海洋石油平臺(tái)用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)(四)

杜 偉，李鶴林

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

·綜 述·

海洋石油平臺(tái)用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)(四)

杜 偉，李鶴林

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

歸納了海洋石油平臺(tái)用鋼的類別品種，包括一般強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼，以及耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強(qiáng)度系泊鏈鋼、高強(qiáng)度鑄鋼等特殊用途鋼種；分析了海洋平臺(tái)用鋼的標(biāo)準(zhǔn)體系，并介紹了歐洲標(biāo)準(zhǔn)、API標(biāo)準(zhǔn)、船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平臺(tái)用鋼的性能要求；綜述了國(guó)內(nèi)外平臺(tái)用鋼的產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀；最后討論提出了海洋石油平臺(tái)用鋼向高強(qiáng)、高韌以及良好低溫韌性與焊接性方向發(fā)展的趨勢(shì)。

海洋平臺(tái)用鋼；Z向鋼；齒條鋼；適應(yīng)高熱輸入焊接鋼；耐海水腐蝕鋼

(接2016年第5期)

4 海洋平臺(tái)用鋼的發(fā)展趨勢(shì)

伴隨海洋油氣開發(fā)由淺水區(qū)向深水區(qū)，由常規(guī)溫和環(huán)境向極地高寒環(huán)境發(fā)展，推動(dòng)了海洋石油平臺(tái)的不斷升級(jí)換代。固定式平臺(tái)的使用逐步減少，以自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)為代表的移動(dòng)式平臺(tái)用量隨之增多。另外，移動(dòng)式平臺(tái)的作業(yè)水深、作業(yè)能力及范圍也逐漸增大。自升式平臺(tái)由200 ft(1 ft=304.8 mm)作業(yè)水深依次升級(jí)至300 ft、400 ft甚至500 ft。半潛式平臺(tái)由最初的第一代發(fā)展至第六代、第七代。目前，由中集來(lái)福士為挪威Frigstad Deepwater公司承建的第二座第七代超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(tái)(Frigstad Deepwater Rig Beta)已啟動(dòng)開工。Frigstad Deepwater Rig Beta是全球最大的超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(tái)之一，最大工作水深為12 000 ft(3 658 m)，鉆井深度為50 000 ft(15 240 m)，平臺(tái)可在墨西哥灣、中國(guó)南海、澳大利亞、巴西海域、西非、南大西洋等深水海域作業(yè)。為適應(yīng)嚴(yán)酷低溫的環(huán)境條件，極地地區(qū)石油開發(fā)則需采用專門的冰級(jí)海洋平臺(tái)或鉆井船。世界上第一艘冰區(qū)超深水鉆井船為韓國(guó)三星重工建造的“Stena DRILLMAX ICE”號(hào)，設(shè)計(jì)作業(yè)水深3 000 m，最大鉆井深度10 000 m，可在-40℃的低溫、16 m的海浪和41 m/s的海風(fēng)環(huán)境下作業(yè)。國(guó)內(nèi)的中集來(lái)福士正在建造一座適用于嚴(yán)酷環(huán)境的冰級(jí)半潛式鉆井平臺(tái)North Dragon，服役溫度-25℃，設(shè)計(jì)依照北海海況，同時(shí)兼顧北極圈及巴倫支海況要求，能夠抵御北海百年一遇的風(fēng)暴。海洋石油平臺(tái)升級(jí)換代，促進(jìn)了平臺(tái)材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)。為保證海洋石油平臺(tái)建造的經(jīng)濟(jì)性以及服役期的安全性，平臺(tái)用鋼應(yīng)具有更高的強(qiáng)度、更優(yōu)的低溫韌性和可焊性。

1)超高強(qiáng)度

高強(qiáng)度一直是海洋用鋼發(fā)展的方向，一方面海洋平臺(tái)用鋼出于比強(qiáng)度以及成本節(jié)約等方面的考慮，趨于使用更高強(qiáng)度的鋼；另一方面提高鋼的強(qiáng)度，還可增大平臺(tái)的承載能力和作業(yè)能力。隨著深水資源的進(jìn)一步開發(fā)，高強(qiáng)輕量化將是海洋平臺(tái)用鋼的主要發(fā)展趨勢(shì)。

