本发明涉及深水油气勘探开发技术与装备制造技术领域，具体涉及一种抗深水压溃海洋钻井隔水管及其制造方法。
背景技术：
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海洋蕴藏着极其丰富的油气资源，其石油资源量约占全球石油资源总量的34％。近年来全球油气新发现中较大的发现主要位于海上，海洋石油储量和产量在全球石油产量中所占的份额也在不断增加。海洋油气资源无论对整个世界石油工业，还是对未来世界经济的发展，都有非常重要的意义。随着石油天然气勘探开发逐渐由陆上向海洋的转移，海洋油气勘探开发用装备成为国内外关注的新热点。
海上隔水管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，是在钻井作业时隔绝海水、循环泥浆的安全通道，上接导流器，下连防喷器，是一组重要的水下钻井装备。海洋钻井隔水管作为海洋深水油气勘探开发的一个重要装备单元，在海洋油气的勘探中，钻井隔水管是整个钻井系统中重要而又薄弱的环节，是影响海上钻井安全的重要因素。由于受深海低温、高压、强海水腐蚀、浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等服役环境的影响，深水海洋隔水管对管材的强度、塑性、韧性、疲劳性能、耐蚀性、耐磨性能、可焊性均有极高的要求，同时对管体尺寸精度要求更加严格，以保证管体抗压溃性能。因此海洋钻井隔水管的稳定性对于整个石油的勘探、开采起着重要的作用，是一种具有高风险、高难度、高技术、高附加值的石油钻井装备。
近年来，随着海洋油气勘探技术的不断进步，海洋钻井隔水管适应海水深度的能力已经超过3000米。目前具有海洋钻井隔水管开发能力的国家只有美国、挪威、日本、法国等国家，深水钻井隔水管系统整体设计与分析技术仅被少数几个公司所掌握。近年来，我国虽然在海洋钻井隔水管理论研究方面做了一些工作，在隔水管维修方面积累了一定的经验，但一直未能进入实质性的形成产品阶段，达到国产化工程应用。
深水钻井隔水管在深海极端环境中的稳定性失效是其破坏的主要模式，一旦发生局部压溃，将诱发屈曲传播，导致管线整体失效，后果十分严重，因此防止管道压溃失效是保障深海结构安全所必须要解决的关键问题。作为深海钻井隔水管用钢管，为了防止因水压而导致的塌陷(压溃)，使用径厚比(D/t)小的管线管，并且要求高圆度，且对于管线管的材质而言，为了对抗因外压而在沿管周方向产生的压缩应力，需要高的抗压强度。
中国专利局2014年2月5日公布的公布号为CN103556079A的发明专利，专利名称为一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法，该发明的钻井隔水管的化学成份为C0.04％～0.08％，Si0.15％～0.35％，Mn1.55％～1.85％，P≤0.015％，S≤0.003％，Ni≤0.30％，Cr≤0.30％，Cu≤0.25％，Mo≤0.25％，Nb0.02％～0.060％，V≤0.06％，Ti0.008％～0.06％，Al0.010％～0.040％，N≤0.008％，Al/N≥3，Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％，Nb+V+Ti≤0.12％，其碳当量Ceq≤0.45，冷裂纹系数Pcm≤0.23，显微组织为针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织，提供了一种具有抗疲劳性能的X80高强度、高尺寸精度钻井隔水管的制造方法，但是，该发明专利的管线钢的力学性能稳定性和可焊接性能较差，管材的强度偏低，焊接接头的韧性较低，钢管抗压强度不足；另外在钢管的制造过程中所采用的扩径率较低，钢管的椭圆度相对较大，降低了钢管的抗压溃性能。
本发明提供一种抗深水压溃海洋钻井隔水管，通过对管材的成分和组织的优化设计，抑制了因包辛格效应而引起的抗压强度的降低；通过控制钢管成型中的关键参数，提高了抗压强度和耐腐蚀性能。本发明的钻井隔水管可适用于水深1500米以上复杂服役工况下的深海勘探钻采作业。
技术实现要素：
