海洋模块钻机高压管道材料选取研究

马 超，郭嘉宁，俞博瀚

(中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心 天津 300452)

0 引 言

海洋模块钻机是为了达到降低海洋钻井成本与钻井辅助成本的目的，将钻井装置按照各模块功能，基于便捷安装的要求，分装在不同的底座上，搬家移动时能快速分拆，分块运输，到井位后通过简单的安装，即能实现钻井功能的装置[1]。钻井液循环及固控系统、井控系统、固井系统、旋转系统、动力系统、提升系统等是海洋模块钻机的重要组成部分。

常规海洋模块钻机高压管道包括钻井液循环系统的高压钻井液管道，井控系统的节流压井管道及固井系统的固井管道，其设计压力为34.5 MPa。海洋模块钻机高压管道设计难度大、风险高，管道材料的选取是管道设计计算的基础，因材料选型范围宽，工程师需充分依据国内外行业标准，结合材料的综合性能对比分析，合理选定具体材料型号，并规定材料的性能要求。

1 海洋模块钻机高压管道选用材料情况

常规海洋模块钻机高压管道选取材料为16Mn，通过近些年已投产的平台壁厚检测报告显示模块钻机高压管道壁厚减薄速率较快，三通拐角处以及弯头外侧壁磨损尤为严重，渤海某平台出现了三通刺漏的安全事故，现场三通刺漏形貌如图1所示。

图1 渤海某平台三通刺漏形貌

较16Mn高一等级的常用材料为合金结构钢35CrMo，陆地石油行业高压管汇以及GC1等级的工业管道均有使用35CrMo材料的实例。

海洋平台操作环境苛刻，针对海洋模块钻机高压管道的应用现状，有必要对高压管道选材进行进一步论证，并对16Mn和35CrMo材料性能进行各项试验，结合国际行业标准要求及各项试验数据比对结果，提出海洋模块钻机高压管道材料选取的优化建议。

2 海洋模块钻机高压管道材料选取要求

2.1 选用的标准

海洋模块钻机立管管汇、节流压井管汇、固井管汇的设计、材料、试验主要遵循的标准有API Spec 6A，API Spec 16C，SY/T 6962，SY/T 5323，其中管汇的材料性能要求主要依据API Spec 6A设计，海洋模块钻机高压管道主要包含高压钻井液管道，节流压井管道和固井管道，其连接的主要设备为高压泥浆泵、立管管汇、节流压井管汇，固井管汇，BOP防喷器，为满足工艺及焊接要求，海洋模块钻机高压管道材质性能应与管汇材质匹配，并满足API Spec 6A规范。

2.2 所用材料的要求

APISpec 6A规定了钻井系统阀门的材料最低要求，并分别规定了AA、BB、CC、DD、EE和FF共6个材料级别，该标准根据不同的使用条件对阀体、阀盖、端面及阀芯控压件的材料做了相应的要求，管道与阀门相连，考虑到高压管道的焊接要求，其材料性能应与阀门阀体材料相匹配，高压管道的材料要求参照API Spec 6A标准，见表1。

表1 材料要求

海洋模块钻机高压系统管道存在含硫化物的工况，因此，系统介质应设计考虑为酸性环境，根据表1，酸性环境管道材质可选为碳钢、低合金钢、不锈钢或耐蚀合金。考虑钻井液中存在固体颗粒，系统压力高、流速快，介质对管壁具有较强的冲击磨蚀作用，因此，管道选取的材料须具备较高的力学强度,以满足管道的抗冲蚀性能。管道材料选取在满足标准规范、设计要求前提下，还需综合考虑其经济性，避免选取过高性能的材料，造成不必要的经济浪费，故海洋模块钻机高压管道除特殊工况及要求，材料级别应为EE，材质选用低合金钢，不建议选用高性能的耐蚀合金。

2.3 材料力学性能要求

海洋模块钻机高压管道应选择API Spec 6A中规定的力学性能最强的75K等级材料代号,以适应海洋钻井系统高压力，强冲蚀的苛刻工况。

根据API Spec 6A,75K材料等级要求材料的屈服强度最小为517 MPa,抗拉强度最小为655 MPa。

2.4 材料化学成分要求

API Spec 6A规定了产品的碳钢、低合金钢和马氏体不锈钢的化学成分要求，以质量分数表示，见表2，海洋模块钻机高压管道所选材料的化学成分须满足表中要求。

表2 材料化学成分要求 %

注：a：在规定的最大含碳量(0.35%)以下，每降低0.01%碳时，锰可比规定最大含量(1.05%)增加0.06%，最大可达1.35%。b：见 API Spec 6A 表10。

