缝钢管,钢级为NV E550、NV E690、X70、X80、X100、Q620、Q690等,目前主要依赖于进口。为了减少进口的依赖,实现国产化,急需对这部分无缝钢管进行研制与开发。

攀成钢公司根据自身的工艺装备情况并结合用户提出的要求,针对海洋钻井平台的结构支撑管服役条件及特点,通过对化学成分设计及轧制工艺、热处理工艺的研究,成功开发出大口径厚壁海洋平台结构支撑管用X70Q PSL2无缝钢管。

本文将重点介绍攀钢集团成都钢钒有限公司开发的自升式钻井平台结构支撑管用大口径厚壁ϕ405mm×51mm规格X70Q PSL2无缝钢管的生产工艺及产品特点。

2 主要技术条件

2.1 化学成分

熔炼分析及产品分析的化学成分应符合API 5L 45th中表J.1中X70Q的要求,允许加入0.002 5%以下的B元素。

2.2 碳当量(CEpcm和CEIIw)要求

碳当量的计算公式应根据API 5L 45th中9.2.4执行,CEpcm≤0.25%,CEIIW≤0.42%。

2.3 钢管的力学性能符合表1的要求

2.4 钢管几何尺寸要求见表2

表1 力学性能

表2 几何尺寸

3 生产工艺线设计

铁水脱硫→电炉→LF钢包精炼炉→VD真空精炼→钢锭→环形炉加热→穿孔→508皮尔格轧机轧制→冷床冷却→调质热处理(508淬火+合金回火)→性能检验→外表面整体修磨→探伤(超探、分层、测厚)→外观检查→包装入库

4 化学成分优化设计

自升式钻井平台结构支撑管需要承载重量大,且工作环境恶劣,要求所采用的无缝钢管外径大、壁厚厚、高强度和高低温韧性,因此合理设计钢种的化学成分,确保强度及低温韧性满足使用要求是研究的重点之一。项目组结合前期我公司生产大口径厚壁NV E550海洋工程用无缝钢管的生产经验,重点对Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等各种合金元素的强化机理进行了详细分析,优化设计了大口径厚壁X70Q PSL2无缝钢管的化学成分,其最大特点在于:

(1)添加了对低温冲击韧性有很大改善的Ni元素,使钢管经调质处理后在保证高强度的情况下具有良好的低温冲击韧性。

(2)通过适量提高Mo的含量来保证钢管的强度和回火稳定性不下降。

(3)通过添加适量的V和Nb元素,利用两种元素的细化晶粒和析出强化的复合作用,提高钢管的强度和低温冲击韧性。

(4)在冶炼时加入了1kg/t钛铁进行了微钛处理,主要目的是细化晶粒,提高钢的强度,改善钢的冷成形性能和焊接性能。

(5)通过添加适量的B元素,提高钢管的淬透性。

优化设计的X70Q PSL2化学成分如下表3。

表3 X70Q PSL2钢管化学成分(质量分数%)

5 关键技术的控制

5.1 冶炼工艺

针对自升式钻井平台结构支撑用无缝钢管的特点,采用“电炉→LF炉→VD真空处理→模铸”冶炼工艺。在冶炼过程中,关键是脱氧、合理的合金加入顺序、合金加入量、中包钢液过热度的控制及铸坯冷却速度的控制,具体应按以下要求控制:

钢包、中间包在使用前必须将残钢、残渣清理干净;必须做好炉前终点碳的控制,不能过氧化和超低碳出钢;浇注过程中应注意控制注速并做好补缩工作,防止轧制过程中出现因二次缩孔或疏松导致的内表面缺陷。LF炉精炼必须做到白渣出钢,保持底吹Ar畅通,控制吹Ar强度;VD炉必须控制好真空度和保持时间,保证炉渣不再明显发泡,同时必须做好中间包长水口Ar保护,防止钢水二次氧化。模铸时选用内表面质量好的钢锭模,作好刷模工作,浇铸系统采用优质耐火材料,并进行抽砂、吹灰,采用氩气保护浇铸。

5.2 制管工艺

(1)为保证钢管的外表面质量,避免产生麻面等缺陷,要求在轧制过程中严格控制坯料的加热温度,最高不宜超过1 260℃。

(2)穿孔过程中,要求专人监控穿孔后毛管内表面质量,若发现有内折缺陷,应立即停止出料并进行穿孔机参数调整。若发现有铁耳子,则必须清除后再送轧机进行轧制,避免形成内结疤。