早期大型船體結(jié)構(gòu)多采用235 MPa級(jí)以下的鋼板，隨著安全性要求的不斷提高，鋼板的強(qiáng)度在逐步提高，由235 MPa逐步升級(jí)到315 MPa以及355 MPa。最初于1975年由加拿大建造，后經(jīng)新加坡大修改造的“流花11-1”半潛式平臺(tái)，主要采用315 MPa強(qiáng)度級(jí)別鋼材，2008年由上海外高橋造船有限公司承建的“海洋石油981”半潛式平臺(tái)則采用了355 MPa、550 MPa以及690 MPa鋼材。1979年由大連造船廠建造的“渤海5號(hào)”自升式平臺(tái)樁腿齒條采用了EH36鋼，而2010年建造完成的“海洋石油921”自升式平臺(tái)樁腿齒條則采用了690 MPa級(jí)別的鋼材。同樣，渤海裝備遼河重工在建造CP-300自升式平臺(tái)時(shí)主船體結(jié)構(gòu)和樁靴采用EH36鋼材，而在CP-400的建造中主船體和樁靴則部分采用了E460、E550以及E620超高強(qiáng)度鋼材。歐洲的Valhall海洋平臺(tái)在設(shè)計(jì)建造中，平臺(tái)頂部區(qū)域采用S500鋼板代替S420鋼板，大幅減少頂部甲板的重量，明顯降低建造及安裝費(fèi)用[26]。

從平臺(tái)的發(fā)展歷史來(lái)看，平臺(tái)用鋼的強(qiáng)度級(jí)別有明顯的上升趨勢(shì)，鋼材的高強(qiáng)輕量化，實(shí)現(xiàn)了海洋平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性與安全性的統(tǒng)一。單從經(jīng)濟(jì)效益上講，平臺(tái)用鋼屈服強(qiáng)度由420 MPa提高到500 MPa以上，海洋工程結(jié)構(gòu)可減重約20%，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)每年可節(jié)約海洋平臺(tái)用鋼約14萬(wàn)噸，節(jié)約資金8.4億元[27]。目前，國(guó)內(nèi)鋼廠已開發(fā)出690 MPa級(jí)鋼材，部分取代了進(jìn)口，但鑒于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的工程應(yīng)用業(yè)績(jī)尚不多，還有少量超高強(qiáng)度鋼需要進(jìn)口，見(jiàn)表28。國(guó)外，迪林根、瑞典SSAB 等公司已開發(fā)了屈服強(qiáng)度達(dá)到690 MPa 以上的海洋平臺(tái)用鋼，如0X812、SE702 等牌號(hào)[28]。北海油區(qū)海洋自升式平臺(tái)已使用最高屈服強(qiáng)度達(dá)到750 MPa 的鋼種[29]。為此，國(guó)內(nèi)鋼廠需進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，不斷提高690 MPa級(jí)別平臺(tái)鋼的質(zhì)量水平及穩(wěn)定性，同時(shí)研制開發(fā)690 MPa以上級(jí)別的超高強(qiáng)度平臺(tái)用鋼。

表28 我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼主要進(jìn)口品種[1]

2)超大厚度

隨著海洋平臺(tái)構(gòu)件向大型化發(fā)展，海洋平臺(tái)用鋼的厚度也不斷增大。厚度達(dá)60 mm甚至更厚的特厚板的應(yīng)用已較為普遍。自升式平臺(tái)樁腿的升降齒條機(jī)構(gòu)需要特厚齒條板，最大達(dá)到259 mm。渤海裝備遼河重工在建的CP-300與CP-400自升式平臺(tái)的齒條鋼厚度存在明顯的差別，其中CP-300齒條鋼的厚度為127 mm和152.4 mm，CP-400齒條鋼的厚度則達(dá)到178 mm。隨著海洋油氣開發(fā)不斷向深水發(fā)展，平臺(tái)用鋼的厚規(guī)格化是大勢(shì)所趨。

