海洋深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)研究

王建軍 林凱 宮少濤 田峰

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所

海洋深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)研究

王建軍 林凱 宮少濤 田峰

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所

王建軍等.海洋深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)研究.天然氣工業(yè),2010,30(4):84-86.

隨著國(guó)內(nèi)海洋深水油氣田的開發(fā),高鋼級(jí)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(guó)產(chǎn)化研究。通過(guò)大量調(diào)研與隔水管相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)后,發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中,沒有明確針對(duì)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?508mm以上規(guī)格的X80鋼級(jí)隔水管為研究對(duì)象,分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合材料試驗(yàn),制定了X80鋼級(jí)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(shí)對(duì)推動(dòng)我國(guó)海洋深水鉆井隔水管國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提供了技術(shù)支撐。

海洋 深水 高鋼級(jí) 高強(qiáng)度 鉆井隔水管 材料 標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)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(dòng)、當(dāng)前工作載荷、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、隔水管動(dòng)力響應(yīng)、渦激振動(dòng)、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(píng)價(jià)隔水管,尤其是深水鉆井隔水管(X80鋼級(jí)),具有滿足使用要求的材料性能,在詳細(xì)調(diào)研分析ISO13533/API Spec16A、ISO13535/API Spec8C、ISO13623、ISO13625/API SPEC16R、ISO13628-1/API RP17A、ISO13628-7/API RP17G、API RP2RD、API RP16Q、API Spec16F、API Spec5L、DNV-OS-F201、SY/T6558、SY/T10037等與隔水管相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)后[1-7],發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中,沒有明確針對(duì)鉆井隔水管材料性能的標(biāo)準(zhǔn)。筆者參考了API Spec5L、API Spec16F、API RP16Q、API RP2RD、ISO13628-7/API RP17G、SY/T10037、SY/T6558等標(biāo)準(zhǔn)[1-8],結(jié)合材料試驗(yàn),建立了?508mm以上規(guī)格的X80鋼級(jí)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 Spec5L標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

在API Spec5L《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(duì)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(guò)0.25%。關(guān)于PSL2焊管的拉伸性能要求如表1所示,對(duì)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(guò)0.93。關(guān)于PSL2焊管的斷裂韌性要求:對(duì)X80鋼級(jí)全尺寸最小夏比“V”型缺口橫向吸收能(以下均簡(jiǎn)稱全尺寸最小橫向吸收能)要求為40J,試驗(yàn)溫度為0℃。

表1 API Spec5L PSL2焊管拉伸性能要求表

1.2 API Spec16F標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

API Spec16F《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(jì)、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(wú)縫管,但不允許是螺旋焊管。對(duì)于主管管體,明確規(guī)定“按照API Spec5L選取試樣,主管的橫向吸收能應(yīng)符合API Spec5L PSL2的要求,主管的拉伸性能應(yīng)滿足API Spec5L 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 RP16Q標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

API RP16Q《海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(tái)運(yùn)動(dòng)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(jí)決定;隔水管鋼級(jí)通常使用的是X52、X65、X80”。

1.4 API RP2RD標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

在API RP2RD《浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和張力腿平臺(tái)的立管設(shè)計(jì)》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(gòu)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(yàn)的最小值應(yīng)與API SPEC5L、API SPEC5CT[8]或等同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致”。

1.5 ISO13628-7/API RP17G標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

ISO13628-7/API RP17G《石油和天然氣工業(yè).水下采油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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/T10037標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

在SY/T10037《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)規(guī)定最小屈服強(qiáng)度小于或等于555MPa的有縫或無(wú)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(jí)分類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)分別對(duì)碳錳鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)X80鋼級(jí)焊管,主要考慮質(zhì)量等級(jí)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

表3 質(zhì)量等級(jí)Ⅰ碳錳鋼管線管力學(xué)性能要求表

1.7 SY/T6558標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

SY/T6558《海上油氣水井抗冰隔水管設(shè)計(jì)與制造規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)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(duì)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 Spec5L PSL2焊管、API Spec16F、API RP16Q、API RP2RD、ISO13628-7/API RP17G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及SY/T10037、SY/T6558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(guó)際鋼管企業(yè)生產(chǎn)情況,如 Tenaris公司采用 API Spec5L X80鋼級(jí)制造了深水鉆井隔水管管體,制定?508mm以上規(guī)格的X80鋼級(jí)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(guò)0.24%。

