南钢海底管线用钢研发及产业化

南钢1500米海底管线用钢研发及产业化南京钢铁股份有限公司1.研发背景2.基础研究3.工业化生产4.应用研究及供货

主要内容5.结论6.3000米深海管线开发研发背景全海域盆地：面积160万平方公里，油气地质资源量390亿吨油气田分布渤海海域41个南海西部海域17个南海东部海域21个东海海域2个共81个油气田，大部分油气需通过海底管线输送中海油的油气田分布中海油油气田分布海洋油气占全球石油天然气总量的70%，随着陆地能源枯竭，海上石油开采将成为主战场中国南海油气资源占我国油气资源的三分之一，是我国未来油气开发的重点荔湾3-1气田是我国第一个世界级深水天然气项目，也是国内最大、最深的海上气田，具有十分重要的战略意义国家正加大对南海油气资源的开发力度，海底管线钢的需求数量必将大幅度增加深海管线海底管线钢应用前景FPSO17条陆上终端12个海底管道216条，总长4626公里平台151座要求具有优良的管形（如直径、椭圆度、切斜、直度、壁厚等），以便现场对接。钢管的纯净度要求高，高焊接热输入下粗晶热影响区细小弥散的复合夹杂物促使针状铁素体的形成，可有效抑制奥氏体晶粒迅速长大，提高热影响区的综合性能。钢管还需满足应变时效性能，时效后的屈强比、强度及变化幅度、CVN等韧性指标应满足时效前的技术指标要求。具有优异的低温断裂韧性和止裂能力，满足CTOD、DWTT、CVN等性能指标要求具有优异的抗大变形能力，规范要求钢管的纵向拉伸，为减少和缓和铺管过程造成应力集中，DNV规范同时还要求整批交付的钢管其纵向YS应比较均匀，变化幅度应≤120MPa。既要能承受较大的内压，最大设计操作压力22.9MPa，又要承受较高的外压15MPa和可能的冲击，要求钢管必须具有足够的强度和较大的刚度，即抗压溃能力。因此要求大壁厚，小管径，即大的厚径比（t/D）海底管线设计要求设计要求力学性能指标南海荔湾1500m深海管的钢板内控订货技术要求我国南海荔湾3-1气田是我国首个1500米深海油气项目，该项目用材质为SMYS450F(X65)的直缝埋弧焊管，钢管规格为558.8mm×22.2-31.0mm（D/t=18.03~25.17）试样方向拉伸夏比冲击韧性-20℃横向时效冲击-20℃

5%应变250℃保温1小时DWTTCTOD-10℃Rt0.5MpaRmMpaRt0.5/RmA50%Akv均值J剪切面积均值-25℃均值横向410-510535-750≤0.85≥30≥180≥90%≥未时效横向冲击值的50%≥85%≥0.20mm纵向400-500535-750≤0.85≥30

≥0.20mm阿曼-印度海底天然气管道RequirementsforOman-Indiagas-transmissionpipeline荔湾深水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.基础研究深海管线用SMYS450F钢冶炼内控成分(wt,%)低碳(≤0.07%):保证良好的焊接性能和低温韧性高锰：高强度、细化晶粒、节约合金成本铌、钛：晶粒细化&析出强化钼、镍、铬：提高钢的淬透性，保证沿板厚方向得到均匀的显微组织，提高韧性硫、磷、氧、氮等：尽可能降低其含量以净化钢质，显著提高钢的韧性成分设计思路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组织设计为了确保力学性能，尤其是低屈强比（钢板纵横向屈强比≤0.85）和低温DWTT，采用F+AF+B的复合组织结构SMYS450F钢组织的金相照片动态CCT曲线可以看出：随着冷速增加，组织结构发生变化，热轧后应控制冷速在一定范围内在10~30℃/s的范围内都能得到针状铁素体型组织连续冷却过程中的相变

WQWQWQAirCoolingReheating1200℃TemperatureTime析出物控制

析出物类型：①高温条件下析出：外形规则的TiN为主，附着复合析出相或Nb的析出相②低温条件下析出：NbC为主，尺寸细小，圆形或椭圆形析出物作用：①抑制再结晶，细化晶粒；②析出强化，提高材料强度；③增加铁素体形核点，细化成品组织析出物控制