60 mm以上厚板的生產(chǎn)技術(shù)難度較大，易出現(xiàn)力學(xué)性能不均勻，心部韌性低；焊接HAZ韌性惡化，易發(fā)生焊接開裂；Z向性能低，出現(xiàn)層狀撕裂；時(shí)效敏感性強(qiáng)，疲勞性能差；夾雜物和帶狀組織超標(biāo)，需合理設(shè)計(jì)坯料解決方案，采用慢速大壓下技術(shù)以及良好的夾雜物控制技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外厚板坯料的處理途徑包括立彎式連鑄(主要鋼企)、立式連鑄(新日鐵、迪林根)、模鑄鋼錠(舞陽(yáng)、寶鋼、鞍鋼、湘鋼等)、電渣重熔(JFE、舞陽(yáng)、鞍鋼、武鋼)、水冷模鑄(營(yíng)口、南鋼等)、大鑄錠鍛造(舞陽(yáng)-中信重工、沙鋼-蘇南重工)、焊接復(fù)合坯(JFE、濟(jì)鋼、鞍鋼、興澄)、定向凝固(烏克蘭、舞陽(yáng))等。各坯料處理方案各具特色，各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中立彎式連鑄受限于連鑄坯的厚度，國(guó)內(nèi)連鑄設(shè)備生產(chǎn)的鑄坯厚度一般不超過(guò)400 mm，為保證較大的壓下比，鋼板厚度一般不超過(guò)100 mm；模鑄方式生產(chǎn)的板坯，易產(chǎn)生縮孔和疏松缺陷，在軋制過(guò)程中難以愈合，影響鋼板質(zhì)量；電渣重熔可生產(chǎn)高質(zhì)量板坯，但生產(chǎn)效率低，成本高；焊接復(fù)合坯通過(guò)焊后軋制，可生產(chǎn)合格產(chǎn)品，但加工工序多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)；大鑄錠鍛造通過(guò)鍛造可將鑄坯中的中心縮松閉鎖、焊合，改善中心偏析和疏松，提高產(chǎn)品質(zhì)量，但對(duì)軋機(jī)的能力要求高，工序復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高；立式連鑄可保證夾雜物充分上浮提高鋼液的純凈度，降低偏析和疏松，是生產(chǎn)高等級(jí)厚板的理想工藝，但投資相對(duì)較大。

120 mm以上特厚板一般采用調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)工藝，國(guó)內(nèi)鋼廠目前已具備生產(chǎn)高強(qiáng)特厚板的能力。但當(dāng)齒條鋼厚度超過(guò)150 mm時(shí)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外還有一定的差距，尚需從迪林根、JFE等國(guó)外公司進(jìn)口。目前，國(guó)外開發(fā)的齒條鋼厚度已達(dá)259 mm，國(guó)內(nèi)僅舞陽(yáng)開發(fā)了215 mm厚的齒條鋼。對(duì)于120 mm以下厚板也可采用TMCP或正火工藝生產(chǎn)，國(guó)外JFE采用TMCP工藝生產(chǎn)了101.6 mm厚API 2W-60鋼板，德國(guó)迪林根TMCP產(chǎn)品的最大厚度達(dá)120 mm。與此相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品還有一定差距。

厚規(guī)格鋼板的使用將隨著平臺(tái)的發(fā)展不斷增多，針對(duì)與國(guó)外厚板產(chǎn)品的差距，國(guó)內(nèi)需重點(diǎn)研發(fā)150 mm以上，尤其是259 mm厚度規(guī)格的齒條鋼。同時(shí)，與調(diào)質(zhì)及正火工藝相比，TMCP鋼具有碳當(dāng)量低，焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此TMCP系列厚板(100 mm以上)也應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展。

3)良好的低溫韌性

北極地區(qū)蘊(yùn)藏豐富的油氣資源，目前已在加拿大、俄羅斯及美國(guó)阿拉斯加的陸上等區(qū)域發(fā)現(xiàn)油氣田400多個(gè)，油氣當(dāng)量327.36×108t，占世界已發(fā)現(xiàn)常規(guī)油氣儲(chǔ)量(累計(jì)產(chǎn)量加上剩余儲(chǔ)量)的10%[30]。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)評(píng)估[31]認(rèn)為：北極圈具有122.6×108t原油、1 669×1012m3天然氣及60×108t天然氣液的待發(fā)現(xiàn)可采儲(chǔ)量，其中84%的油氣資源存在于海洋地區(qū)。在油氣能源形勢(shì)日漸嚴(yán)峻的今天，世界對(duì)北極地區(qū)油氣資源的關(guān)注程度將進(jìn)一步增加，美國(guó)、挪威以及俄羅斯等國(guó)家已紛紛將油氣勘探開發(fā)伸向北極地區(qū)。