(3)采用无皮尔格头轧制,轧后不锯破头。轧制过程控制好喂入量,避免产生内竹节。同时加强芯棒的润滑,要求润滑剂均匀覆盖芯棒360°表面。

(4)精整区钢管不定径,轧后快速输送到冷床冷却,要求冷床匀速运行,避免钢管冷却不均造成弯曲,影响后序淬火效果。

5.3 热处理工艺

5.3.1 热处理工艺确定

由于钢管的外径大,壁厚厚,要求热处理后钢管内中外的组织、性能必须均匀,因此钢管的热处理难度非常大。项目组根据我公司的装备情况,并结合我公司生产大口径厚壁X70Q PSL2/Q485L和NV E550无缝钢管的生产经验和相关资料,制定了508机组淬火工艺:再加热炉加热段炉温按(930±20)℃中上线控制,均热段按(945±15)℃中上线控制,保出炉管温(930±10)℃,步进周期为13min,冷却方式为浸淬+内轴流,并在淬火后的钢管取小试样在实验室进行不同回火工艺实验,结果见表4。

根据实验室的结果,确定回火工艺为:炉温按(680±10)℃控制,管温到680℃时才开始计保温时间,升温时间270min,保温时间280min,出炉空冷。

表4 实验室不同回火工艺及性能

5.3.2 热处理主要控制措施

为保证钢管的淬火效果和回火的稳定性,确保钢管内、中、外性能、组织的均匀性,项目组要求采用严格的控制措施,主要包括:

(1)炉内以还原气氛为主,为保证钢管加热均匀,钢管应摆放在炉子中间,步进梁每隔一定的时间“踏步”一次。

(2)为避免再加热炉输送辊道吸热造成钢管温度低影响淬火效果,要求最后两个步进梁不布料,钢管出炉时采用前进三步后退两步的方式。

(3)淬火时要求托辊必须旋转,托辊转速设定合理,同时合理设计內轴流的打开时间,确保钢管淬火时不弯曲且内外壁冷却均匀。

(4)为确保内轴流水足够大,要求三台轴流泵都打开,并要求钢管离喷嘴有一定的距离,以便轴流水拖拽淬火槽中的水进入钢管内孔,加大冷却速度。

(5)回火时,要求钢管摆放时应离炉门端大于一定的距离,且钢管之间应留有足够的间隙。

(6)应采用测温枪对室式炉内的钢管进行测温,只有当钢管的温度满足要求时才开始算保温时间,并要求间隔一定的时间,对钢管两端进行测温,确保炉内钢管加热的均匀性。

6 产品性能检验结果

按相关技术协议和标准规定,对攀成钢公司生产的405mm×51mm规格X70Q PSL2自升式钻井平台结构支撑管用无缝钢管进行了机械性能、金相组织及非金属夹杂物评级等技术指标的检验,其检验结果如下。

6.1 产品力学性能

X70Q PSL2钢管调质后内、中、外的屈服强度、抗张强度、延伸率及-40℃低温冲击均值见表5。

6.2 非金属夹杂物

X70Q PSL2无缝钢管非金属夹杂物检验结果见表6。

6.3 金相组织

X70Q PSL2调质后内中外的金相组织均为回火贝氏体,具体见图1～3。

表6 X70Q PSL2钢管高倍情况

图1 内表面

图2 中部

图3 外表面

7 结论

(1)攀成钢公司采用“电炉+LF精炼+ VD真空精炼+508机组轧管+调质热处理”工艺生产的大口径厚壁X70Q PSL2无缝钢管,其钢质纯净、钢管组织和综合性能良好,完全能够满足海洋钻井平台结构支撑管的使用要求。

(2)攀成钢公司通过采取严格的热处理控制措施,保证大口径厚壁X70Q PSL2无缝钢管的淬火效果,其内、中、外的性能和组织均匀。

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Development of Large Diameter Thick Wall X70QPSL2 Seamless Steel Pipe for Offshore Platform Structure

LIN Fa-ju,WU Hong,WANG Xi-jiang,CHEN Yu,CHEN Xiao-juan

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.Chengdu 610303,Sichuan,China)

The vast ocean is rich in resources,countries in the world accelerate the development and utilization of marine resources.As one of the important facilities for the exploitation of offshore oil and gas resources,the structure of the platform,which is a large diameter thick wall high grade steel pipe,is used for the construction of offshore oil and gas resources.In order to reduce the dependence on import,realize the localization,the steel companies according to their own technology and equipment,and according to the marine drilling platform structure supporting pipe's service conditions and characteristics,through the chemical composition design and rolling process,heat treatment process,the successful development of large diameter thick wall X70Q PSL2 seamless steel pipe for offshore drilling platform structure supporting,its comprehensive performance is excellent,fully meet the user's design and use requirements.

marine resources,drilling platform,large diameter thick wall,comprehensive performance

1001-5108(2016)04-0026-06

TG335.71

A

林发驹,工程师,主要从事无缝钢管新产品开发和轧钢工艺研究等技术工作。