Ti1Nb2TiNb12钢中典型的析出物及其能谱(b)NbNbTiCu(a)3.工业化生产精炼（LF+RH）工艺路线工艺控制要点冶炼及连铸工艺要点铁水预处理脱硫：铁水预处理后控制[S]≤0.002%转炉冶炼：保证终点温度和碳同时命中，减少拉碳次数，终点碳控制在[C]≤0.07%、S≤0.0020%、P≤0.0130%、[N]≤0.0060%，严格控制残余元素Pb、Bi、Sb、Sn、As含量LF冶炼：造还原性渣、温度和合金成分微调RH冶炼：RH精炼低真空度(≤3mbar)保持时间≥15min。喂丝结束后静搅时间≥15min连铸：过热度控制在10-30℃之间；连铸保护浇注；适时向中间包内加无碳覆盖剂；结晶器液面±3mm波动，防止卷渣；稳定控制拉速热轧工艺要点加热工艺：出钢温度1150-1200℃，加热时间为10-13min/cm第二阶段开轧温度：为保证DWTT性能，第二阶段开轧温度小于900℃终轧温度：兼顾现场轧制板形控制以及确保在Ar3相变温度点以上终轧入水温度：

为了满足F+AF+B的多相组织设计，入水温度控制在奥氏体+铁素体两相区域弛豫时间：终轧完了至入水前控制一定的时间，以得到适量的多边形铁素体，首次把“弛豫时间自动化控制”固化在生产程序中，达到对组织定量控制的目的，最终获得所需要的性能终冷温度：为确保钢板低屈强比、合适的强度，终冷温度小于450℃工艺控制要点化学成分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标准偏差0.00380.0150.0160.00140.00020.0080.00340.00120.00167.00.380.0060.005成分统计分析如下表窄成分控制和高纯净度控制，为提高钢板性能均匀性奠定了良好的基础微观组织微观组织的SEM照片析出物的TEM像成品组织为F+AF+B的复相组织析出物尺寸细小，弥散分布力学性能1.拉伸性能屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%屈强比横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向最小值41040054553545460.670.67最大值51050064563559.559.00.850.85平均值44644159158051510.760.76标准偏差20.117.816.516.42.92.80.0300.027工业化生产了43000吨横向和纵向屈服强度分别为410-510MPa和400-500MPa横向和纵向抗拉强度545-645MPa和535-635MPa屈强比≤0.85拉伸性能统计分析如下表拉伸性能波动较小，屈强比较低拉伸性能分布横向屈服分布图纵向屈服分布图横向屈强比分布图纵向屈强比分布图2.低温韧性钢板夏比冲击（-20℃）DWTT/%冲击功/J剪切面积/%单个平均值单个平均值单个平均值最小值21122590927685最大值511499100100100100平均值4324321001009090标准偏差28.624.10.40.33.72.9SMYS450F钢板-20℃冲击和DWTT值统计批量数据统计结果：-20℃落锤试验单个试样剪切面积最小值≥76%，平均值的最小值≥85%应变时效夏比冲击功大于300J99.5%钢板的冲击功大于358J低温性能3.系列温度冲击和DWTT性能不同厚度规格钢板-70℃冲击功均在400J以上-30℃DWTT均值在85%以上钢板具有优异的低温韧性22.2mm钢板系列温度冲击性能27mm钢板系列温度冲击性能系列温度DWTT性能低温性能4.应用研究及供货业绩制管工艺Φ559mmSMYS450F生产工艺（JCOE）：板探→铣边→预弯→折弯→预焊→焊引熄弧板→内焊→外焊→UT→扩径→水压→修端→UT→RT→外观检测→涂覆屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%屈强比横向纵向横向纵向焊缝横向纵向横向纵向最小值45645356554056543490.760.76最大值57057066066067559590.880.88平均值50951860759661854540.830.85标准偏差24.421.817.917.815.82.12.00.0310.028制管后的力学性能SMYS450F钢管拉伸性能统计分析

制管后钢板屈服强度、抗拉强度和屈强比均有所提高，完全符合南海荔湾项目1500米深海管线技术要求1.拉伸性能SMYS450F钢管-20℃夏比冲击试验结果统计

类型冲击功/J剪切面积/%最小值最大值平均值标准偏差最小值最大值平均值标准偏差焊缝60236122304585685.7熔合线1564903917060100896.4熔合线+22724824194080100943.4横向管体27654548126821001001.4制管后低温性能优异制管后的力学性能2.韧性性能焊接工艺评定接头拉伸接头侧弯D=,180°焊接接头冲击功AKV/JRm/MPa断裂位置焊缝热影响区熔合线热影响区熔合线外（2mm）615母材完好165104121130307288303299409365415396钢管焊接接头综合力学性能焊接试验