支撐管

JU2000E是世界上最先進的自升式鑽井平台設計之一。樁腿是自升式鑽井平台的關鍵裝備，由弦管、齒條和支撐管組成，其作用是升降和支撐整個平台進行鑽井作業。支撐管在結構上採用了較大壁厚和小管徑壁厚比，在選材上採用了X80鋼級無縫鋼管，以確保承載能力、減輕平台自重、減小移動阻力，與弦管組焊成X型或K型管節點，形成桁架式高強承力結構。考慮到平台用管在極其惡劣的海洋環境（如海洋風暴、可變載荷、海水腐蝕、意外撞擊和火災等）中服役的安全可靠性。

國內某鋼管公司開發生產了JU2000E自升式鑽井平台X80鋼級樁腿支撐管，解決了材料成分設計、高純均質化冶煉—連鑄工藝、高精度軋管工藝、熱處理工藝等多項關鍵技術問題，且產品批量生產性能穩定，各項性能指標達到或者超過國外同類產品。選取該公司用於製造JU2000E自升式鑽井平台樁腿支撐管Φ323.85mm×28.58mm規格，該支撐管的屈服強度Rt0.5和抗拉強度Rm分別為610MPa和700MPa，斷後伸長率A為28%，斷面收縮率為85%，-40℃縱向全尺寸衝擊功平均值為251J。

1、金相組織

X80鋼級樁腿支撐管採用淬火+高温回火的調質熱處理工藝，X80鋼級樁腿支撐管960 ℃淬火+650 ℃，形成了以細化的粒狀貝氏體和針狀鐵素體為基體、分佈少量M/A組元脆性相和大量彌散細小沉澱粒子的多相組織，晶粒度可達9級以上。這種多相組織來自於採用降碳、低碳當量、多元合金化和微合金化設計的鋼種，對X80鋼級樁腿支撐管材料的低温衝擊性能、疲勞性能、抗氫脆等方面都有積極的意義。

2、低温韌性

韌脆轉變温度FATT決定了鋼的低温性能，是衡量鋼脆性轉變的重要指標，其大小直接影響了鋼的使用範圍。X80鋼級樁腿支撐管的韌脆轉變温度低於-80℃。這與其鋼種成分設計有關：較低的碳含量有利於減少M/A組元脆性相的數量；添加的Ni元素有利於提高低温韌性；Nb和Ti元素有利於提高強韌性。此外，淬火+高温回火的熱處理工藝可以細化組織。上述工藝也使得該鋼管公司生產的X80鋼級樁腿支撐管具有較低的韌脆轉變温度，可用於更低温度環境，且安全性更好。

3、使用性能

（1）焊接性能

自升式鑽井平台樁腿的支撐結構是重要的受力結構，樁腿支撐管要具有良好的環焊性能。依據美國焊接學會（AWS）和美國船級社（ABS）相關焊接規範進行焊接工藝評定試驗。試驗結果表明：X80鋼級樁腿支撐管在自升式鑽井平台樁腿支撐結構常規的焊接製造工藝條件下，所有環焊接頭的強度、韌性和硬度均符合相關技術條件的要求，產品具有優良的焊接性能。

（2）疲勞性能

按GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》，在PLG-200型疲勞試驗機和系列對稱拉壓載荷（應力比R=-1）、相近頻率、最大循環次數1×10⁷的條件下，測試和評價了該X80鋼級樁腿支撐管的疲勞性能。X80鋼級樁腿支撐管的疲勞性能試驗數據結果表明，當應力幅值S為384 MPa，試樣在循環周次未達到1×10⁷時已失效；當S降低至369MPa，試樣在循環周次達到1×10⁷時均未失效。因這兩組試驗的應力幅值差小於其中未失效試樣應力一般高強結構鋼的疲勞極限比（σ^-1/Rm）通常在0.3～0.5，而X80鋼級樁腿支撐管的疲勞極限比較高，達到0.54；因此，X80鋼級樁腿支撐管材料具有優異的疲勞性能。

根據疲勞斷口形貌，認為X80鋼級樁腿支撐管具有優異疲勞性能的原因是：

（1）X80鋼級樁腿支撐管用鋼的純淨度高，夾雜物含量很少，第二相粒子細小，疲勞裂紋難以萌生；

（2）X80鋼級樁腿支撐管的晶粒細小，晶界數量多，對疲勞裂紋在第一階段的擴展具有明顯的阻礙作用。

3、抗氫脆性能

X80以上級別的結構鋼管對氫脆敏感，曾在樁腿支撐管中發現氫致裂紋，由此造成了海洋平台的垮塌事故。長期在海水環境服役的固定式鑽井平台，難以檢測結構管的氫致開裂，尤其要關注材料的氫脆問題。HSE建議海工用高強結構鋼管宜採用“海水+CP+硫化物”環境的慢應變速率拉伸試驗測試氫脆指數EI，且海工用高強結構鋼管應符合EI≤60%的要求。EI採用公式定義：EI =（RAa-RAe）/RAa

