摘要：随着国内海洋深水油气田的开发，高钢级高强度钻井隔水管需求量逐渐增大。目前在深水领域所使用的这类管材基本上全部依赖进口，急需进行国产化研究。通过大量调研与隔水管相关的国内外标准后，发现在现有的国内外标准中，没有明确针对钻井隔水管材料性能的标准。为研究制定深水钻井隔水管材料性能标准，重点以Ø508mm以上规格的X80钢级隔水管为研究对象，分析现有国内外相关标准，并结合材料试验，制定了X80钢级隔水管材料性能指标。钻井隔水管材料性能标准的制定，统一了隔水管材料的性能指标，弥补了各类标准不统一的不足，同时对推动我国海洋深水钻井隔水管国产化进程提供了技术支撑。
关键词：海洋；深水；高钢级；高强度；钻井隔水管；材料；标准；国产化
0 引言
由于隔水管使用的特殊环境(海洋)，其承受的载荷是多变的、复杂的，诸如遭受谐振(钻井)、波浪运动、当前工作载荷、平台运动、隔水管动力响应、涡激振动、周期扭转(钻井)、旋转弯曲等复合载荷的影响。因此，需要保证隔水管具有良好的性能。但是，如何评价隔水管，尤其是深水钻井隔水管(X80钢级)，具有满足使用要求的材料性能，在详细调研分析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等与隔水管相关的国内外标准后[1～7]，发现在现有的国内外标准中，没有明确针对钻井隔水管材料性能的标准。笔者参考了API Spec 5L、API Spec 16F、API RP 16Q、API RP 2RD、ISO 13628-7/API RP 17G、SY/T 10037、SY/T 6558等标准[1～8]，结合材料试验，建立了Ø508mm以上规格的X80钢级钻井隔水管材料性能的一般性指标。
1 标准分析
1.1 API Spec 5L标准相关规定
在API Spec 5L《管线管规范》标准关于PSL2焊管的化学成分要求磷元素(P)最大含量为0.025%(重量百分比)，硫元素(S)最大含量为0.015%，且对碳当量(CE)提出了强制性要求，即X80焊管的CE不应超过0.25%。关于PSL2焊管的拉伸性能要求如表1所示，对屈服强度最大值、抗拉强度最大值提出了强制性要求，并规定屈强比(屈服强度/抗拉强度)不得超过0.93。关于PSL2焊管的断裂韧性要求：对X80钢级全尺寸最小夏比“V”型缺口横向吸收能(以下均简称全尺寸最小横向吸收能)要求为40J，试验温度为0℃。
表1 APl Spec 5L PSL2焊管拉伸性能要求表
|
钢级
|
屈服强度/MPa
|
抗拉强度/MPa
|
伸长率/%
|
||
|
min
|
max
|
min
|
max
|
min
|
|
|
X80
|
555
|
705
|
625
|
825
|
21
|
1.2 API Spec 16F标准相关规定
API Spec 16F《海洋钻井隔水管设备规范》标准规定了海洋钻井隔水管设备设计、制造、安装的性能和质量，明确指出隔水管主管可以是直缝焊管或无缝管，但不允许是螺旋焊管。对于主管管体，明确规定“按照API Spec 5L选取试样，主管的横向吸收能应符合API Spec 5L PSL2的要求，主管的拉伸性能应满足API Spec 5L PSL2的要求。所有材料的最小力学性能应在厂家规范中规定”。
1.3 API RP 16Q标准相关规定
API RP 16Q《海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法》标准第2.7.3.1节指出“隔水管主管应有承受波浪、潮流、应用张力、钻井平台运动以及符合表3.1的钻井液重量等复合载荷的足够强度，挤毁压力和操作载荷也应考虑；主管的强度特性由其外径、壁厚、钢级决定；隔水管钢级通常使用的是X52、X65、X80”。
1.4 API RP 2RD标准相关规定
在API RP 2RD《浮式生产系统和张力腿平台的立管设计》标准7.3.1.1.1节指出“本部分适用于钢管、钛管、柔性管。购买的管子应与标准一致，标准中明确定义管子性能要求。管子制造商应执行质量管理体系的一般要求。如金属管子制造和试验的最小值应与API SPEC 5L、API SPEC 5CT[8]或等同工业标准一致”。