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为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种抗深水压溃海洋钻井隔水管及其制造方法，通过本发明制造出管径533.4mm、厚壁15.9mm～25.4mm的深水钻井隔水管，钢管管体屈服强度Rt0.5≥555MPa，抗拉强度Rm≥625MPa；-20℃下，管体的冲击功Akv≥200J，焊接接头的冲击功≥80J；-10℃下，DWTT剪切面积百分比SA≥85％；0℃下，管体及焊接接头的CTOD特征值δm≥0.254mm；钢管全比例试件在处于内部中空，外部承受15MPa～30MPa，即1500米～3000米水深的高压条件下，无失稳、凹陷或压溃现象。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种抗深水压溃海洋钻井隔水管，所述抗深水压溃海洋钻井隔水管的管材成分，按照质量百分比，包括C：0.04％～0.08％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.40％～1.80％，P≤0.015％，S≤0.002％，Ni：0.10％～0.50％，Cr：0.10％～0.35％，Cu：0.10％～0.40％，Mo：0.05％～0.35％，Nb：0.005％～0.06％，V：0.01％～0.06％，Ti：0.005％～0.025％，Al：0.02％～0.06％，N：0.002％～0.006％，B≤0.0005％，Ca：0.0015％～0.0035％，Ti/N：1.5～4.0，Nb+V+Ti≤0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质，其焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.19，隔水管的显微组织主要由铁素体和贝氏体的复合细晶组织构成，贝氏体分率在80％以上。
上述隔水管的管径为533.4mm、壁厚为15.9mm～25.4mm。
以下对本发明的抗深水压溃海洋钻井隔水管管材中所含基本元素的作用及其用量的选择具体分析说明:
碳(C)：C是对材料的强度、低温韧性、焊接性能都起有重要的作用的元素。但是，碳含量控制的过低(一般低于0.025％)，则不能够保证充分的强度，含量过高时(一般高于0.10％)，则焊接性能、低温韧性和耐HIC性能变差。本技术方案中将C的含量设在0.04％～0.08％。
硅(Si)：Si可以扩大α-γ区，使得临界区处的温度范围加宽。Si是为了去氧而添加的，同时可以增加材料的强度，但在0.10％以上才发挥该效果，若超过0.50％，则会损害材料的低温韧性及焊接性能。本技术方案中将Si的含量设在0.10％～0.30％。
锰(Mn)：Mn元素是典型的奥氏体稳定化元素，能够提高钢的淬透性，并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用，提高钢的拉伸强度、抗压强度以及韧性，在低碳条件下对于提高材料的强度有着显著的作用。对高强度管线钢，若Mn含量低于1.20％，则其强化效果不充分，若超过1.85％，不但使得连铸过程较难控制，而且容易与P，S等元素形成偏析，材料的韧性、焊接性和耐HIC性能变差。本技术方案中将Mn的含量设在1.40％～1.80％。
磷(P)：P为不可避免的杂质元素，因提高中心偏析部的硬度而导致耐HIC性变差。本技术方案中将P的含量设在0.015％以下。
硫(S)：S为不可避免的杂质元素，在钢中一般为MnS系夹杂物，通过添加Ca将从MnS系形态控制为CaS系夹杂物。但是，如果S的含量多，则CaS系夹杂物的含量也变多，高强度材料中成为破裂的起点。本技术方案中将S的含量设在0.002％以下。
镍(Ni)：Ni是对韧性的改善、拉伸强度和抗压强度的提高有效的元素，同时，还可以降低含铜钢中铜脆现象的产生，提高钢板的耐腐蚀性。为了得到该效果，优选添加0.10％以上。但是，如果添加超过1.0％，则焊接性变差，促进连续铸造时的板坯表面的破裂。因此，本技术方案中将Ni的含量设在0.10％～0.50％。
铜(Cu)：Cu是对韧性的改善、拉伸强度和抗压强度的提高有效的元素，可以提高钢板的淬透性和耐腐蚀性。为了得到该效果，优选添加0.10％以上。但是，如果添加超过0.50％，高含量的铜容易使钢产生铜脆现象，恶化钢板的表面性能，且焊接性变差。因此，本技术方案中将Cu的含量设在0.10％～0.40％。
