碳钢和低合金钢的应用及特性

海洋石油装备材料涉及的碳钢和低合金钢，主要包括平台用钢、钻机井架及底座用钢、管线钢和立管用钢等工程结构钢，以及钻机（井架及底座除外）、水下井口头、采油树、防喷器、阀门等设备零件用调质钢、低碳马氏体钢、渗碳钢、氮化钢等机械制造用钢。

3.1.1 工程结构钢

（1）平台用钢20世纪五六十年代，美国、日本和欧洲一些国家开始了海洋石油平台用钢的研究开发。目前，国际上常用的海洋石油平台用钢标准，包括欧洲的EN10225、BS7191、NORSOK标准，美国的API、ASTM标准，以及ABS、BV、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等8大船级社规范。船舶与平台用钢的标准化已基本趋于一致。

国内海洋平台用钢标准包括GB/T 712《船舶及海洋工程用结构钢》、YB/T 4283《海洋平台结构用钢板》，以及中国船级社CCS规范，与上述国外标准也总体上是一致的。

GB/T 712—2011规定船舶与海洋结构钢分为一般强度、高强度与超高强度三大类，每个强度级别又按韧性要求不同，细分为多个质量级别，详见表1。当前，平台用钢的最高屈服强度等级为690MPa，最低冲击试验温度为-60℃（F级）。

表1 GB/T 712—2011规定的海洋平台用钢的分类

（续）

除上述常用的一般强度钢、高强度钢和超高强度钢外，平台用钢还包括耐海水腐蚀低合金钢、齿条钢、Z向钢、适应高热输入焊接钢、高强度系泊链钢、高强度铸钢等。

1）耐海水腐蚀低合金钢。20世纪40年代，美国研发的Ni-Cu-P系mariner钢是世界上最早出现的耐海水腐蚀低合金钢。相对成熟的牌号还有日本的Mariloy钢、法国的APSCr-Al钢等。我国开发了08PV、08PVRe、10CrPV等钢种。

2）齿条钢。齿条是自升式平台桩腿最具代表性的大钩件，需用厚度120mm以上的专用齿条钢制造。目前齿条钢的厚度已达259mm，最高屈服强度级别690MPa。舞阳钢铁公司已能生产厚度215mm的齿条钢。

3）Z向钢。Z向钢要求钢板厚度方向具有良好的抗层状撕裂性能，根据厚度方向拉伸试样的断面收缩率的大小一般分为Z25和Z35两个级别，主要用于石油平台中承受高约束载荷的节点部位。

4）适应高热输入焊接钢。具有高热输入焊接适应性的钢材是适应采用最高热输入超过50kJ/cm焊接工艺的结构钢。日本较早地开发了适应高热输入焊接钢，在此方面处于技术领先地位。

5）高强度系泊链钢。系泊链钢用于锚泊定位平台的系泊链，具有高强度、高韧性以及低屈强比等特性。国内开发的世界最高等级的R5级系泊链钢，已在“海洋石油981”平台成功应用。

6）高强度铸钢。铸钢节点用于海洋平台，可提高疲劳寿命，降低应力集中系数同时可以减轻节点重量。英国、日本自20世纪70年代起，陆续将铸钢节点用于海洋平台，应用效果良好。

（2）井架与底座用钢井架及底座是钻机的重要组成部分。井架及底座最早采用A3或16Mn工、槽、角钢，致使井架及底座比较笨重。目前井架及底座用钢主要选用低合金高强度钢。这类钢在GB 1591—1988标准中称为低合金结构钢，在1994年标准（GB 1591—1994）中改称为低合金高强度结构钢。现行的GB/T 1591标准中包括了Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等八个强度级别。钢材可以热轧、控轧、正火、正火轧制或正火加回火、热机械轧制（TMCP）或热机械轧制加回火状态交货。通过添加Mn、Si、V、Nb和Ti等合金元素，低合金高强度结构钢在提高强度的同时，保证了良好的塑性和韧性，以及较好的可焊性和冷加工性能。另外，YB/T4274中的SM490YB、SM490B、SM400B等热轧H型钢也被用于制作钻机井架及底座。随着超深水钻井的开发，井架及底座用钢向高强轻量化发展，Q420、Q460等高级别钢种将大量使用。高强度钢种的使用，可大幅度减轻结构自重，明显提高井架及底座的承载能力。

