[科普中国]-支撑管

对于500ft 的自升式钻井平台，其桩腿支撑管用无缝钢管多为大直径厚壁管，钢级一般以NVE550、X80及以上的超高强度钢管为主。

X80支撑管在结构上采用了较大壁厚和小管径壁厚比，在选材上采用了X80钢级无缝钢管，以确保承载能力、减轻平台自重、减小移动阻力，与弦管组焊成X型或K型管节点，形成桁架式高强承力结构。12

X80钢级桩腿支撑管目前，JU2000E是世界上最先进的自升式钻井平台设计之一。桩腿是自升式钻井平台的关键装备，由弦管、齿条和支撑管组成，其作用是升降和支撑整个平台进行钻井作业。支撑管在结构上采用了较大壁厚和小管径壁厚比，在选材上采用了X80钢级无缝钢管，以确保承载能力、减轻平台自重、减小移动阻力，与弦管组焊成X型或K型管节点，形成桁架式高强承力结构。考虑到平台用管在极其恶劣的海洋环境（如海洋风暴、可变载荷、海水腐蚀、意外撞击和火灾等）中服役的安全可靠性。

试验材料国内某钢管公司开发生产了JU2000E自升式钻井平台X80钢级桩腿支撑管，解决了材料成分设计、高纯均质化冶炼—连铸工艺、高精度轧管工艺、热处理工艺等多项关键技术问题，且产品批量生产性能稳定，各项性能指标达到或者超过国外同类产品。选取该公司用于制造JU2000E自升式钻井平台桩腿支撑管Φ323.85mm×28.58mm规格，该支撑管的屈服强度Rt0.5和抗拉强度Rm分别为610MPa和700MPa，断后伸长率A为28%，断面收缩率为85%，-40℃纵向全尺寸冲击功平均值为251J。

金相组织和低温韧性1、金相组织

X80钢级桩腿支撑管采用淬火+高温回火的调质热处理工艺，X80钢级桩腿支撑管960 ℃淬火+650 ℃，形成了以细化的粒状贝氏体和针状铁素体为基体、分布少量M/A组元脆性相和大量弥散细小沉淀粒子的多相组织，晶粒度可达9级以上。这种多相组织来自于采用降碳、低碳当量、多元合金化和微合金化设计的钢种，对X80钢级桩腿支撑管材料的低温冲击性能、疲劳性能、抗氢脆等方面都有积极的意义。

2、低温韧性

韧脆转变温度FATT决定了钢的低温性能，是衡量钢脆性转变的重要指标，其大小直接影响了钢的使用范围。X80钢级桩腿支撑管的韧脆转变温度低于-80℃。这与其钢种成分设计有关：较低的碳含量有利于减少M/A组元脆性相的数量；添加的Ni元素有利于提高低温韧性；Nb和Ti元素有利于提高强韧性。此外，淬火+高温回火的热处理工艺可以细化组织。上述工艺也使得该钢管公司生产的X80钢级桩腿支撑管具有较低的韧脆转变温度，可用于更低温度环境，且安全性更好。

3、使用性能

（1）焊接性能

自升式钻井平台桩腿的支撑结构是重要的受力结构，桩腿支撑管要具有良好的环焊性能。依据美国焊接学会（AWS）和美国船级社（ABS）相关焊接规范进行焊接工艺评定试验。试验结果表明：X80钢级桩腿支撑管在自升式钻井平台桩腿支撑结构常规的焊接制造工艺条件下，所有环焊接头的强度、韧性和硬度均符合相关技术条件的要求，产品具有优良的焊接性能。

（2）疲劳性能

按GB/T 3075—2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》，在PLG-200型疲劳试验机和系列对称拉压载荷（应力比R=-1）、相近频率、最大循环次数1×107的条件下，测试和评价了该X80钢级桩腿支撑管的疲劳性能。X80钢级桩腿支撑管的疲劳性能试验数据结果表明，当应力幅值S为384 MPa，试样在循环周次未达到1×107时已失效；当S降低至369MPa，试样在循环周次达到1×107时均未失效。因这两组试验的应力幅值差小于其中未失效试样应力一般高强结构钢的疲劳极限比（σ-1/Rm）通常在0.3～0.5，而X80钢级桩腿支撑管的疲劳极限比较高，达到0.54；因此，X80钢级桩腿支撑管材料具有优异的疲劳性能。

根据疲劳断口形貌，认为X80钢级桩腿支撑管具有优异疲劳性能的原因是：

（1）X80钢级桩腿支撑管用钢的纯净度高，夹杂物含量很少，第二相粒子细小，疲劳裂纹难以萌生；

（2）X80钢级桩腿支撑管的晶粒细小，晶界数量多，对疲劳裂纹在第一阶段的扩展具有明显的阻碍作用。

3、抗氢脆性能

X80以上级别的结构钢管对氢脆敏感，曾在桩腿支撑管中发现氢致裂纹，由此造成了海洋平台的垮塌事故。长期在海水环境服役的固定式钻井平台，难以检测结构管的氢致开裂，尤其要关注材料的氢脆问题。HSE建议海工用高强结构钢管宜采用“海水+CP+硫化物”环境的慢应变速率拉伸试验测试氢脆指数EI，且海工用高强结构钢管应符合EI≤60%的要求。EI采用公式定义：EI =（RAa-RAe）/RAa