钛(Ti)：Ti主要作用是固氮和完全脱氧，Ti不仅形成TiN来抑制板坯加热时的晶粒生长，还可抑制焊接热影响部的晶粒生长，通过母材和焊接热影响部的微粒化来提高韧性。但是，如果Ti量低于0.005％，则没有该效果，若超过0.03％，则韧性变差。因此，本技术方案中将Ti的含量设在0.005％～0.025％。
铝(Al)：Al是作为去氧剂而添加的。在0.01％以上时才发挥该效果，但若超过0.06％，则因洁净度的降低而使韧性和延展性变差。因此，本技术方案中将Al的含量设在0.02％～0.06％。
氮(N)：N是钢种不可避免的杂质元素，但与C相同在钢中作为固溶元素而存在时可促进应变时效，有助于防止因包辛格效应所导致的抗压强度的降低。但是，若低于0.002％，则该效果小，另外，如果超过0.006％地含有，则韧性变差。因此，本技术方案中将N的含量设在0.002％～0.006％。
硼(B)：B在钢中的作用是提高钢的淬透性，也可以提高钢的高温强度，强化晶界的作用。一般加入量较少，本技术方案中将B的含量设在0.0005％以下。
钙(Ca)：Ca是对控制硫化物系夹杂物的形态，改善延展性的有效的元素，但若低于0.0005％，则没有该效果，即使添加超过0.0035％，效果也会饱和，且因洁净度的降低而使韧性变差。因此，本技术方案中将Ca的含量设在0.0015％～0.0035％。
Ti/N：钢中的N由于与Ti结合形成氮化物，所以固溶N量是根据与Ti添加量的关系变化。若Ti量和N量的质量之比、即Ti/N超过4.0，则钢中的N基本变成Ti氮化物，固溶N变不足，如果Ti/N低于1.5，则相对地固溶N量变过多，韧性变差。因此，本技术方案中将Ti/N设在1.5～4.0。
焊接裂纹敏感性指数(Pcm)：焊接裂纹敏感性指数(Pcm)是评判管线钢焊接性能优劣的重要指标。通过降碳，降低钢的淬硬倾向，提高钢的韧性。通过多元微量元素来保证钢的强度，通过降低钢中的杂质，从而在根本上保证了管材的优良韧性及可焊性，保证了管材在焊接熔合区及热影响区具有优良的抗裂能力，保证在焊前不预热或低预热的条件下不出现裂纹，从而提高了钢管焊接接头的安全可靠性。因此，本技术方案中将Pcm设在0.19以下。
除了上述的化学成分，还可将以下的元素作为选择性元素添加。
铬(Cr)：Cr可不添加，但其是对韧性的改善、拉伸强度和抗压强度的提高有效的元素，同时促进了C向奥氏体扩散，并可降低铁素体的屈服强度，有利于获得低屈强比的双相钢。为了得到该效果，优选添加0.10％以上。但是，如果添加超过0.50％，则焊接性变差。因此，本技术方案中，在添加Cr的情况下设为0.10％～0.35％。
钼(Mo)：Mo可不添加，但其对韧性的改善、拉伸强度和抗压强度的提高有效的元素。为了得到该效果，优选添加0.05％以上。但是，如果添加超过0.50％，则焊接性变差。因此，本技术方案中，在添加Mo的情况下设为0.05％～0.35％。
铌(Nb)：Nb可不添加，但其对抑制轧制时的晶粒生长，通过微粒化而提高韧性是有效的元素。但是，如果Nb量低于0.005％，则没有该效果，若超过0.06％，则作为碳化物析出，使固溶C量降低，促进包辛格效应，所以无法得到高抗压强度，并且，在中心偏析部生成粗大的未固溶NbC，使耐HIC性能变差。因此，本技术方案中，在添加Nb的情况下设为0.005％～0.06％。
钒(V)：V可不添加，但其对韧性的改善、拉伸强度的提高是有效的元素。为了得到该效果，优选添加0.01％以上。但是，如果添加超过0.10％，则与Nb相同作为碳化物析出，使固溶C减少。因此，本技术方案中，在添加V的情况下设为0.01％～0.06％。
本发明板材的组织主要由铁素体和贝氏体组织构成，其中贝氏体分率在80％以上，其理由为：为了兼顾因抑制包辛格效应而获得的高的强度、韧性、塑性以及耐腐蚀性能，通过减少金属组织的软质的铁素体相与硬质的MA的分率，制成以针状形铁素体和贝氏体的组织作为主体的组织，能够抑制因包辛格效应所致的抗压强度的降低。为了得到该效果，需要贝氏体的分率为80％以上。