2)鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求見表4,沖擊試驗(yàn)溫度為最小設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外X80鋼級(jí)管材材料試驗(yàn)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(guó)外做法,首先對(duì)國(guó)內(nèi)?1219×22mm X80和國(guó)外?1219×26.4mm X80直縫焊管進(jìn)行材料試驗(yàn)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(yàn)溫度0℃),試驗(yàn)結(jié)果分別見表5和表6,并計(jì)算碳當(dāng)量(CE),試驗(yàn)方法參照API Spec5L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(yàn)結(jié)果,結(jié)合管材所前期管線鋼研究成果,對(duì)?508mm以上規(guī)格的X80鋼級(jí)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(guò)0.23%。

2)鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求見表7,沖擊試驗(yàn)溫度為最小設(shè)計(jì)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

表5 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表

表6 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表

表7 鉆井隔水管主管力學(xué)性能要求表

4 結(jié)論

1)?508mm以上規(guī)格的X80鋼級(jí)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(duì)鉆井隔水管規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2)分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合材料試驗(yàn),研究制定了X80鋼級(jí)隔水管主管材料性能標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于其他鋼級(jí)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(shí)對(duì)促進(jìn)我國(guó)深水鉆井隔水管國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提供了技術(shù)支撐。

[1]API管材標(biāo)準(zhǔn)化分委員會(huì).API Spec5L—2007管線管規(guī)范[S].44版.華盛頓:美國(guó)石油學(xué)會(huì),2007.

[2]API鉆井標(biāo)準(zhǔn)化分委員會(huì).API Spec16F—2004海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范[S].華盛頓:美國(guó)石油學(xué)會(huì),2004.

[3]API鉆井標(biāo)準(zhǔn)化分委員會(huì).API RP16Q—1993海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選擇、操作和維護(hù)的推薦做法[S].華盛頓:美國(guó)石油學(xué)會(huì),1993.

[4]API浮式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化分委員會(huì).API RP2RD—1998浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和張力腿平臺(tái)的立管設(shè)計(jì)[S].華盛頓:美國(guó)石油學(xué)會(huì),1993.

[5]國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化 ISO/TC67技術(shù)委員會(huì).ISO13628-7—2005石油和天然氣工業(yè) 水下采油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作第7部分:完井修井隔水管系統(tǒng)[S].日內(nèi)瓦:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織,2005.

[6]中國(guó)海洋石油總公司.SY/T10037—2002海底管道系統(tǒng)規(guī)范[S].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[7]石油工業(yè)安全專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).SY/T6558—2003海上油氣水井抗冰隔水管設(shè)計(jì)與制造規(guī)范[S].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[8]API管材標(biāo)準(zhǔn)化分委員會(huì).API Spec5CT—2005套管和油管規(guī)范[S].8版.華盛頓:美國(guó)石油學(xué)會(huì),2005.

(修改回稿日期 2010-02-17 編輯 鐘水清)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.84-86,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

A study of material properties standards for deepwater marine drilling risers

Wang Jianjun,Lin Kai,Gong Shaotao,Tian Feng
(Tubular Goods Research Center,CN PC,Xi’an,S haanxi710065,China)

With the development of deepwater oil and gas fields in China,the demand for high-grade steel and high strength marine drilling risers is gradually increasing.At present,such risers used in deepwater drilling basically depend on importing,so domestic production research is urgently needed.After an investigation into national and foreign standards about marine risers,we have not found any standards specified for material properties of marine drilling risers.In order to establish such a standard,we analyze the existing standards and focus on revising the standard for the X80steel risers with the diameter>508mm in combination with its material test,thus,developing the material performance parameters of X80steel marine risers.We believe that the establishment of this standard will provide technical support for the process of domestic production of the deepwater drilling risers.

deep water,marine drilling riser,high-grade steel,high strength,drilling riser,material,standard,domestic production

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.021

book=84,ebook=405

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.021

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào):2006AA09A106)。

王建軍,1979年生,工程師,碩士;2004年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)工程力學(xué)專業(yè);主要從事油氣開發(fā)工程與管柱力學(xué)研究工作。地址:(710065)陜西省西安市電子二路32號(hào)。電話:(029)88726159,13572281791。E-mail:wangjj@tgrc.org

Wang Jianjun,engineer,was born in1979.He holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in oil and gas development project and string mechanics research.

Add:No.32,Dianzi’er Rd.,Xi’an,Shaanxi710065,P.R.China

Tel:+86-29-88726159 Mobile:+86-13572281791 E-mail:wangjj@tgrc.org