海洋深水鉆井隔水管材料性能標準研究

摘 要

摘要：隨著國內海洋深水油氣田的開發，高鋼級高強度鉆井隔水管需求量逐漸增大。目前在深水領域所使用的這類管材基本上全部依賴進口，急需進行國產化研究。通過大量調研與隔水管相
摘要：隨著國內海洋深水油氣田的開發，高鋼級高強度鉆井隔水管需求量逐漸增大。目前在深水領域所使用的這類管材基本上全部依賴進口，急需進行國產化研究。通過大量調研與隔水管相關的國內外標準后，發現在現有的國內外標準中，沒有明確針對鉆井隔水管材料性能的標準。為研究制定深水鉆井隔水管材料性能標準，重點以Ø508mm以上規格的X80鋼級隔水管為研究對象，分析現有國內外相關標準，并結合材料試驗，制定了X80鋼級隔水管材料性能指標。鉆井隔水管材料性能標準的制定，統一了隔水管材料的性能指標，彌補了各類標準不統一的不足，同時對推動我國海洋深水鉆井隔水管國產化進程提供了技術支撐。
關鍵詞：海洋；深水；高鋼級；高強度；鉆井隔水管；材料；標準；國產化
0 引言
    由于隔水管使用的特殊環境(海洋)，其承受的載荷是多變的、復雜的，諸如遭受諧振(鉆井)、波浪運動、當前工作載荷、平臺運動、隔水管動力響應、渦激振動、周期扭轉(鉆井)、旋轉彎曲等復合載荷的影響。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，在詳細調研分析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等與隔水管相關的國內外標準后[1～7]，發現在現有的國內外標準中，沒有明確針對鉆井隔水管材料性能的標準。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等標準[1～8]，結合材料試驗，建立了Ø508mm以上規格的X80鋼級鉆井隔水管材料性能的一般性指標。
1 標準分析
1.1 API Spec 5L標準相關規定
    在API Spec 5L《管線管規范》標準關于PSL2焊管的化學成分要求磷元素(P)最大含量為0.025%(重量百分比)，硫元素(S)最大含量為0.015%，且對碳當量(CE)提出了強制性要求，即X80焊管的CE不應超過0.25%。關于PSL2焊管的拉伸性能要求如表1所示，對屈服強度最大值、抗拉強度最大值提出了強制性要求，并規定屈強比(屈服強度/抗拉強度)不得超過0.93。關于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
屈服強度/MPa
抗拉強度/MPa
伸長率/%
min
max
min
max
min
X80
555
705
625
825
21
1.2 API Spec 16F標準相關規定
    API Spec 16F《海洋鉆井隔水管設備規范》標準規定了海洋鉆井隔水管設備設計、制造、安裝的性能和質量，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，明確規定“按照API Spec 5L選取試樣，主管的橫向吸收能應符合API Spec 5L PSL2的要求，主管的拉伸性能應滿足API Spec 5L PSL2的要求。所有材料的最小力學性能應在廠家規范中規定”。
1.3 API RP 16Q標準相關規定
   API RP 16Q《海洋鉆井隔水管系統設計、選擇、操作和維護的推薦做法》標準第2.7.3.1節指出“隔水管主管應有承受波浪、潮流、應用張力、鉆井平臺運動以及符合表3.1的鉆井液重量等復合載荷的足夠強度，擠毀壓力和操作載荷也應考慮；主管的強度特性由其外徑、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標準相關規定
   在API RP 2RD《浮式生產系統和張力腿平臺的立管設計》標準7.3.1.1.1節指出“本部分適用于鋼管、鈦管、柔性管。購買的管子應與標準一致，標準中明確定義管子性能要求。管子制造商應執行質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與API SPEC 5L、API SPEC 5CT[8]或等同工業標準一致”。
1.5 ISO 13628-7/API RP 17G標準相關規定
    ISO 13628-7/API RP 17G《石油和天然氣工業.水下采油系統的設計和操作.第7部分完井修井隔水管系統》中第7.2.7節規定化學成分的P最大含量為0.025%，S最大含量為0.025%。在7.2.9節中明確給出了碳鋼和低合金鋼的一般力學性能要求(表2)，并規定最小縱向吸收能的均值和單值應是橫向吸收能的1.5倍。
1.6 SY/T 10037標準相關規定
    在SY/T 10037《海底管道系統規范》標準中對規定最小屈服強度小于或等于555MPa的有縫或無縫的碳錳鋼管線管的化學成分、力學性能(拉伸性能、沖擊韌性)作了具體要求。在該標準中以質量等級分類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)分別對碳錳鋼的化學成分、力學性能進行了規定。對X80鋼級焊管，主要考慮質量等級Ⅰ的碳錳鋼規定要求，標準要求P最大含量為0.020%，S最大含量為0.008%，最大碳當量為0.22%；力學性能要求見表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性能要求表
特性
要求
最小伸長率/%
橫向
14
縱向
16
最大屈強比
 
