一、研究的背景與問題
海洋油氣資源是石油天然氣資源的重要組成部分，是未來油氣資源開采的重要方向。隨著世界能源消耗的不斷增大和陸路油氣資源的減少，促使油氣開發(fā)從陸地走向海洋，海洋油氣資源所占的比例持續(xù)增大。據(jù)報(bào)道，目前，海洋油氣儲(chǔ)量占全球儲(chǔ)量的30%-40%，未來十年深海油氣產(chǎn)量將增長300%以上。海洋油氣資源中很大部分分布于水深1000m甚至2000m以上的深水區(qū)域，需要建設(shè)專用的深海油氣采輸系統(tǒng)進(jìn)行開采；其中，深海油氣輸送管線作為海洋油氣儲(chǔ)運(yùn)的一種主要形式，是海上油氣田開發(fā)與生產(chǎn)不可或缺的生命線，也是最安全、最經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境破壞最小的油氣運(yùn)輸方式。
深海管線在鋪設(shè)和服役過程中會(huì)面臨發(fā)生塑性變形、承受極高水壓和海洋暗流等多種復(fù)雜惡劣的條件，要求材料具有高強(qiáng)韌性的同時(shí)兼具抗應(yīng)變、抗壓潰和耐疲勞等多種綜合性能；即要求深海管線用鋼板具有厚壁、高強(qiáng)度、高韌性、低屈強(qiáng)比并兼具高均勻變形率、高應(yīng)變硬化指數(shù)和高疲勞強(qiáng)度等綜合技術(shù)特征，同時(shí)，還需滿足制作大厚徑比直縫埋弧焊管的需要。
近年來，我國海洋油氣管線用鋼板、鋼管等材料的研發(fā)取得了一定進(jìn)展，但主要為基于應(yīng)力設(shè)計(jì)產(chǎn)品，滿足深海油氣輸送的高應(yīng)變海洋管線鋼板、鋼管的制造和應(yīng)用尚屬空白。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
項(xiàng)目針對深海管線用高應(yīng)變L485鋼板的特殊要求，以微觀組織結(jié)構(gòu)、板/管尺寸規(guī)格等機(jī)理研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以突破鋼板關(guān)鍵制造技術(shù)為核心，以攻克產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)為支撐，形成了基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)為主線的研究思路和技術(shù)路線，為深海管線用高應(yīng)變L485鋼板的開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。詳細(xì)的研究思路和技術(shù)路線如圖1所示。
圖1研究思路
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
項(xiàng)目研制出深海管線用高應(yīng)變L485鋼板、大厚徑比JCOE鋼管及其關(guān)鍵制造技術(shù)。創(chuàng)新開發(fā)出基于溫度梯度和晶?？刂频亩嚯A段漸變型高滲透軋制技術(shù)，基于冷速和冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)和專用控冷模型，以動(dòng)/靜態(tài)再結(jié)晶晶粒細(xì)化、奧氏體扁平化、形變誘導(dǎo)鐵素體和硬相組織控制為核心的微觀組織調(diào)控技術(shù)等厚壁高應(yīng)變L485管線鋼板核心制造技術(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步精確控制微觀組織的相比例、相分布和亞結(jié)構(gòu)大幅提升了應(yīng)變能力，確保了材料在成型和擴(kuò)徑后具有足夠的應(yīng)變余量，保證了鋼管和環(huán)焊縫的彎曲性能，形成了海洋管線管高應(yīng)變能力控制引領(lǐng)技術(shù)，解決了高應(yīng)變L485鋼板、鋼管強(qiáng)塑韌性匹配和控制的關(guān)鍵技術(shù)難題，形成深海管線用高應(yīng)變L485鋼板的制造能力。
1、基于溫度梯度高滲透軋制技術(shù)
根據(jù)溫度與塑變性、變形抗力的相關(guān)性理論開發(fā)了通過利用軋制階段鑄坯快速冷卻工藝提高鑄坯厚度方向溫度梯度來提升軋制形變滲透效果的溫控形變技術(shù)，解決了厚壁管線鋼厚度中心晶粒細(xì)化困難、厚度截面組織均勻性差的關(guān)鍵技術(shù)難題。
圖2鑄坯溫度場模擬和高滲透軋制變形示意圖
2、基于晶?？刂频亩嚯A段大壓下軋制技術(shù)
