海洋深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)研究

摘 要

摘要：隨著國內(nèi)海洋深水油氣田的開發(fā)，高鋼級高強(qiáng)度鉆井隔水管需求量逐漸增大。目前在深水領(lǐng)域所使用的這類管材基本上全部依賴進(jìn)口，急需進(jìn)行國產(chǎn)化研究。通過大量調(diào)研與隔水管相
摘要：隨著國內(nèi)海洋深水油氣田的開發(fā)，高鋼級高強(qiáng)度鉆井隔水管需求量逐漸增大。目前在深水領(lǐng)域所使用的這類管材基本上全部依賴進(jìn)口，急需進(jìn)行國產(chǎn)化研究。通過大量調(diào)研與隔水管相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)后，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確針對鉆井隔水管材料性能的標(biāo)準(zhǔn)。為研究制定深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)以Ø508mm以上規(guī)格的X80鋼級隔水管為研究對象，分析現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合材料試驗，制定了X80鋼級隔水管材料性能指標(biāo)。鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)的制定，統(tǒng)一了隔水管材料的性能指標(biāo)，彌補(bǔ)了各類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的不足，同時對推動我國海洋深水鉆井隔水管國產(chǎn)化進(jìn)程提供了技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：海洋；深水；高鋼級；高強(qiáng)度；鉆井隔水管；材料；標(biāo)準(zhǔn)；國產(chǎn)化
0 引言
    由于隔水管使用的特殊環(huán)境(海洋)，其承受的載荷是多變的、復(fù)雜的，諸如遭受諧振(鉆井)、波浪運(yùn)動、當(dāng)前工作載荷、平臺運(yùn)動、隔水管動力響應(yīng)、渦激振動、周期扭轉(zhuǎn)(鉆井)、旋轉(zhuǎn)彎曲等復(fù)合載荷的影響。因此，需要保證隔水管具有良好的性能。但是，如何評價隔水管，尤其是深水鉆井隔水管(X80鋼級)，具有滿足使用要求的材料性能，在詳細(xì)調(diào)研分析ISO 13533/APISpec 16A，IS013535/API Spec 8C，ISO 13623、ISO 13625/API SPEC 16R、ISO 13628-1/API RP 17A、IS0 13628-7/API RP 17G、API RP 2RD、API RP 16Q、API Spec 16F、API Spec 5L、DNV-OS-F201、SY/T 6558、SY/T 10037等與隔水管相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)后[1～7]，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確針對鉆井隔水管材料性能的標(biāo)準(zhǔn)。筆者參考了API Spec 5L、API Spec 16F、API RP 16Q、API RP 2RD、ISO 13628-7/API RP 17G、SY/T 10037、SY/T 6558等標(biāo)準(zhǔn)[1～8]，結(jié)合材料試驗，建立了Ø508mm以上規(guī)格的X80鋼級鉆井隔水管材料性能的一般性指標(biāo)。
1 標(biāo)準(zhǔn)分析
1.1 API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
    在API Spec 5L《管線管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于PSL2焊管的化學(xué)成分要求磷元素(P)最大含量為0.025%(重量百分比)，硫元素(S)最大含量為0.015%，且對碳當(dāng)量(CE)提出了強(qiáng)制性要求，即X80焊管的CE不應(yīng)超過0.25%。關(guān)于PSL2焊管的拉伸性能要求如表1所示，對屈服強(qiáng)度最大值、抗拉強(qiáng)度最大值提出了強(qiáng)制性要求，并規(guī)定屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度)不得超過0.93。關(guān)于PSL2焊管的斷裂韌性要求：對X80鋼級全尺寸最小夏比“V”型缺口橫向吸收能(以下均簡稱全尺寸最小橫向吸收能)要求為40J，試驗溫度為0℃。
