海洋油气勘探开发用管材技术

海洋油气勘探开发用管材技术陕西科学技术信息研究所2011年9月目录一、背景………………………………………………………………………………………………（１）二、概述 (2)三、国内海底管线钢的开发与应用情况 (3)3.1.国内管线钢生产技术现状分析 (5)3.1.1管线钢的组织分类及其特性 (7)3.1.2针状铁素体和超低碳贝氏体钢 (10)3.1.3低碳素氏体钢 (12)3.2国内管线钢生产技术现状分析 (15)3.4 近年来世界范围内主要海底管线钢应用情况 (17)3.5 近年来世界范围内主要海底管道工程 (20)3.5 南海荔湾海底管线项目（China South Sea Liwan offshore pipeline project） (21)四、产品试制及研究 (23)4.1某深海用管线钢的试制 (24)4.2 JCOE成形直缝埋弧焊接深海钻井隔水管的生产 (25)4.3 锦州20-2凝析气田海底管道投产工艺 (28)五、关注的几种的不同类型的海底管线 (30)5.1隔水管系统 (31)5.1.3 隔水管（准）静态性能分析 (32)5.1.4 隔水管的非线性动力学分析 (34)5.1.5 Cameron公司LoadKing隔水管系统 (35)5.1.6深海隔水管接头材料规范 (36)5.2脐带管 (37)六、海底管道检测及安全评估——海底油气管道的强度、寿命评估技术研究七、海底管材应用趋势——复合材料 (38)一、背景受宝鸡石油钢管有限责任公司的委托，查询国内在“海洋油气勘探开发用管材技术”方面的研究、应用状况，依据委托人提供的检索关键词，编制出相应的检索策略，进行了馆藏科技文献、光盘数据库、国内联机数据库及相关网络信息资料检索。

国内外海洋油气管材应用现状、发展趋势及项目案例；国内外海洋管材技术研究现状及发展趋势：海底管线管、海洋隔水母管、脐带管；海洋管道设计及制造关键技术：海洋服役环境（压力、耐酸）；材料成分、组织及性能（钢材、钛合金）、制造工艺技术（焊接；成型；）、检测技术（疲劳韧性；涡激振动；抗挤毁；耐腐蚀）。

二、概述海底输油（气）管道是海上油（气）田开发生产系统的主要组成部分。

随着海上油（气）田的不断开发，海底输油（气）管道实际上已经成为广泛应用于海洋石油工业的一种有效运输手段。

随着海上油田开采方式和技术的发展，海底管道已广泛应用于海上油田的开发。

正是钢制管道材料的大量使用，带动了各钢铁厂的发展，但恶劣的海上施工环境和激烈的国内外市场竞争，也对钢管的质量、规格、材质、价格、供货周期和配套的售后服务等，提出了越来越高的要求。

2.1我国海底管道的发展状况铺管技术有：浮游法、悬浮拖法、底拖法、离底擅法、铺管船法及深水区域的”J”型铺管法等，铺管水深已能大于610m，铺管设备已发展到了第4代，即箱体式铺管船、船型式铺管船、半潜式铺管船和动力定位式铺管船。

1973年我国首次在山东黄岛采用浮游法铺设了3条500 m长度的从系泊装置至岸上的海底输油管道，1985年由渤海石油海上工程公司在埕北油田采用浮游法铺设了1．6 km钻采平台之间的海底埴油管道。

渤海海域开发生产的8个油／气田中，采用铺船法铺设了21条各种类型的海底管道，主要包括：双重保温输油管道、单层输气管道、单层输水管道、单层油气混输管道以及2条绑在一起同时铺设的子母管道，共累计铺设海底管道达186km。