1.5 ISO 13628-7/API RP 17G标准相关规定
ISO 13628-7/API RP 17G《石油和天然气工业.水下采油系统的设计和操作.第7部分完井修井隔水管系统》中第7.2.7节规定化学成分的P最大含量为0.025%，S最大含量为0.025%。在7.2.9节中明确给出了碳钢和低合金钢的一般力学性能要求(表2)，并规定最小纵向吸收能的均值和单值应是横向吸收能的1.5倍。
1.6 SY/T 10037标准相关规定
在SY/T 10037《海底管道系统规范》标准中对规定最小屈服强度小于或等于555MPa的有缝或无缝的碳锰钢管线管的化学成分、力学性能(拉伸性能、冲击韧性)作了具体要求。在该标准中以质量等级分类(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)分别对碳锰钢的化学成分、力学性能进行了规定。对X80钢级焊管，主要考虑质量等级Ⅰ的碳锰钢规定要求，标准要求P最大含量为0.020%，S最大含量为0.008%，最大碳当量为0.22%；力学性能要求见表3，同样指出纵向吸收能要比横向吸收能高出50%。
表2 碳钢和低合金钢力学性能要求表
|
特性
|
要求
|
|
|
最小伸长率/%
|
横向
|
14
|
|
纵向
|
16
|
|
|
最大屈强比
|
|
0.92
|
|
冲击试验温度/℃
|
|
最小设计温度
|
|
全尺寸最小横向吸收能均值(单值)/J
|
屈服强度小于等于310MPa
|
27(20)
|
|
屈服强度大于等于310MPa
|
40(30)
|
|
表3 质量等级Ⅰ碳锰钢管线管力学性能要求表
|
最小屈服强度/MPa
|
最小抗拉强度/MPa
|
最大屈强比
|
最小伸长率/%
|
全尺寸最小横向吸收能均值(单值)/J
|
|
555
|
625
|
0.92
|
20
|
56(45)
|
1.7 SY/T 6558标准相关规定
SY/T 6558《海上油气水井抗冰隔水管设计与制造规范》标准中，对抗冰隔水管结构用材料的屈强比进行了如下规定：①一般强度结构用钢，其屈强比应不大于0.7；②高强度结构用钢，其屈强比应不大于0.85。对材料的其他性能没有作相应的规定要求。
1.8 钻井隔水管材料性能一般性指标
综合分析API Spec 5L PSL2焊管、API Spec 16F、API RP 16Q、API RP 2RD、ISO 13628 7/API RP 17G国际标准以及SY/T 10037、SY/T 6558行业标准中关于与钻井隔水管相关的材料性能要求，结合国际钢管企业生产情况，如Tenaris公司采用API Spec 5L XS0钢级制造了深水钻井隔水管管体，制定Ø508mm以上规格的X80钢级隔水管主管的材料性能的一般性指标如下：
1) 钻井隔水管主管化学成分中P、S元素重量百分比要求：P≤0.025%，S≤0.015%；碳当量不应超过0.24%。
2) 钻井隔水管主管力学性能要求见表4，冲击试验温度为最小设计温度，一般为0℃，且纵向吸收能应比横向吸收能高出50%。
2 国内外X80钢级管材材料试验分析
因钻井隔水管使用的特殊环境(海洋)，在隔水管材料获取困难的情况下，参照上述有关标准和国外做法，首先对国内Ø1219×22mm X80和国外Ø1219×26.4mm X80直缝焊管进行材料试验分析，获得化学成分和拉伸性能、全尺寸最小横向吸收能(试验温度0℃)，试验结果分别见表5和表6，并计算碳当量(CE)，试验方法参照API Spec 5L相关规定。
3 钻井隔水管主管材料性能指标修订
依据上述试验结果，结合管材所前期管线钢研究成果，对Ø508mm以上规格的X80钢级隔水管主管的材料性能指标修订如下：
1) 钻井隔水管主管化学成分中P、S元素重量百分比要求：P≤0.022%，S≤0.010%；碳当量不应超过0.23%。
2) 钻井隔水管主管力学性能要求见表7，冲击试验温度为最小设计温度，一般为0℃，且纵向吸收能应比横向吸收能高出50%。
表4 钻井隔水管主管力学性能要求表
|
钢级
|
屈服强度/MPa
|
抗拉强度/MPa
|
屈强比
|
延伸率/%
|
全尺寸最小横向吸收能/J
|
||
|
min
|
max
|
