南鋼海底管線用鋼研發(fā)及產業(yè)化

南鋼1500米海底管線用鋼研發(fā)及產業(yè)化南京鋼鐵股份有限公司1.研發(fā)背景2.基礎研究3.工業(yè)化生產4.應用研究及供貨

主要內容5.結論6.3000米深海管線開發(fā)研發(fā)背景全海域盆地：面積160萬平方公里，油氣地質資源量390億噸油氣田分布渤海海域41個南海西部海域17個南海東部海域21個東海海域2個共81個油氣田，大部分油氣需通過海底管線輸送中海油的油氣田分布中海油油氣田分布海洋油氣占全球石油天然氣總量的70%，隨著陸地能源枯竭，海上石油開采將成為主戰(zhàn)場中國南海油氣資源占我國油氣資源的三分之一，是我國未來油氣開發(fā)的重點荔灣3-1氣田是我國第一個世界級深水天然氣項目，也是國內最大、最深的海上氣田，具有十分重要的戰(zhàn)略意義國家正加大對南海油氣資源的開發(fā)力度，海底管線鋼的需求數(shù)量必將大幅度增加深海管線海底管線鋼應用前景FPSO17條陸上終端12個海底管道216條，總長4626公里平臺151座要求具有優(yōu)良的管形（如直徑、橢圓度、切斜、直度、壁厚等），以便現(xiàn)場對接。鋼管的純凈度要求高，高焊接熱輸入下粗晶熱影響區(qū)細小彌散的復合夾雜物促使針狀鐵素體的形成，可有效抑制奧氏體晶粒迅速長大，提高熱影響區(qū)的綜合性能。鋼管還需滿足應變時效性能，時效后的屈強比、強度及變化幅度、CVN等韌性指標應滿足時效前的技術指標要求。具有優(yōu)異的低溫斷裂韌性和止裂能力，滿足CTOD、DWTT、CVN等性能指標要求具有優(yōu)異的抗大變形能力，規(guī)范要求鋼管的縱向拉伸，為減少和緩和鋪管過程造成應力集中，DNV規(guī)范同時還要求整批交付的鋼管其縱向YS應比較均勻，變化幅度應≤120MPa。既要能承受較大的內壓，最大設計操作壓力22.9MPa，又要承受較高的外壓15MPa和可能的沖擊，要求鋼管必須具有足夠的強度和較大的剛度，即抗壓潰能力。因此要求大壁厚，小管徑，即大的厚徑比（t/D）海底管線設計要求設計要求力學性能指標南海荔灣1500m深海管的鋼板內控訂貨技術要求我國南海荔灣3-1氣田是我國首個1500米深海油氣項目，該項目用材質為SMYS450F(X65)的直縫埋弧焊管，鋼管規(guī)格為558.8mm×22.2-31.0mm（D/t=18.03~25.17）試樣方向拉伸夏比沖擊韌性-20℃橫向時效沖擊-20℃

5%應變250℃保溫1小時DWTTCTOD-10℃Rt0.5MpaRmMpaRt0.5/RmA50%Akv均值J剪切面積均值-25℃均值橫向410-510535-750≤0.85≥30≥180≥90%≥未時效橫向沖擊值的50%≥85%≥0.20mm縱向400-500535-750≤0.85≥30

≥0.20mm阿曼-印度海底天然氣管道RequirementsforOman-Indiagas-transmissionpipeline荔灣深水Lengthofsubmarineline:1200km160KmMax.waterdepth:3500m1500mMax.pipesize:610mmI.D.x41mmW.T.558.8

mmI.D.x22.2~31mmW.T.Material:X70non-sourSMYS450F(X65)Yieldstrength:482-586MPa450-570MPaTensilestrength:565-793Mpa535-760MPaCVNbase,-10℃:200/150J180/150JCVNweld,-10℃:100/75J45/38JDWT,-10℃:min.85%SA85%SACTODweld,-10℃:min.0.15mm0.20mmOut-of-roundess:≤4mm4mmD/t：16.920.72.基礎研究深海管線用SMYS450F鋼冶煉內控成分(wt,%)低碳(≤0.07%):保證良好的焊接性能和低溫韌性高錳：高強度、細化晶粒、節(jié)約合金成本鈮、鈦：晶粒細化&析出強化鉬、鎳、鉻：提高鋼的淬透性，保證沿板厚方向得到均勻的顯微組織，提高韌性硫、磷、氧、氮等：盡可能降低其含量以凈化鋼質，顯著提高鋼的韌性成分設計思路CSiMnPSNiCr+MoNbTi≤0.070.10-0.301.40-1.60≤0.013≤0.0020.10-0.300.08-0.250.050-0.0600.01-0.02組織設計為了確保力學性能，尤其是低屈強比（鋼板縱橫向屈強比≤0.85）和低溫DWTT，采用F+AF+B的復合組織結構SMYS450F鋼組織的金相照片動態(tài)CCT曲線可以看出：隨著冷速增加，組織結構發(fā)生變化，熱軋后應控制冷速在一定范圍內在10~30℃/s的范圍內都能得到針狀鐵素體型組織連續(xù)冷卻過程中的相變

WQWQWQAirCoolingReheating1200℃TemperatureTime析出物控制

析出物類型：①高溫條件下析出：外形規(guī)則的TiN為主，附著復合析出相或Nb的析出相②低溫條件下析出：NbC為主，尺寸細小，圓形或橢圓形析出物作用：①抑制再結晶，細化晶粒；②析出強化，提高材料強度；③增加鐵素體形核點，細化成品組織析出物控制