式中RAa———材料在空气环境中拉伸测得的断面收缩率，%；

RAe———材料在试验环境中拉伸测得的断面收缩率，%。

按上述方法，测试和评价了该X80钢级桩腿支撑管材料的抗环境氢脆性能。试验环境中的海水采用天然海水；CP电位的选取（≤-1100mV）参照相关规范和工程要求；采用H2S模拟硫酸盐还原菌SRB引起的生物硫化物，参考后者在海水中的实际浓度（一般≤0.06%），选取了H2S的浓度范围；拉伸应变速率根据以往工作经验取4.0×10-6s-1。结果表明，X80钢级桩腿支撑管在“海水+CP电位-1100～-750mV（Ag/AgCl）+无硫化物”环境和“海水+CP电位-1000 m V（Ag/Ag Cl）+0.01%～0.06%硫化物”环境中的氢脆指数均符合EI≤60%的要求，即X80钢级桩腿支撑管材料具有较低的氢脆倾向，能够满足海洋平台桩腿在相应环境下对材料抗氢脆性能的要求，具有优良的抗氢脆性能。X80钢级桩腿支撑管抗氢脆的相关机理是：

（1） X80钢级桩腿支撑管用钢的纯净度高，夹杂物数量少、尺寸小，从而减少了氢致裂纹源；

（2） X80钢级桩腿支撑管经淬火+高温回火后，形成了细化的粒状贝氏体和铁素体基体组织，且基体上分布大量弥散合金碳化物粒子、少量位错的组织，氢陷井的数量较多，氢的扩散通道减少，大大减少了钢的吸氢量。

4、防撞性能

海洋平台用桩腿支撑管在服役过程中可能会遭受油轮和工程船的意外撞击。据测算，船舶撞击时，桩腿支撑管承受速率在10-2～10s-1的变形。因此，采用拉伸试验，通过测试动态拉伸性能，评价X80钢级桩腿支撑管材料的防撞性能。试验结果表明：拉伸应变速率为0.002～5s-1时，随应变速率增加，X80钢级桩腿支撑管的屈服强度、抗拉强度、应变强度（Rp2和Rp5）提高，断后伸长率下降；此外，屈服强度和拉抗强度分别为612～670 MPa和695～790 MPa，仍符合标准规定的要求。因此，X80钢级桩腿支撑管材料具有良好的防撞性能。

5、耐火性能

海洋平台用支撑管还可能在油池火焰、喷射火焰或意外火灾引起的高温环境服役，材料的强度损失可能造成桩腿的局部或全部坍塌。因此，结构管在短时（1～3h）高温条件下能够保持较高的强度，足以使人员全部撤离，是一项重要的安全技术指标。耐火设计时，基于火灾发生时钢材中热传导和热变形过程的解析，一般将耐火钢的耐火温度定在600℃，且耐火钢应符合600℃。高温强度Rp600 ℃不低于室温强度Rp的2/3。

即Rp600 ℃≥2/3Rp，或强度系数SF=Rp600 ℃/Rp≥2/3。参照GB/T 4338—2006《金属材料 高温拉伸试验方法》，X80钢级桩腿支撑管的屈服强度和强度系数随环境温度的升高而降低，但该钢在温度为100～600 ℃的高温强度不低于室温强度的2/3，即强度系数不低于2/3；特别是在600 ℃的环境温度下强度系数达到0.70，高于耐火钢的相关技术要求。因此，X80钢级桩腿支撑管材料具有优异的耐火性能。

X80钢级桩腿支撑管的耐火机理是：该桩腿支撑管材料采用Mo-Nb-V的合金化设计，且实际上将Mo、Nb和V的含量分别控制在0.20%、0.04%和0.08%的水平；与普通耐火钢相比，X80钢的Mo含量相当，但Nb和V的总含量是前者的2～3倍，从而在该钢高温拉伸断口附近观察到数量更多的（Nb，V）（C，N）粒子。

在位错上析出的细小粒子发挥钉扎作用，明显推迟了位错在高温下的回复；在铁素体边界上析出的细小粒子阻止了铁素体的回复。因此，X80钢级桩腿支撑管的高温强度显著提高。

总结JU2000E自升式钻井平台桩腿用X80钢级桩腿支撑管具有以下特点：

（1）组织均匀，低温韧性好，韧脆转变温度低于-80 ℃；焊接性能优良；疲劳极限比达到0.54，具有优异的疲劳性能；

（2）试验条件下氢脆指数EI≤60%，具有较低的氢脆倾向，能够满足海洋平台桩腿在相应环境下对材料抗氢脆性能的要求，具有优良的抗氢脆性能；

（3）拉伸应变速率为0.002～5 s-1时，具有良好的防撞性能；

（4） 600 ℃的环境温度下强度系数达到0.70，具有优异的耐火性能。12

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学