1998正利油田浅海埋岛油田区还铺设了lO多条海底输油管道，总长3O多km。

广东惠州铺设了10 km的海底输油管道解决海岛至陆地的原油快速接卸运输，为茂名石化铺设了15 km的浮式单点至陆地的海底输油管道等。

2.2 海底管道的分类与设计海上油田按油气集输外运方式可以划分为码头式、单点系泊式、登陆式等。

就海底管道而言，主要有：海上油田内部的油／气集输管道和注水管道；海上油田到陆地(陆地处理厂、炼厂和储油装置)的输油／气管道；陆地到装卸油品的系泊装置间的海底管道及岛屿或与岸联结的海底管道等。

从结构上看可分为双重保温管道和单层管道。

从输送介质可分为海底输油管道、海底输气管道、海底油气混输管道和海底输水管道等。

海底管道的设计通常按照国际通用规范进行。

一般考虑的主要因素有：选用的设计条件、规范和规定，管道路由、海底状况、坐标及接口，管道设计寿命，操作数据及条件，管道尺寸，环境数据，钢管材料特性与外防腐和涂层等。

海底管道设计主要包括：管道尺寸和壁厚设计，工艺流程分析，管道稳定性计算，膨胀位移设计，铺设应力计算，弃管与回收计算，立管设计，管道自由跨度分析及管道防腐设计等。

2.3 铺设海底管道对管材的要求海底管道的铺设方法有浮游法、悬浮拖法、底拖法、离底拖法、铺管法等，其中使用铺管船法铺设海底管道是最常用的铺管方式之一。

其主要优点表现在流水线作业效率高、管子变形及强度控制较好、适应较深水域、能弃管避风等。

目前国内拥有的第2代铺管船的主要原理是：依靠船的锚泊系统沿定位方向移船，利用滚轮传送系统和作业线形成运管、清洁除锈、对管、焊接、检验、接头防腐处理等流水作业，使用张紧器和托管架控制管道变形等。

据统计，我国近海用铺管船法铺设的海底管道约占铺管数量的97％以上。

通过上述数据可以看出，海底管道主要依靠铺管船铺设，工程所用管材必须满足设计和海上铺管的藏工要求才能使用。

众所周知，由于海洋工程投资大、风险高以及恶劣的施工环境，因此特别注重施工效率，千方百计寻求各种方式来缩短工期，减少作业船只等费用。

实际工程中发现，在海上铺管船流水作业线的特定条件下，当海况环境达到一定恶劣情况但不威胁管道的安全时，影响铺管作业进度的主要原因之一就是管道对中和焊接。

三、国内海底管线钢的开发与应用情况3.1.国内管线钢生产技术现状分析20世纪50~70年代管线钢主要采用A3钢和16Mn钢；70年代后期和80年代采用从日本进口的TS52K钢（相当于X52级钢）；90年代，管线钢主要采用的X52、X60、X65级热轧板卷主要由宝钢和武钢生产供应。

“八五”期间成功研制和开发了X52~X70级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。

西气东输工程采用了X70级管线钢。

目前针对X80高钢级管材的研究和应用，石油部门与冶金部门联合开展了10余顶国家基础研究与攻关、应用基础研究和技术开发项目；其中包括国家“973”项目“高强度管线钢的重大工艺基础研究”，中油集团技术开发项目“X80管线钢管的开发与应用”、“X80管线钢的焊接及高韧性焊材选择”等等。

3.1.1管线钢的组织分类及其特性随着合金设计、冶炼水平和轧制工艺的发展，具有不同特性、适用于多种条件的管线钢已经生产，它应用了微合金钢发展的一切成果。

铁素体-珠光体组织为第一代微合金管线钢，强度级别X42-X70；针状铁素体管线钢为第二代微合金管线钢，强度级别范围可覆盖X60-X90。

其中管线钢的组织结构是决定其使用性能和安全服股的内部根据。

目前，按照组织形态归类，管线钢具有以下3种典型的类型：3.1.1铁素体-珠光体钢和少珠光体钢60年代后期在国外发展起来的第一代管线系列钢（X52-X70强度级），称为铁素体+珠光体管线钢。