表1 APl Spec 5L PSL2焊管拉伸性能要求表
鋼級
屈服強(qiáng)度/MPa
抗拉強(qiáng)度/MPa
伸長率/%
min
max
min
max
min
X80
555
705
625
825
21
1.2 API Spec 16F標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
    API Spec 16F《海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了海洋鉆井隔水管設(shè)備設(shè)計、制造、安裝的性能和質(zhì)量，明確指出隔水管主管可以是直縫焊管或無縫管，但不允許是螺旋焊管。對于主管管體，明確規(guī)定“按照API Spec 5L選取試樣，主管的橫向吸收能應(yīng)符合API Spec 5L PSL2的要求，主管的拉伸性能應(yīng)滿足API Spec 5L PSL2的要求。所有材料的最小力學(xué)性能應(yīng)在廠家規(guī)范中規(guī)定”。
1.3 API RP 16Q標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
   API RP 16Q《海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計、選擇、操作和維護(hù)的推薦做法》標(biāo)準(zhǔn)第2.7.3.1節(jié)指出“隔水管主管應(yīng)有承受波浪、潮流、應(yīng)用張力、鉆井平臺運(yùn)動以及符合表3.1的鉆井液重量等復(fù)合載荷的足夠強(qiáng)度，擠毀壓力和操作載荷也應(yīng)考慮；主管的強(qiáng)度特性由其外徑、壁厚、鋼級決定；隔水管鋼級通常使用的是X52、X65、X80”。
1.4 API RP 2RD標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
   在API RP 2RD《浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和張力腿平臺的立管設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)7.3.1.1.1節(jié)指出“本部分適用于鋼管、鈦管、柔性管。購買的管子應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)一致，標(biāo)準(zhǔn)中明確定義管子性能要求。管子制造商應(yīng)執(zhí)行質(zhì)量管理體系的一般要求。如金屬管子制造和試驗的最小值應(yīng)與API SPEC 5L、API SPEC 5CT[8]或等同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致”。
1.5 ISO 13628-7/API RP 17G標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
    ISO 13628-7/API RP 17G《石油和天然氣工業(yè).水下采油系統(tǒng)的設(shè)計和操作.第7部分完井修井隔水管系統(tǒng)》中第7.2.7節(jié)規(guī)定化學(xué)成分的P最大含量為0.025%，S最大含量為0.025%。在7.2.9節(jié)中明確給出了碳鋼和低合金鋼的一般力學(xué)性能要求(表2)，并規(guī)定最小縱向吸收能的均值和單值應(yīng)是橫向吸收能的1.5倍。
1.6 SY/T 10037標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
    在SY/T 10037《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對規(guī)定最小屈服強(qiáng)度小于或等于555MPa的有縫或無縫的碳錳鋼管線管的化學(xué)成分、力學(xué)性能(拉伸性能、沖擊韌性)作了具體要求。在該標(biāo)準(zhǔn)中以質(zhì)量等級分類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)分別對碳錳鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行了規(guī)定。對X80鋼級焊管，主要考慮質(zhì)量等級Ⅰ的碳錳鋼規(guī)定要求，標(biāo)準(zhǔn)要求P最大含量為0.020%，S最大含量為0.008%，最大碳當(dāng)量為0.22%；力學(xué)性能要求見表3，同樣指出縱向吸收能要比橫向吸收能高出50%。
表2 碳鋼和低合金鋼力學(xué)性能要求表
特性
要求
最小伸長率/%
橫向
14
縱向
16
最大屈強(qiáng)比
 