結(jié)合深海管線用高應(yīng)變L485鋼板的技術(shù)特征、再結(jié)晶熱力學(xué)分析和產(chǎn)線設(shè)備條件，研究開發(fā)了粗軋末段低溫大變形工藝。其重點(diǎn)是，與高滲透軋制相結(jié)合，粗軋低溫軋制前段以壓下量控制為重點(diǎn)，粗軋末段以道次變形率控制為重點(diǎn)且道次變形率呈逐漸增大趨勢；粗軋待溫區(qū)和道次間隙以適當(dāng)方式進(jìn)行冷卻，為實(shí)現(xiàn)高滲透軋制提供保證。
圖3不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖4典型的軋制道次變形率
3、基于冷速和冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)
結(jié)合軋制過程鋼板散熱特征，通過厚規(guī)格高應(yīng)變L485管線鋼軋后和加速冷卻過程溫度-微觀組織-析出相-性能關(guān)系研究，開發(fā)出基于冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)；通過對冷卻系統(tǒng)曲線的設(shè)計(jì)，使鋼板不同位置在加速冷卻過程中獲得理想的溫度變化，解決鋼板加速冷卻前溫度差異引起的組織性能不均問題，實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的有效控制。
4、深海管線用厚壁高應(yīng)變L485鋼板
項(xiàng)目率先研制出φ559mm管徑JCOE鋼管用厚度31.8mm L485高應(yīng)變鋼板，產(chǎn)品具有強(qiáng)、塑、韌、應(yīng)變、抗壓和耐疲勞等綜合技術(shù)特征，實(shí)現(xiàn)我國深海高應(yīng)變海洋管用關(guān)鍵材料從無到有、從零到一的突破。其中，鋼板縱向屈強(qiáng)比≤0.75，縱向均勻延伸率≥11%，縱向n值≥0.11，鋼板橫向DWTT（-10℃平均值）≥90%，DWTT韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-20℃；橫向沖擊功CVN（-20℃平均值）≥190J，沖擊功韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃，滿足了我國深海油氣輸送用材的需求。
圖5深海管線用厚壁高應(yīng)變L485M鋼板的主要性能
圖6深海管線用厚壁高應(yīng)變L485M鋼板
5、深海管線用大厚徑比JCOE高應(yīng)變L485鋼管
項(xiàng)目國內(nèi)首次成功生產(chǎn)出D559×31.8mm深海管線用高應(yīng)變L485級JCOE直縫鋼管，厚徑比超過0.056，而與之相比，目前國內(nèi)外高級別直縫埋弧焊管的厚徑比鮮有超過0.050。鋼管的強(qiáng)韌性和抗應(yīng)變能力良好，橫縱向強(qiáng)度達(dá)到DNVGL-ST-F101和GB/T 9711要求，其中，縱向屈服強(qiáng)度495～550MPa，抗拉強(qiáng)度610～690MPa，屈強(qiáng)比≤0.82，均勻延伸率≥7.5%，應(yīng)變硬化指數(shù)＞0.11；管體橫向屈服強(qiáng)度500～560MPa，抗拉強(qiáng)度620～695MPa，管體橫向DWTT（0℃）≥90%，85%DWTT韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-20℃，管體橫向沖擊功CVN（-20℃平均值）≥190J，焊縫/熱影響區(qū)沖擊功CVN（-20℃平均值）≥150J，焊縫CTOD（0℃）≥0.20mm， HV10≤260，綜合指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外領(lǐng)先水平。
圖7高應(yīng)變L485M鋼管
四、應(yīng)用前景
本項(xiàng)目研究形成了深海管線用L485高應(yīng)變鋼板與JCOE鋼管產(chǎn)品設(shè)計(jì)、高滲透軋制和多元組織控制冷卻、全流程組織細(xì)化與均勻化、大厚徑比JCOE鋼管成型和焊接技術(shù)等多項(xiàng)共性技術(shù)和關(guān)鍵工藝；成功開發(fā)出深海管線用JCOE高應(yīng)變鋼板和大厚徑比直縫鋼管，填補(bǔ)了我國海洋高應(yīng)變管道用材研制的空白，對于實(shí)現(xiàn)深海油氣用材的國產(chǎn)化、促進(jìn)我國海洋戰(zhàn)略的實(shí)施和保障國家能源安全具有重要意義。
隨著我國海洋發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋資源開發(fā)的步伐不斷加快，未來，深海油氣有望成為海洋能源開發(fā)的制高點(diǎn)，將持續(xù)推動(dòng)深海油氣管道項(xiàng)目的建設(shè)，深海管線用高應(yīng)變鋼板具有廣闊的應(yīng)用前景。