它以高纯净（S≤0.010%，N≤60ppm，N+O+P+S≤150ppm）和细晶粒（10~15μm）的铁素体+（5%~15%）珠光体为基体，综合使用微量碳（C 0.05%~0.10%），微量的铌，钒，钛（Nb+V+Ti≤0.12%）。

国产的X52-X65级管线钢为控轧C-Mn-Nb-Ti或C-Mn-Nb-Ti-V系列铁素体-珠光体型微合金钢。

少珠光体管线钢的典型化学成分有Mn-Nb，Mn-V，Mn-Vb-V等。

一般含碳量小于0.1%，铌、钒、钛的总含量小于0.10%，代表钢钟是60年代末的X56、X60和X65。

这类钢突破了传统铁素体-珠光体钢热轧正火的生产工艺，进入了微合金化钢控轧的生产阶段。

具有铁素体-珠光体和少珠光体的管线钢，通过采用微合金化和控制轧制等强化手段，在保证高韧性和良好焊接性的条件下，可将20mm的宽厚板提高到500~550MPa的极限水平。

3.1.2针状铁素体和超低碳贝氏体钢典型成分为C-Mn-Nb-Mo，一般碳含量小于0.06%。

为了把碳当量保持在较低水平上，强度在X70级以上的制管带钢必须采用贝氏体铁素体组织，钼合金化是获得这种组织最成功的技术。

依靠成分调整，降碳、提锰和添加钼以及轧后采取较高的冷却强度，易形成这种贝氏体类型的铁素体组织，是X65-X80级高强度韧性管线钢的主要成分规范。

针状铁素体钢通过微合金化和控制轧制，综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到650MPa以上，-60℃的冲击韧性达80J。

针状铁素体管线钢是西气东输工程选用的管线钢种。

这种钢从合金设计、冶炼工艺、轧制工艺到管材显微组织状态都与第一代的管线钢不同。

该钢特征是进一步提高纯净度（C≤0.05%，S≤0.005%，P≤0.010%，N≤30ppm，P+S++N≤100ppm），使用钙处理硫化物，在连铸过程中采用电磁搅拌和动态软压下措施。

在钢的基体中加入微量钼（0.2%~0.4%）以促使针状铁素体的形成，并用适量铜、镍、铬强化基体；在高温动态再结晶临界温度上下温度区间进行控制轧制，通过在线强制加速冷却，进一步细化晶粒度（平均3~8μm），使其铁素体基体的均匀化程度提高，位错密度增加。

这种钢具有比铁素体-珠光体型管线钢更好的焊接性能（Pcm≤0.20），其对脆性断裂，硫化氢或二氧化碳引起的阳极腐蚀（点蚀），应力腐蚀（SCC），硫化氢应力腐蚀断裂（SSC），氢诱发裂纹（HIC），延性断裂（DDF）六个方面的“抗力”要比其它钢种高得多。

超低碳贝氏体钢在成分设计上，选择上碳、锰、铌、钼、硼、钛的最佳配合，从而在较大冷却速度范围内部都形成完全的贝氏体组织。

超低碳控轧贝氏体钢的屈服强度可望提高至700~800MPa，因而超低碳贝氏体钢被誉为21世纪的控轧钢。

与铁素体-珠光体和少珠光体管线钢相比，针状铁素体和超低碳贝氏体钢具有不同的强韧化方式。

控制针状铁素体或低碳贝氏体强韧性的“有效晶粒”是贝氏体铁素体板条束。

铁素体板条束的大小，不但可以借降低再加热温度、形变量和终轧温度等控轧参数来获得，而且还可以通过改变冷却速度等控冷参数来进行控制，因而针对铁素体或超低碳贝氏体钢的“有效晶粒”尺寸将大大细化。

3.1.3低碳素氏体钢从长远的观点看，未来的管线钢将向着更高的强韧化方向发展。

如果控制轧制技术满足不了这种要求，可以采用淬火+回火的热处理工艺，通过形成低碳素氏体组织来获得。

3.2国内管线钢生产技术现状分析3.2.1冶炼X65/X70级管线钢生产中，首先要进行铁水预处理。