而北極地區(qū)的嚴(yán)酷環(huán)境給油氣勘探開發(fā)帶來(lái)了極大難度和挑戰(zhàn)。北極大部分地區(qū)常年被冰雪覆蓋，北極海區(qū)最冷月平均氣溫可達(dá)-40℃，歷史最低溫度接近-70℃。鋼鐵材料在低溫下可能產(chǎn)生韌脆轉(zhuǎn)變，有發(fā)生低溫脆斷的危險(xiǎn)，極地低溫環(huán)境要求海洋平臺(tái)用鋼具有良好的低溫韌性。隨著海洋油氣開發(fā)的目標(biāo)轉(zhuǎn)向北極，F(xiàn)級(jí)甚至是更高級(jí)別鋼材的需求量將大增。中集來(lái)福士為挪威建造的Frigstad Deepwater Rig Beta半潛式石油平臺(tái)，已大量使用F級(jí)別鋼材，包括FH36、F420、F460、F550和F690等。

國(guó)內(nèi)F級(jí)平臺(tái)鋼的實(shí)際工程應(yīng)用較少，而且大部分F級(jí)別鋼材還需進(jìn)口。1994年，日本住友生產(chǎn)的101.6 mm厚345 MPa和76.2 mm厚414 MPa鋼板首次應(yīng)用至SHELL MARS張力腿平臺(tái)，鋼板具有優(yōu)異的低溫韌性，-80℃下壁厚處的橫向夏比沖擊剪切面積超過(guò)50%，沖擊功達(dá)到130～460 J。迪林根開發(fā)的用于北極圈庫(kù)頁(yè)Ⅱ島的S450鋼-60℃沖擊功超過(guò)300 J，滿足此類地區(qū)海洋開發(fā)的需要。住友和迪林根的上述產(chǎn)品均采用TMCP工藝生產(chǎn)，較低的碳當(dāng)量是此類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高的低溫韌性的重要保障。近年來(lái)，鞍鋼采用TMCP工藝生產(chǎn)的80 mm厚F550鋼板在中集來(lái)福士、中船重工等海洋平臺(tái)中得以應(yīng)用，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)度F級(jí)鋼板應(yīng)用的先河。而更高的690 MPa級(jí)、-60℃下使用的F690鋼，具有強(qiáng)度高、低溫韌性優(yōu)異等特點(diǎn)，生產(chǎn)難度較大，是國(guó)內(nèi)鋼廠下步重點(diǎn)研發(fā)目標(biāo)。

4)良好焊接性

作為大型焊接裝備，焊接工作在海洋平臺(tái)建造中的所占工時(shí)和成本比例較大。普通平臺(tái)鋼焊前需進(jìn)行預(yù)熱，焊后需進(jìn)行熱處理，通過(guò)提高平臺(tái)用鋼的焊接性能，不僅可以減少甚至免去焊前預(yù)熱和焊后熱處理工序，大大提高建造效率，降低建造成本；還可有效減少或避免裂紋等焊接缺陷發(fā)生，提升平臺(tái)的內(nèi)在質(zhì)量。因此，海洋平臺(tái)用鋼對(duì)焊接性的追求是無(wú)止境的。通過(guò)工藝技術(shù)革新，提高平臺(tái)用鋼的焊接性將是國(guó)內(nèi)外廠家不斷發(fā)展的方向和目標(biāo)。

日本在這方面走在世界的最前沿。從20世紀(jì)80年代開始，日本就已經(jīng)開發(fā)出適應(yīng)大線能量焊接的海洋工程用鋼，并成功應(yīng)用。隨著先進(jìn)的氧化物冶金技術(shù)的運(yùn)用，配合相應(yīng)的超快冷技術(shù)，日本JFE和新日鐵通過(guò)TMCP工藝生產(chǎn)了焊接熱輸入超過(guò)350 kJ/cm的大線能量焊接鋼。國(guó)內(nèi)僅鞍鋼的TMCP鋼板通過(guò)了100 kJ/cm的熱輸入認(rèn)證，在大線能量鋼，尤其是氧化物冶金原理及技術(shù)、氧化物尺寸精確控制等方面與日本還有較大差距。