（3）管线钢管线钢主要采用API SPEC5L、ISO 3183标准，对于海底管道用管线钢同时也执行DNV-OS-F101标准。由于早期油气管道管径小、压力低以及冶金技术的限制，直至20世纪40年代末管道用钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢，典型化学成分为：0.1%～0.25%C，0.40%～0.7%Mn，0.1%～0.5%Si，以及S、P和其他残存元素。随着管道工程对钢管要求的提高，管线钢开始采用低合金高强度钢。与普通碳素钢一样，普通低合金高强度钢主要在热轧或正火状态使用。随着管道输送压力和钢管管径的增加，1967～1970年期间API5LX和5LS增加了X56、X60和X65钢级，从此管线钢进入了微合金化和控轧生产阶段。管线钢成为国内外微合金化技术应用的典型代表。目前，管线钢的最高强度级别为X120。冶金技术、TMCP技术以及超快冷技术的进步，使现代管线钢具备了优异的综合力学性能，见表2，X90、X100及X120高钢级管线钢均具有优异的强韧性匹配，其中X120管线钢屈服强度超过840MPa，-30℃冲击功大于250J。管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的主要新工艺、新技术和新设备，TMCP工艺生产的管线钢及钢管在海洋石油装备中的应用也越来越广泛。(www.xing528.com)

表2 典型高强度管线钢管的力学性能^[6]

目前，国外海底管道中应用的最高级别管线钢为X70，钢管壁厚最大为41.0mm。我国海底管道建设中普遍应用的是X65管线钢，钢管最大壁厚为31.8mm。2012年完工的南海—荔湾输气管道工程项目代表了国内海底管道建设的最高水平，开创了我国1500m作业水深的管道工程记录。为适应海底管道的安装要求和服役环境，与陆地管线钢相比，海底管线钢的合金设计更为严格，其特点为：①低的碳含量；②低的碳当量；③低的S、P含量。另外，海底管线钢在性能和其他方面的主要特征还包括：①高的形变强化指数和均匀伸长率；②低的屈强比；③优良的纵向拉伸性能；④低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向的均匀性，低的断口分离和层状撕裂的概率；⑤严格的尺寸偏差和精度控制；⑥良好的焊接性。

管线钢除主要用于陆地和海底油气输送管道外，也是当前隔水管的主流材质，主要采用X65-X80钢级，其特点是刚性好，抗海流、海浪等外载能力强。隔水管主管性能要求主要参考API Spec 5L《管线管规范》、DNV-OS-F101《海底管线系统》、DNV-OS-F201《动态立管》、API Spec 16F《海洋钻井隔水管设备规范》、API RP 16Q《海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法》、ISO 13628-7/API RP 17G《石油和天然气工业水下才有系统的设计与操作第7部分完井修井隔水管系统》等标准。为了抵御超深水域恶劣的环境载荷，隔水管通常采用具有较高疲劳特性的钢，现行一般选用X80钢级直缝埋弧焊管，并且正在向更高强度级别的X100和X120钢级发展。根据API 5L和DNV-OS-F101，深海钻井隔水管的主要材料API 5LX80钢管需满足以下性能指标：最小屈服强度555MPa；最大屈服强度705MPa；最小抗拉强度625MPa；最大抗拉强度825MPa；屈强比最大值0.93；延伸率最小值21%；0℃下CTOD最小值0.20mm。

钢悬链线立管（SCR）具有结构简单，造价低，适用水深较大等优点，广泛应用于深水和超深水的海洋油气开发中。与钻井隔水管相同，SCR也主要采用API管线钢，包括X52、X60、X65以及X70等级别，主要采用无缝管和直缝埋弧焊管。

3.1.2 机械制造用钢

（1）调质钢机械零件在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能（较高的强度、良好的塑性和韧性），适用于这种热处理的钢为调质钢。在海洋石油钻采装备中众多零部件均采用调质钢。例如，在海洋钻机中，天车轴、井架轴、绞车轴、变速箱轴、水龙头中心管、顶驱螺栓等用40CrNiMoA，泥浆泵液缸用30CrNi2MoVA，井架滑轮轴、顶驱悬挂套用45CrNiMoVA，转盘转动销用42CrMoA等，均属于调质钢。国内钻机用钢最初主要仿制前苏联钢号，经过多年发展，目前已形成相对完整的国产钻机用钢体系。我国新研制的海洋钻机也基本采用了国内牌号。而深水油气钻采用防喷器、井口头、采油树和阀门等装备，因其结构及控制系统复杂，其生产技术被美国少数几家公司垄断。因此，这些产品主要执行美国材料标准，常用的调质钢牌号包括AISI 4130、4140、4330、4340、8630，F22（UNS K21590）或F22V（UNS K31835）等。水下钻采装备用典型调质钢的主要化学成分见表3。