Ti1Nb2TiNb12鋼中典型的析出物及其能譜(b)NbNbTiCu(a)3.工業(yè)化生產精煉（LF+RH）工藝路線工藝控制要點冶煉及連鑄工藝要點鐵水預處理脫硫：鐵水預處理后控制[S]≤0.002%轉爐冶煉：保證終點溫度和碳同時命中，減少拉碳次數(shù)，終點碳控制在[C]≤0.07%、S≤0.0020%、P≤0.0130%、[N]≤0.0060%，嚴格控制殘余元素Pb、Bi、Sb、Sn、As含量LF冶煉：造還原性渣、溫度和合金成分微調RH冶煉：RH精煉低真空度(≤3mbar)保持時間≥15min。喂絲結束后靜攪時間≥15min連鑄：過熱度控制在10-30℃之間；連鑄保護澆注；適時向中間包內加無碳覆蓋劑；結晶器液面±3mm波動，防止卷渣；穩(wěn)定控制拉速熱軋工藝要點加熱工藝：出鋼溫度1150-1200℃，加熱時間為10-13min/cm第二階段開軋溫度：為保證DWTT性能，第二階段開軋溫度小于900℃終軋溫度：兼顧現(xiàn)場軋制板形控制以及確保在Ar3相變溫度點以上終軋入水溫度：

為了滿足F+AF+B的多相組織設計，入水溫度控制在奧氏體+鐵素體兩相區(qū)域弛豫時間：終軋完了至入水前控制一定的時間，以得到適量的多邊形鐵素體，首次把“弛豫時間自動化控制”固化在生產程序中，達到對組織定量控制的目的，最終獲得所需要的性能終冷溫度：為確保鋼板低屈強比、合適的強度，終冷溫度小于450℃工藝控制要點化學成分CMnSiPSNiMoNbTiN/ppmH/ppmCEⅡWCEPcm最小值0.0341.500.120.0060.00060.170.0880.0500.010320.390.330.13最大值0.0551.590.210.0130.00170.210.1030.0550.018672.220.350.15平均值0.0421.540.150.0090.00100.180.0940.0530.0133461.200.340.138標準偏差0.00380.0150.0160.00140.00020.0080.00340.00120.00167.00.380.0060.005成分統(tǒng)計分析如下表窄成分控制和高純凈度控制，為提高鋼板性能均勻性奠定了良好的基礎微觀組織微觀組織的SEM照片析出物的TEM像成品組織為F+AF+B的復相組織析出物尺寸細小，彌散分布力學性能1.拉伸性能屈服強度/MPa抗拉強度/MPa延伸率/%屈強比橫向縱向橫向縱向橫向縱向橫向縱向最小值41040054553545460.670.67最大值51050064563559.559.00.850.85平均值44644159158051510.760.76標準偏差20.117.816.516.42.92.80.0300.027工業(yè)化生產了43000噸橫向和縱向屈服強度分別為410-510MPa和400-500MPa橫向和縱向抗拉強度545-645MPa和535-635MPa屈強比≤0.85拉伸性能統(tǒng)計分析如下表拉伸性能波動較小，屈強比較低拉伸性能分布橫向屈服分布圖縱向屈服分布圖橫向屈強比分布圖縱向屈強比分布圖2.低溫韌性鋼板夏比沖擊（-20℃）DWTT/%沖擊功/J剪切面積/%單個平均值單個平均值單個平均值最小值21122590927685最大值511499100100100100平均值4324321001009090標準偏差28.624.10.40.33.72.9SMYS450F鋼板-20℃沖擊和DWTT值統(tǒng)計批量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果：-20℃落錘試驗單個試樣剪切面積最小值≥76%，平均值的最小值≥85%應變時效夏比沖擊功大于300J99.5%鋼板的沖擊功大于358J低溫性能3.系列溫度沖擊和DWTT性能不同厚度規(guī)格鋼板-70℃沖擊功均在400J以上-30℃DWTT均值在85%以上鋼板具有優(yōu)異的低溫韌性22.2mm鋼板系列溫度沖擊性能27mm鋼板系列溫度沖擊性能系列溫度DWTT性能低溫性能4.應用研究及供貨業(yè)績制管工藝Φ559mmSMYS450F生產工藝（JCOE）：板探→銑邊→預彎→折彎→預焊→焊引熄弧板→內焊→外焊→UT→擴徑→水壓→修端→UT→RT→外觀檢測→涂覆屈服強度/MPa抗拉強度/MPa延伸率/%屈強比橫向縱向橫向縱向焊縫橫向縱向橫向縱向最小值45645356554056543490.760.76最大值57057066066067559590.880.88平均值50951860759661854540.830.85標準偏差24.421.817.917.815.82.12.00.0310.028制管后的力學性能SMYS450F鋼管拉伸性能統(tǒng)計分析

制管后鋼板屈服強度、抗拉強度和屈強比均有所提高，完全符合南海荔灣項目1500米深海管線技術要求1.拉伸性能SMYS450F鋼管-20℃夏比沖擊試驗結果統(tǒng)計

類型沖擊功/J剪切面積/%最小值最大值平均值標準偏差最小值最大值平均值標準偏差焊縫60236122304585685.7熔合線1564903917060100896.4熔合線+22724824194080100943.4橫向管體27654548126821001001.4制管后低溫性能優(yōu)異制管后的力學性能2.韌性性能焊接工藝評定接頭拉伸接頭側彎D=,180°焊接接頭沖擊功AKV/JRm/MPa斷裂位置焊縫熱影響區(qū)熔合線熱影響區(qū)熔合線外（2mm）615母材完好165104121130307288303299409365415396鋼管焊接接頭綜合力學性能焊接試驗