min
|
max
|
min
|
max
|
均值
|
|
|
X80
|
555
|
705
|
625
|
825
|
0.92
|
21
|
60
|
表5 化学成分检测结果表
|
元素
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Mo
|
Ni
|
Nb
|
V
|
Ti
|
Cu
|
B
|
Al
|
CE
|
|
|
国内
|
管体
|
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
|
|
焊缝
|
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
|
|
|
国外
|
管体
|
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
|
|
焊缝
|
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：化学成分检验结果单位为重量百分比。
表6 力学性能检测结果表
|
项目
|
位置
|
抗拉强度/MPa
|
屈服强度/MPa
|
屈强比
|
延伸率/%
|
吸收能/J
|
|
国内
|
管体横向
|
672
|
560
|
0.83
|
44.5
|
343
|
|
焊缝横向
|
700
|
|
断于母材
|
|
176
|
|
|
国外
|
管体横向
|
696
|
559
|
0.80
|
46.3
|
340
|
|
焊缝横向
|
728
|
|
断于热影响区
|
|
200
|
表7 钻井隔水管主管力学性能要求表
|
钢级
|
屈服强度/MPa
|
抗拉强度/MPa
|
屈强比
|
延伸率/%
|
全尺寸最小横向吸收能/J
|
||
|
min
|
max
|
min
|
max
|
min
|
max
|
均值
|
|
|
X80
|
555
|
705
|
625
|
825
|
0.92
|
21
|
100
|
4 结论
1) Ø508mm以上规格的X80钢级隔水管为海洋深水油气开发的主要用管，目前仍缺失专门针对钻井隔水管规范标准。
2) 分析现有国内外相关标准，并结合材料试验，研究制定了X80钢级隔水管主管材料性能标准，对于其他钢级规格的隔水管材料性能标准的制定也可采取类似的研究方法。
3) 钻井隔水管材料性能标准的制定，统一了隔水管材料性能指标，弥补了各类标准不统一的现象，同时对促进我国深水钻井隔水管国产化进程提供了技术支撑。
参考文献
[1] API管材标准化分委员会.API Spec 5L-2007管线管规范[S].44版.华盛顿：美国石油学会，2007.
[2] API钻井标准化分委员会.API Spec 16F-2004海洋钻井隔水管设备规范[S].华盛顿：美国石油学会，2004.
[3] API钻井标准化分委员会.API RP 16Q-1993海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法[S].华盛顿：美国石油学会，1993.
[4] API浮式系统标准化分委员会.API RP 2RD-1998浮式生产系统和张力腿平台的立管设计[S].华盛顿：美国石油学会，1993.
[5] 国际标准化ISO/TC 67技术委员会.ISO 13628-7-2005石油和天然气工业水下采油系统的设计和操作 第7部分：完井修井隔水管系统[S].日内瓦：国际标准化组织，2005.
[6] 中国海洋石油总公司.SY/T 10037-2002海底管道系统规范[S].北京：石油工业出版社，2002.
[7] 石油工业安全专业标准化技术委员会.SY/T 6558-2003海上油气水井抗冰隔水管设计与制造规范[S].北京：石油工业出版社，2003.
[8] API管材标准化分委员会.API Spec 5CT 2005套管和油管规范[S].8版.华盛顿：美国石油学会，2005.
(本文作者：王建军 林凯 宫少涛 田峰中国石油天然气集团公司管材研究所)
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