表3 水下钻采装备用典型调质钢的化学成分 （%，质量分数）

除上述锻钢件外，铸钢如ZG35CrMoA、ZG230-450、ZG40CrNiMoA、ZG27CrNi2MoA等也要经过调质处理，以保证材料具有良好的力学性能。ZG35CrMoA用于绞车轮毂、顶驱支座、底座滑轮等；ZG230-450用于绞车轴承座；ZG40CrNiMoA用于泥浆泵十字头；ZG27CrNi2MoA用于顶驱的上盖、壳体等。

（2）低碳马氏体钢低碳合金钢经淬火、低温回火获得强韧性好的板条状低碳马氏体组织，用于代替中碳合金调质钢，可提高零件的承载能力，减轻产品自重。典型案例为：20世纪60年代，宝鸡石油机械厂与大冶钢厂、西安交通大学合作，研发了20SiMn2MoVA代替35CrMo制造吊环、吊卡，大幅度降低了产品自重，显著提高了零件寿命[7]。当时，国产旧吊环、吊卡根据苏联图纸要求，采用35钢正火或35CrMo钢调质制造，材料强度水平很低，致使吊环、吊卡极为笨重，钻井工人劳动强度很大。宝鸡石油机械厂采用20SiMn2MoVA钢生产吊环和吊卡，吊环自重仅为苏联产品的1/2到1/3，而且比美国吊环也轻得多，其疲劳寿命是美国BJ公司同类产品的1.5倍。吊卡的自重也只有仿苏产品的1/2。新型吊环、吊卡与老式吊环、吊卡的外形尺寸对比见图3。用20SiMn2MoVA（淬火、低温回火）代替PCrNi3Mo（淬火中温回火），使射孔器的寿命成倍提高，并且节约材料费30%。

图3 吊环、吊卡对比

（3）渗碳钢不少机械零件要求表面有高的疲劳强度和耐磨性，这就需要进行表面化学热处理。化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表面以改变表层的化学成分和组织，从而使其表面具有与心部不同性能的一种热处理。渗入不同的元素，可赋予钢件表面不同的性能。

渗碳是向低碳钢或低碳合金钢工件表面渗入碳原子的过程。零件经表面渗碳、整体淬火，通过提高工件表面的碳含量，得到表面是高碳马氏体，沿截面过渡到心部是低碳马氏体或半马氏体，可使工件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有一定的强度和较高的韧性。渗碳钢的含碳量决定了渗碳零件心部的强度和韧性，从而影响零件的整体性能。心部过高的碳含量将使零件整体的韧性较低。一般渗碳钢的碳含量不超过0.30%，某些服役条件可达0.32%。加入合金元素的主要作用之一是提高渗碳钢的淬透性。根据零件承受载荷大小不同，心部需要的显微组织也有差别，这就要求钢的淬透性有所不同。渗碳钢应根据零件对淬透性的要求，并考虑合金元素对渗碳工艺的影响，进行综合合金化。

海洋石油钻采装备零件涉及的渗碳钢包括顶驱齿轮和齿轮轴用20Cr2Ni4E、传动装置齿轮用20CrMnTi钢、泥浆泵阀体和阀座用20CrMnMo钢等。

（4）氮化钢氮化处理是一种使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性以及热硬性。工件在渗氮前一般先经调质处理，获得回火索氏体组织，以保证渗氮后工件心部有良好的综合力学性能，渗氮后不再进行淬火、回火处理。氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因，首先在于表面形成高硬度的γ′-Fe₄N、ε-Fe_3-2N层；其次是渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的强度和硬度。

38CrAlA、38CrMoAlA和38CrWVAlA3个钢号为氮化专用钢。氮化时，氮与铝、钒、铬、钼、钨等形成氮化物，钢表面硬度可以达到1200HV。这些氮化物的热稳定性很高，加热到600～650℃时仍能保持其硬度。主要用于钻机传动装置变速箱齿轮、锥齿轮、转盘轴等。除38CrAlA等氮化钢外，35CrMo、42CrMo、40CrNiMo等中碳铬钼调质钢也可用于氮化。