制造上述抗深水压溃海洋钻井隔水管的方法，首先采用JCO工艺、加压弯曲等冷轧成型制成钢管形状；其后进行管坯预焊合缝和焊接，焊接采用内、外多丝的埋弧焊接工艺。其中对Φ533.4×25.4mm的隔水管，采用内、外坡口角度均为70°，钝边高度为8.0mm，外坡口高度为10.5mm的X坡口型式；内焊采用四丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至四丝为交流，第一丝电流950～1150A、电压32～34V，第二丝电流800～1000A、电压34～36V，第三丝电流650～750A、电压36～38V，第四丝电流550～650A、电压38～40V，焊丝间距d＝18～21mm，焊接速度125～155cm/min；外焊采用四丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至四丝为交流，第一丝电流1100～1300A、电压32～34V，第二丝电流900～1100A、电压34～36V，第三丝电流800～1000A、电压37～39V，第四丝电流700～900A、电压39～41V，焊丝间距17～21mm，焊接速度125～155cm/min。对Φ533.4×15.9mm的隔水管，采用内坡口角度为70°，外坡口角度为80°，钝边高度为5.0mm，外坡口高度为6.5mm的X坡口型式；内焊采用三丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至三丝为交流，第一丝电流800～1000A、电压32～34V，第二丝电流600～700A、电压33～35V，第三丝电流500～600A、电压36～38V，焊丝间距17～20mm，焊接速度155～185cm/min；外焊采用三丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至三丝为交流，第一丝电流900～1100A、电压33～35V，第二丝电流600～800A、电压36～38V，第三丝电流500～600A、电压39～41V，焊丝间距18～21mm，焊接速度160～190cm/min。最后对钢管的全长进行扩径率为0.80％～1.50％的精密扩径，得到径厚比(D/t)为21～33.5的抗深水压溃X80高强度隔水管。
本发明的有益效果：
1、本发明通过对具有抗深水压溃海洋钻井隔水管管材的合金成分设计及显微组织控制，使管材具有高强度、高韧性、耐腐蚀和可焊性好等特性，保证制管后钢管管体及焊接接头对强度、韧性、耐腐蚀性能的要求。
2、本发明通过对JCO制管工艺优化及过程控制，制造出管径为533.4mm、壁厚为15.9mm～25.4mm的抗深水压溃海洋钻井隔水管。钢管管体屈服强度Rt0.5≥555MPa，抗拉强度Rm≥625MPa；-20℃下，管体的冲击功Akv≥200J，焊接接头的冲击功≥80J；-10℃下，DWTT剪切面积百分比SA≥85％；0℃下，管体及焊接接头的CTOD特征值δm≥0.254mm；依据相关腐蚀试验标准要求对钢管管体及焊接接头进行HIC及SSCC试验，试样均无任何开裂或裂纹；钢管全比例试件在处于内部中空，外部承受15MPa～30MPa(相当于1500米～3000米水深)的高压条件下，试件无失稳、凹陷或压溃现象。
附图说明：
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。
图1为管材的金相显微组织形貌(F+B粒)(×1000倍)，其中：F为铁素体，B粒为粒状贝氏体。
具体实施方式：
结合Φ533.4mm×15.9mm和Φ533.4mm×25.4mm抗深水压溃海洋钻井隔水管制造实例，本发明的实施例如下：
1、具有抗深水压溃海洋钻井隔水管管材按照质量百分比，含有C:0.04％，Si:0.14％，Mn:1.78％，P：0.012％，S：0.002％，Ni:0.22％，Cr:0.23％，Cu：0.18％，Mo:0.20％，Nb:0.06％，V:0.04％，Ti:0.012％，Al：0.02％～0.06％，N:0.005％，B：0.0003％，Ca:0.002％，Ti/N:2.4，Nb+V+Ti＝0.112％，余量为Fe及不可避免的杂质，其焊接裂纹敏感性指数Pcm＝0.17，管材的显微组织主要由铁素体和贝氏体的复合细晶组织构成(如图1所示)，贝氏体分率在80％以上。管材具有高强度、高韧性、耐腐蚀和可焊性好等特性。