0.92
沖擊試驗溫度/℃
 
最小設(shè)計溫度
全尺寸最小橫向吸收能均值(單值)/J
屈服強(qiáng)度小于等于310MPa
27(20)
屈服強(qiáng)度大于等于310MPa
40(30)
表3 質(zhì)量等級Ⅰ碳錳鋼管線管力學(xué)性能要求表
最小屈服強(qiáng)度/MPa
最小抗拉強(qiáng)度/MPa
最大屈強(qiáng)比
最小伸長率/%
全尺寸最小橫向吸收能均值(單值)/J
555
625
0.92
20
56(45)
1.7 SY/T 6558標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定
   SY/T 6558《海上油氣水井抗冰隔水管設(shè)計與制造規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中，對抗冰隔水管結(jié)構(gòu)用材料的屈強(qiáng)比進(jìn)行了如下規(guī)定：①一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，其屈強(qiáng)比應(yīng)不大于0.7；②高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，其屈強(qiáng)比應(yīng)不大于0.85。對材料的其他性能沒有作相應(yīng)的規(guī)定要求。
1.8 鉆井隔水管材料性能一般性指標(biāo)
   綜合分析API Spec 5L PSL2焊管、API Spec 16F、API RP 16Q、API RP 2RD、ISO 13628 7/API RP 17G國際標(biāo)準(zhǔn)以及SY/T 10037、SY/T 6558行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于與鉆井隔水管相關(guān)的材料性能要求，結(jié)合國際鋼管企業(yè)生產(chǎn)情況，如Tenaris公司采用API Spec 5L XS0鋼級制造了深水鉆井隔水管管體，制定Ø508mm以上規(guī)格的X80鋼級隔水管主管的材料性能的一般性指標(biāo)如下：
    1) 鉆井隔水管主管化學(xué)成分中P、S元素重量百分比要求：P≤0.025%，S≤0.015%；碳當(dāng)量不應(yīng)超過0.24%。
    2) 鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求見表4，沖擊試驗溫度為最小設(shè)計溫度，一般為0℃，且縱向吸收能應(yīng)比橫向吸收能高出50%。
2 國內(nèi)外X80鋼級管材材料試驗分析
    因鉆井隔水管使用的特殊環(huán)境(海洋)，在隔水管材料獲取困難的情況下，參照上述有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國外做法，首先對國內(nèi)Ø1219×22mm X80和國外Ø1219×26.4mm X80直縫焊管進(jìn)行材料試驗分析，獲得化學(xué)成分和拉伸性能、全尺寸最小橫向吸收能(試驗溫度0℃)，試驗結(jié)果分別見表5和表6，并計算碳當(dāng)量(CE)，試驗方法參照API Spec 5L相關(guān)規(guī)定。
3 鉆井隔水管主管材料性能指標(biāo)修訂
    依據(jù)上述試驗結(jié)果，結(jié)合管材所前期管線鋼研究成果，對Ø508mm以上規(guī)格的X80鋼級隔水管主管的材料性能指標(biāo)修訂如下：
    1) 鉆井隔水管主管化學(xué)成分中P、S元素重量百分比要求：P≤0.022%，S≤0.010%；碳當(dāng)量不應(yīng)超過0.23%。
    2) 鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求見表7，沖擊試驗溫度為最小設(shè)計溫度，一般為0℃，且縱向吸收能應(yīng)比橫向吸收能高出50%。
表4 鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求表
鋼級
屈服強(qiáng)度/MPa
抗拉強(qiáng)度/MPa
屈強(qiáng)比
延伸率/%
全尺寸最小橫向吸收能/J
min
max
min
max
min
max
均值
X80
555
705
625
825
0.92
21
60
表5 化學(xué)成分檢測結(jié)果表
元素
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
Nb
V
Ti
Cu
B
Al
CE
國內(nèi)
管體
0.049
0.19
1.76
0.012
0.0030
0.330
0.026
0.14
0.086
0.003
0.012
0.15
0.0002
0.024
0.161
焊縫
0.064
0.34
1.70
0.014
0.0058
0.210
0.210
0.10
0.047
0.003
0.014
0.11
0.0004
0.017
0.187
國外
管體
0.065
0.19
1.79
0.010
0.0013
0.028
0.170
0.13
0.031
0.034
0.010
0.18
0.0003
0.012
0.193
焊縫
0.0650
0.26
1.75
0.011
0.0036
0.110
0.160
0.33
0.019
0.021
0.013
0.17
0.0005
0.016
0.201
注：化學(xué)成分檢驗結(jié)果單位為重量百分比。
表6 力學(xué)性能檢測結(jié)果表
項目
位置
抗拉強(qiáng)度/MPa
屈服強(qiáng)度/MPa
屈強(qiáng)比
延伸率/%
吸收能/J
國內(nèi)
管體橫向
672
560
0.83
44.5
343
焊縫橫向
700
 
斷于母材
 
176
國外
管體橫向
696
559
0.80
46.3
340
焊縫橫向
728
 
斷于熱影響區(qū)
 
200
表7 鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求表
鋼級
屈服強(qiáng)度/MPa
抗拉強(qiáng)度/MPa
屈強(qiáng)比
延伸率/%
全尺寸最小橫向吸收能/J
min
max
min
max
min
max
均值
X80
555
705
625
825
0.92
21
100
4 結(jié)論
    1) Ø508mm以上規(guī)格的X80鋼級隔水管為海洋深水油氣開發(fā)的主要用管，目前仍缺失專門針對鉆井隔水管規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
    2) 分析現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合材料試驗，研究制定了X80鋼級隔水管主管材料性能標(biāo)準(zhǔn)，對于其他鋼級規(guī)格的隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)的制定也可采取類似的研究方法。
    3) 鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)的制定，統(tǒng)一了隔水管材料性能指標(biāo)，彌補(bǔ)了各類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的現(xiàn)象，同時對促進(jìn)我國深水鉆井隔水管國產(chǎn)化進(jìn)程提供了技術(shù)支撐。
參考文獻(xiàn)
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[8] API管材標(biāo)準(zhǔn)化分委員會.API Spec 5CT 2005套管和油管規(guī)范[S].8版.華盛頓：美國石油學(xué)會，2005.
 
(本文作者：王建軍 林凱 宮少濤 田峰中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所)