0.92
沖擊試驗溫度/℃
 
最小設計溫度
全尺寸最小橫向吸收能均值(單值)/J
屈服強度小于等于310MPa
27(20)
屈服強度大于等于310MPa
40(30)
表3 質量等級Ⅰ碳錳鋼管線管力學性能要求表
最小屈服強度/MPa
最小抗拉強度/MPa
最大屈強比
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標準相關規定
   SY/T 6558《海上油氣水井抗冰隔水管設計與制造規范》標準中，對抗冰隔水管結構用材料的屈強比進行了如下規定：①一般強度結構用鋼，其屈強比應不大于0.7；②高強度結構用鋼，其屈強比應不大于0.85。對材料的其他性能沒有作相應的規定要求。
1.8 鉆井隔水管材料性能一般性指標
   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國際標準以及SY/T 10037、SY/T 6558行業標準中關于與鉆井隔水管相關的材料性能要求，結合國際鋼管企業生產情況，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以上規格的X80鋼級隔水管主管的材料性能的一般性指標如下：
    1) 鉆井隔水管主管化學成分中P、S元素重量百分比要求：P≤0.025%，S≤0.015%；碳當量不應超過0.24%。
    2) 鉆井隔水管主管力學性能要求見表4，沖擊試驗溫度為最小設計溫度，一般為0℃，且縱向吸收能應比橫向吸收能高出50%。
2 國內外X80鋼級管材材料試驗分析
    因鉆井隔水管使用的特殊環境(海洋)，在隔水管材料獲取困難的情況下，參照上述有關標準和國外做法，首先對國內Ø1219×22mm X80和國外Ø1219×26.4mm X80直縫焊管進行材料試驗分析，獲得化學成分和拉伸性能、全尺寸最小橫向吸收能(試驗溫度0℃)，試驗結果分別見表5和表6，并計算碳當量(CE)，試驗方法參照API Spec 5L相關規定。
3 鉆井隔水管主管材料性能指標修訂
    依據上述試驗結果，結合管材所前期管線鋼研究成果，對Ø508mm以上規格的X80鋼級隔水管主管的材料性能指標修訂如下：
    1) 鉆井隔水管主管化學成分中P、S元素重量百分比要求：P≤0.022%，S≤0.010%；碳當量不應超過0.23%。
    2) 鉆井隔水管主管力學性能要求見表7，沖擊試驗溫度為最小設計溫度，一般為0℃，且縱向吸收能應比橫向吸收能高出50%。
表4 鉆井隔水管主管力學性能要求表
鋼級
屈服強度/MPa
抗拉強度/MPa
屈強比
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 化學成分檢測結果表
元素
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
Nb
V
Ti
Cu
B
Al
CE
國內
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：化學成分檢驗結果單位為重量百分比。
表6 力學性能檢測結果表
項目
位置
抗拉強度/MPa
屈服強度/MPa
屈強比
延伸率/%
吸收能/J
國內
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
 
200
表7 鉆井隔水管主管力學性能要求表
鋼級
屈服強度/MPa
抗拉強度/MPa
屈強比
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 結論
    1) Ø508mm以上規格的X80鋼級隔水管為海洋深水油氣開發的主要用管，目前仍缺失專門針對鉆井隔水管規范標準。
    2) 分析現有國內外相關標準，并結合材料試驗，研究制定了X80鋼級隔水管主管材料性能標準，對于其他鋼級規格的隔水管材料性能標準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準的制定，統一了隔水管材料性能指標，彌補了各類標準不統一的現象，同時對促進我國深水鉆井隔水管國產化進程提供了技術支撐。
參考文獻
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[5] 國際標準化ISO/TC 67技術委員會.ISO 13628-7-2005石油和天然氣工業水下采油系統的設計和操作 第7部分：完井修井隔水管系統[S].日內瓦：國際標準化組織，2005.
[6] 中國海洋石油總公司.SY/T 10037-2002海底管道系統規范[S].北京：石油工業出版社，2002.
[7] 石油工業安全專業標準化技術委員會.SY/T 6558-2003海上油氣水井抗冰隔水管設計與制造規范[S].北京：石油工業出版社，2003.
[8] API管材標準化分委員會.API Spec 5CT 2005套管和油管規范[S].8版.華盛頓：美國石油學會，2005.
 
(本文作者：王建軍 林凱 宮少濤 田峰中國石油天然氣集團公司管材研究所)