2、具有管径为533.4mm、壁厚为15.9mm～25.4mm的抗深水压溃海洋钻井隔水管直缝埋弧焊接钢管的制造。钢管的成型方法是通过JCO工艺、加压弯曲等冷轧成型而成型成钢管形状。根据钢管壁厚采用合理设计焊接坡口、优选工艺性能良好的高品质埋弧焊剂、优化焊接工艺参数，通过采用内、外多丝的埋弧焊接工艺完成钢管的高效、高品质焊接，保证埋弧焊缝的强度与韧性。其中对Φ533.4×25.4mm的隔水管，采用内、外坡口角度均为70°，钝边高度为8.0mm，外坡口高度为10.5mm的X坡口型式；内焊采用四丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至四丝为交流，第一丝电流1050A、电压33V，第二丝电流900A、电压35V，第三丝电流700A、电压37V，第四丝电流600A、电压39V，焊丝间距d＝20mm，焊接速度140cm/min；外焊采用四丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至四丝为交流，第一丝电流1200A、电压33V，第二丝电流1000A、电压35V，第三丝电流900A、电压38V，第四丝电流800A、电压40V，焊丝间距19mm，焊接速度140cm/min。对Φ533.4×15.9mm的隔水管，采用内坡口角度为70°，外坡口角度为80°，钝边高度为5.0mm，外坡口高度为6.5mm的X坡口型式；内焊采用三丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至三丝为交流，第一丝电流900A、电压33V，第二丝电流650A、电压34V，第三丝电流550A、电压37V，焊丝间距18mm，焊接速度170cm/min；外焊采用三丝埋弧自动焊，第一丝为直流反接，第二至三丝为交流，第一丝电流1000A、电压34V，第二丝电流700A、电压37V，第三丝电流550A、电压40V，焊丝间距20mm，焊接速度175cm/min。
为了去除焊接残余应力和提高钢管的圆度，根据钢管成型后的尺寸、形状及力学性能情况，确定最佳扩径工艺，进行钢管的全长扩径。保证了钢管强度、韧性、抗压溃性、耐腐蚀及管型质量等指标性能满足深水钻井隔水管的技术要求。
3、具有抗深水压溃海洋钻井隔水管的性能检测。按照相关试验要求对完成制造的Φ533.4mm×15.9mm和Φ533.4mm×25.4mm隔水管直缝埋弧焊接钢管进行强度、韧性、抗压溃及耐腐蚀性能进行综合性能评价。
表1、表2、表3、表4、表5、表6和表7给出的是本实例Φ533.4mm×15.9mm和Φ533.4mm×25.4mm隔水管直缝埋弧焊接钢管实物的性能试验检测结果，由表中可看出，利用本发明的制造技术制造的管径为533.4mm、壁厚为15.9mm～25.4mm的抗深水压溃海洋钻井隔水管直缝埋弧焊接钢管，钢管管体屈服强度Rt0.5≥555MPa，抗拉强度Rm≥625MPa；-20℃下，管体的冲击功Akv≥200J，焊接接头的冲击功≥80J；-10℃下，DWTT剪切面积百分比SA≥85％；0℃下，管体及焊接接头的CTOD特征值δm≥0.254mm；依据相关腐蚀试验标准要求对钢管管体及焊接接头进行HIC及SSCC试验，试样均无任何开裂或裂纹；钢管全比例试件在处于内部中空，外部承受15MPa～30MPa(相当于1500米～3000米水深)的高压条件下，试件无失稳、凹陷或压溃现象。钢管具有高强度、高韧性、抗压强度高，耐腐蚀性优异等特性，可适用于水深1500米以上复杂服役工况下的深海勘探钻采作业。
表1拉伸性能试验结果
表2夏比冲击试验结果
表3落锤撕裂(DWTT)试验结果(全壁厚)
表4裂纹尖端张开位移(CTOD)试验结果
表5抗氢致开裂(HIC)试验结果
表6硫化氢环境应力腐蚀开裂(SSCC)试验结果
表7抗压溃性能测试结果
本发明公开了通过试验研究提出了壁厚为15.9mm～25.4mm的抗深水压溃海洋钻井隔水管直缝埋弧焊接钢管管材的成分及组织设计方法，制造出具有高强度、高韧性、耐腐蚀和可焊性好的管线钢材料。采用JCO成型工艺完成对管材的制管成型及预焊合缝后，采用多丝埋弧自动焊接分别进行钢管内焊、外焊缝的焊接，在0.8％～1.5％扩径率下对钢管进行全长机械扩径，完成管径为533.4mm、壁厚为15.9mm～25.4mm的抗深水压溃海洋钻井隔水管直缝埋弧焊接钢管的制造。钢管具有高强度、高韧性、抗压强度高，耐腐蚀性优异等特性，可适用于水深1500米以上复杂服役工况下的深海勘探钻采作业。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。