管道材料须明确材料的磷、硫成分要求，根据API Spec 6A，产品材料的磷和硫质量分数均应小于等于0.025%，制造商须提供管道材料的化学成分报告，确保材料的化学组分满足标准规范及设计要求。

2.5 材料抗腐蚀要求

海洋平台高压管道材料选取除了考虑固体颗粒对管壁的冲蚀，低合金钢用于酸性环境下还应考虑硫化物的应力裂纹腐蚀[2]。根据ISO 15156，所有容许使用的碳钢和低合金钢要求硬度≤22 HRC(237 HB)，且满足镍含量小于1%。热处理工艺对此类金属的应力腐蚀断裂敏感性影响极大，低合金钢在酸性环境下使用，须严格选择热处理工艺，使热处理后的低合金钢性能符合酸性环境下使用的要求。

2.6 材料低温冲击试验要求

API Spec 6A规定了产品的夏比V型缺口冲击要求，海洋模块钻机适用的环境温度通常为-25～40 ℃，根据API Spec 6A标准，试验温度应为P级(-29 ℃)，在此试验温度下，PSL3级产品横向最小平均冲击功为20 J，纵向最小平均冲击功为27 J。

冲击试验鉴定一炉材料至少试验3个冲击试样。这些试样确定的冲击性能应满足标准规范要求。任何情况下，单个冲击值不应低于要求的最小平均值的2/3，且3次试验中仅允许有一次低于所要求的平均值。

3 16Mn和35CrMo试验数据对比

3.1 材料化学组分对比分析

对钢锭的15支试样进行检测分析，检测数据(均值法)对比见表3。

表3 化学成分(质量分数) %

对表3所示的16Mn和35CrMo两种材料的化学成分进行对比分析，结果如下：

1)16Mn为低合金高强度结构钢，35CrMo为合金结构钢，此两种材料均属于低合金钢，符合API Spec 6A EE级材料要求。

2)16Mn和35CrMo的化学成分材料均满足API Spec 6A规定的产品化学成分要求。

3)16Mn的 磷元素含量为0.028%>0.025%，不满足API Spec 6A产品规定的成分要求，35CrMo的磷、硫元素含量均满足API 6A PSL3级产品规范要求。

3.2 材料力学性能对比分析

材料力学性能试验在材料热处理工艺后进行，其中35CrMo材料应进行调制处理，调制按照正火+淬火+回火的方式进行[3]。正火进炉温度为300 ℃，保温温度为900 ℃，保温时间为4 h，冷却介质为空气；淬火进炉温度为540 ℃，保温温度为860 ℃，保温时间为4 h，冷却介质为聚合物；回火温度为330 ℃，保温温度为660 ℃，保温时间为8 h，冷却介质为空气。

按上述热处理工艺对16Mn和35CrMo两种材料进行热处理，热处理后从16Mn和35CrMo两种材料上分别取拉伸性能、冲击韧性和硬度各3件试样进行力学性能试验，其中冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，力学性能试验结果见表4。

表4 力学性能试验数据

对表4所示的16Mn和35CrMo两种材料的力学性能试验结果进行对比分析，结果如下：

1)16Mn的抗拉强度和屈服强度不满足API Spec 6A 75K等级材料的力学性能要求，35CrMo的抗拉强度和屈服强度满足API Spec 6A 75K等级材料力学性能要求。

2)35CrMo材料的抗拉强度高于16Mn材料。管道在相同的设计压力条件下，管道的壁厚与材料的抗拉强度成反比，即相同外径的管道，16Mn材料的管道壁厚大于35CrMo材料的管道壁厚[4]。管道壁厚越大，内径越小，介质的流通性越差，介质与内壁的摩阻越大。

3)16Mn和35CrMo的布氏硬度均小于237 HB，满足海洋模块钻机硫化氢应力裂纹腐蚀要求。35CrMo材料硬度值高于16Mn，材料具备更强的耐磨及抗冲蚀性能。

4)低温状态下(-29 ℃)的冲击试验，35CrMo较16Mn具备更强的冲击性能，两者低温状态下的冲击功均满足API Spec 6A规定的夏比V型缺口冲击要求。

4 结 论

综合上述对比研究分析，海洋平台高压管道材料推荐选用35CrMo，该材料具备较强的抗冲蚀性能，化学成分满足表2碳钢和低合金钢成分要求。制造商制作过程中须对管道材料进行调制处理，并对材料进行拉伸试验及低温冲击试验，使其力学强度达到API Spec 6A 75K材料等级要求，低温冲击性能满足API Spec 6A规定的最小冲击功27 J。另外，制造商还应对管道材料进行硬度试验，确保管道材料硬度≤22 HRC(237 HB)，使其适应含硫化物的酸性环境，避免材料应力腐蚀断裂。