式中RAa———材料在空氣環境中拉伸測得的斷面收縮率，%；

RAe———材料在試驗環境中拉伸測得的斷面收縮率，%。

按上述方法，測試和評價了該X80鋼級樁腿支撐管材料的抗環境氫脆性能。試驗環境中的海水採用天然海水；CP電位的選取（≤-1100mV）參照相關規範和工程要求；採用H₂S模擬硫酸鹽還原菌SRB引起的生物硫化物，參考後者在海水中的實際濃度（一般≤0.06%），選取了H₂S的濃度範圍；拉伸應變速率根據以往工作經驗取4.0×10^-6s^-1。結果表明，X80鋼級樁腿支撐管在“海水+CP電位-1100～-750mV（Ag/AgCl）+無硫化物”環境和“海水+CP電位-1000 m V（Ag/Ag Cl）+0.01%～0.06%硫化物”環境中的氫脆指數均符合EI≤60%的要求，即X80鋼級樁腿支撐管材料具有較低的氫脆傾向，能夠滿足海洋平台樁腿在相應環境下對材料抗氫脆性能的要求，具有優良的抗氫脆性能。X80鋼級樁腿支撐管抗氫脆的相關機理是：

（1） X80鋼級樁腿支撐管用鋼的純淨度高，夾雜物數量少、尺寸小，從而減少了氫致裂紋源；

（2） X80鋼級樁腿支撐管經淬火+高温回火後，形成了細化的粒狀貝氏體和鐵素體基體組織，且基體上分佈大量彌散合金碳化物粒子、少量位錯的組織，氫陷井的數量較多，氫的擴散通道減少，大大減少了鋼的吸氫量。

4、防撞性能

海洋平台用樁腿支撐管在服役過程中可能會遭受油輪和工程船的意外撞擊。據測算，船舶撞擊時，樁腿支撐管承受速率在10^-2～10s^-1的變形。因此，採用拉伸試驗，通過測試動態拉伸性能，評價X80鋼級樁腿支撐管材料的防撞性能。試驗結果表明：拉伸應變速率為0.002～5s^-1時，隨應變速率增加，X80鋼級樁腿支撐管的屈服強度、抗拉強度、應變強度（Rp2和Rp5）提高，斷後伸長率下降；此外，屈服強度和拉抗強度分別為612～670 MPa和695～790 MPa，仍符合標準規定的要求。因此，X80鋼級樁腿支撐管材料具有良好的防撞性能。

5、耐火性能

海洋平台用支撐管還可能在油池火焰、噴射火焰或意外火災引起的高温環境服役，材料的強度損失可能造成樁腿的局部或全部坍塌。因此，結構管在短時（1～3h）高温條件下能夠保持較高的強度，足以使人員全部撤離，是一項重要的安全技術指標。耐火設計時，基於火災發生時鋼材中熱傳導和熱變形過程的解析，一般將耐火鋼的耐火温度定在600℃，且耐火鋼應符合600℃。高温強度Rp600 ℃不低於室温強度Rp的2/3。

即Rp600 ℃≥2/3Rp，或強度係數SF=Rp600 ℃/Rp≥2/3。參照GB/T 4338—2006《金屬材料 高温拉伸試驗方法》，X80鋼級樁腿支撐管的屈服強度和強度係數隨環境温度的升高而降低，但該鋼在温度為100～600 ℃的高温強度不低於室温強度的2/3，即強度係數不低於2/3；特別是在600 ℃的環境温度下強度係數達到0.70，高於耐火鋼的相關技術要求。因此，X80鋼級樁腿支撐管材料具有優異的耐火性能。

X80鋼級樁腿支撐管的耐火機理是：該樁腿支撐管材料採用Mo-Nb-V的合金化設計，且實際上將Mo、Nb和V的含量分別控制在0.20%、0.04%和0.08%的水平；與普通耐火鋼相比，X80鋼的Mo含量相當，但Nb和V的總含量是前者的2～3倍，從而在該鋼高温拉伸斷口附近觀察到數量更多的（Nb，V）（C，N）粒子。

在位錯上析出的細小粒子發揮釘扎作用，明顯推遲了位錯在高温下的回覆；在鐵素體邊界上析出的細小粒子阻止了鐵素體的回覆。因此，X80鋼級樁腿支撐管的高温強度顯著提高。

JU2000E自升式鑽井平台樁腿用X80鋼級樁腿支撐管具有以下特點：

（1）組織均勻，低温韌性好，韌脆轉變温度低於-80 ℃；焊接性能優良；疲勞極限比達到0.54，具有優異的疲勞性能；

（2）試驗條件下氫脆指數EI≤60%，具有較低的氫脆傾向，能夠滿足海洋平台樁腿在相應環境下對材料抗氫脆性能的要求，具有優良的抗氫脆性能；

（3）拉伸應變速率為0.002～5 s^-1時，具有良好的防撞性能；

（4） 600 ℃的環境温度下強度係數達到0.70，具有優異的耐火性能。 ^[1-2]