在適應(yīng)大線能量焊接鋼的生產(chǎn)中，TMCP和超快冷技術(shù)的使用(有效降低碳當(dāng)量)是基礎(chǔ)，而氧化物冶金技術(shù)的合理運(yùn)用是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)有必要聯(lián)合對(duì)以氧化物冶金技術(shù)為核心的熱影響區(qū)組織控制進(jìn)行重點(diǎn)突破，從而打破國(guó)外壟斷，開發(fā)出具有更優(yōu)異焊接性能的平臺(tái)用鋼。

綜上，海洋平臺(tái)用鋼的高強(qiáng)度、高韌性以及良好焊接性能要求是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)和方向，從新日鐵、JFE以及迪林根等國(guó)外頂級(jí)企業(yè)的工藝技術(shù)特點(diǎn)看，以超快冷為核心的新一代TMCP技術(shù)在高性能海洋平臺(tái)用鋼方面發(fā)揮了重要作用。TMCP鋼與常規(guī)軋制鋼和正火鋼相比，它不嚴(yán)重依賴合金元素，通過(guò)水冷控制組織，可以達(dá)到高強(qiáng)度和高韌性的要求，因此可以降低焊接時(shí)的預(yù)熱溫度或省略預(yù)熱；碳當(dāng)量低又可以降低焊接熱影響區(qū)的硬度，不容易形成因顯微偏析而產(chǎn)生的局部硬化相，保證焊接部位的韌性。圖9為TMCP鋼與正火鋼碳當(dāng)量—屈服強(qiáng)度關(guān)系對(duì)比圖，可以看出，在相同碳當(dāng)量下，TMCP鋼具有更高的強(qiáng)度。圖10為TMCP鋼與正火鋼沖擊韌性對(duì)比圖，可見(jiàn)，相同強(qiáng)度級(jí)別的TMCP鋼具有更低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，上升平臺(tái)能更高，沖擊韌性大幅度提高。TMCP鋼在大厚度、高強(qiáng)度、高韌性和大線能量焊接鋼的開發(fā)應(yīng)用上具有顯著優(yōu)勢(shì)。圖11給出了2007年日本工業(yè)領(lǐng)域采用不同生產(chǎn)工藝鋼板的應(yīng)用比例，可見(jiàn)，TMCP鋼在海洋結(jié)構(gòu)和管線中的應(yīng)用比例最大，均達(dá)到98%，普通熱軋和熱處理鋼在海洋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用極少，僅占2%。目前，我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼中TMCP鋼應(yīng)用的比例與日本還有不小的差距。

圖9 TMCP鋼與正火鋼碳當(dāng)量—屈服強(qiáng)度關(guān)系對(duì)比[26]

圖10 TMCP鋼與正火鋼沖擊韌性對(duì)比[26]

圖11 日本工業(yè)領(lǐng)域采用不同生產(chǎn)工藝鋼板的應(yīng)用比例[32]

近年來(lái)，隨著以新一代超快冷為核心的TMCP技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的冷卻路徑控制及組織調(diào)控，為高性能海洋平臺(tái)用鋼的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，高溫軋制技術(shù)(HTP)、在線熱處理工藝(HOP)以及直接淬火回火(DQT)等新型TMCP工藝的發(fā)展和運(yùn)用，拓展了傳統(tǒng)TMCP的工藝范圍，可最大限度發(fā)揮TMCP的優(yōu)勢(shì)，有助于高壁厚、高強(qiáng)度、高韌性以及高熱焊接熱輸入平臺(tái)用鋼的開發(fā)。因此，TMCP工藝兼顧了低碳當(dāng)量，以確保良好的低溫韌性和焊接性，同時(shí)通過(guò)組織精細(xì)控制保證強(qiáng)韌性，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，代表了海洋平臺(tái)用鋼的發(fā)展方向。

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Status and Development Trends of Offshore Platform Steels Ⅳ

DU Wei， LI Helin

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized, which include general strength steel, high strength steel, ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel, Z-direction steel, high heat input welding steel, mooring chain steel and high strength cast steel, etc.). The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards, API standards, classification society standards and national standards are concluded. Then the R&D status of platform steels are discussed. Lastly, the development trends of offshore platform steels are pointed out.

offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

杜 偉，男，1982年生，工程師，2008年碩士畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)06-0011-05

2016-04-14 編輯：屈憶欣)