油氣鉆井裝備用低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼國內(nèi)研制現(xiàn)狀與展望*

李方坡，劉五兵，李 旭

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 西安 710065；3.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721008)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步以及工業(yè)發(fā)展的需求，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)運(yùn)而生。低合金高強(qiáng)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上添加少量強(qiáng)韌化合金元素Mn、Si和微合金元素Nb、V、Ti、Al等改善材料的強(qiáng)韌性和服役性能。合金元素總量一般不超過3%，在熱軋、控軋或熱處理的狀態(tài)下具有高強(qiáng)韌、易成型和良好焊接性等特征。低合金高強(qiáng)鋼能夠滿足工程上各種結(jié)構(gòu)要求，在油氣裝備、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸、壓力容器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。為了促進(jìn)低合金高強(qiáng)鋼在油氣行業(yè)的推廣應(yīng)用，本文對(duì)我國常規(guī)油氣鉆井裝備用典型低合金高強(qiáng)鋼的研制和發(fā)展情況進(jìn)行了簡要分析，為低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼在油氣鉆井裝備制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。

1 油氣鉆井裝備對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的需求

20世紀(jì)初，美國研發(fā)出含Ni結(jié)構(gòu)鋼及含Mn的橋梁結(jié)構(gòu)鋼，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科技工作者對(duì)于Mn、Ni、Cr合金及Nb、V、Ti微合金的強(qiáng)韌化機(jī)制有了更深刻的認(rèn)識(shí)。1957年，我國成功試制出了第一批低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn，隨后的數(shù)十年間，我國先后通過采用低碳和微合金強(qiáng)化，結(jié)合先進(jìn)的精煉技術(shù)和控扎控冷技術(shù)開發(fā)了一系列低合金高強(qiáng)鋼，在交通運(yùn)輸，工程建設(shè)和裝備制造等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

油氣鉆井裝備的制造過程中，鋼鐵材料約占鉆井裝備用料的90%，直接決定了裝備的使用壽命和服役性能。鉆井裝備采用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼材料，不僅可以有效減少材料用量，而且可以提升設(shè)備服役性能，是實(shí)現(xiàn)油氣裝備制造業(yè)更新?lián)Q代和降本增效的重要途徑。國外油氣裝備的輕量化水平普遍較國內(nèi)高，目前我國鉆井裝備制造過程中應(yīng)用較多的低合金結(jié)構(gòu)鋼主要為Q235、Q345及Q420等強(qiáng)度相對(duì)較低的鋼種，由于鋼材強(qiáng)度較低，為了保證裝備構(gòu)件的服役安全，必須將構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的較大，從而使得裝備的重量大幅度增加。在同等條件下，使用高強(qiáng)度材料，可減小部件的結(jié)構(gòu)尺寸，從而使得構(gòu)件更加緊湊，重量更輕，安裝運(yùn)輸及搬遷更加便捷。

油氣鉆井裝備作業(yè)工況環(huán)境較為惡劣，而且制造過程中鋼材大多需經(jīng)過切割、焊接等冷熱加工工序，構(gòu)件主要是以板材、型材組焊件的形式制成，要求焊縫性能不能低于母材，焊縫熱影響區(qū)的性能變化較小，尤其不能產(chǎn)生裂紋。國外油氣裝備設(shè)計(jì)制造過程中使用了許多屈服強(qiáng)度大于420 MPa的結(jié)構(gòu)鋼材料，使得裝備設(shè)計(jì)更加緊湊，規(guī)模更小，安裝和運(yùn)移更加方便。隨著冶煉技術(shù)和裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，未來將會(huì)有更多的低合金高強(qiáng)鋼應(yīng)用在油氣鉆井裝備制造過程中。Q460、Q500及Q690等高強(qiáng)度等級(jí)結(jié)構(gòu)鋼作為主體材料可以顯著優(yōu)化裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少鋼材用量，提升構(gòu)件對(duì)變形的吸收能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 低合金高強(qiáng)鋼研制現(xiàn)狀分析

針對(duì)油氣鉆井裝備的發(fā)展需求和低合金高強(qiáng)鋼的研制應(yīng)用情況，下面重點(diǎn)圍繞在我國油氣鉆井裝備領(lǐng)域具有較廣應(yīng)用前景的幾種典型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的研制現(xiàn)狀進(jìn)行簡要分析。

2.1 Q460低合金高強(qiáng)鋼

Q460低合金高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分要求見表1[1]，目前應(yīng)用于裝備制造的結(jié)構(gòu)鋼板厚度主要在40 mm以內(nèi)，少部分達(dá)50 mm左右，依據(jù)GB/T 1591—2018標(biāo)準(zhǔn)要求，Q460級(jí)結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度通常要在440 MPa以上，抗拉強(qiáng)度540～720 MPa，伸長率在17%以上。

表1 Q460高強(qiáng)鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

Q460低合金高強(qiáng)鋼是在16Mn的基礎(chǔ)上加入Cr、Ni、V、Ti等合金元素開發(fā)而成，主要分為C、D、E三種等級(jí)，可以通過熱軋、正火、正火軋制或熱機(jī)械軋制工藝獲得，典型金相組織為B粒+PF。V和Ti的加入可以細(xì)化組織晶粒，增加強(qiáng)度，降低過熱傾向。

Q460低合金鋼具有較高的強(qiáng)度、良好的塑韌性與焊接性，同時(shí)具有一定的抗大氣和海水腐蝕性能。彭可武等人[2]采用TMCP工藝對(duì)Q460E中厚板生產(chǎn)工藝進(jìn)行試制試驗(yàn)，采用兩階段控制軋制，第一階段軋制道次壓下率控制在10%以上，第二階段軋制道次變形率控制在12%，獲得良好強(qiáng)韌性匹配的Q460鋼板。趙虎等人[3]采用低碳微合金強(qiáng)化成分設(shè)計(jì)，結(jié)合TMCP工藝開發(fā)了Q460C鋼板，進(jìn)一步改善了鋼板的焊接性能和強(qiáng)韌性。通過降低C和Nb、V合金元素含量，實(shí)現(xiàn)了材料碳當(dāng)量的下降，軋后緩冷解決了強(qiáng)度和伸長率低的問題。宋欣等人[4]通過進(jìn)一步優(yōu)化成分和TMCP工藝研制Q460鋼板指出，單純調(diào)整軋制工藝不能從根本上改變鋼板性能，提高待溫厚度可減少帶狀組織的數(shù)量和分布，進(jìn)而改善鋼板沖擊韌性。

熔化焊是目前最主要的焊接方式，在眾多的熔焊工藝中，CO2氣體保護(hù)焊以其操作方便、焊接速度快、效率高、綜合成本低等優(yōu)勢(shì)在低合金高強(qiáng)鋼的焊接過程中應(yīng)用最為廣泛[5]。不同的焊接材料和工藝參數(shù)對(duì)低合金高強(qiáng)鋼的焊縫及熱影響區(qū)性能具有顯著的影響。馮祥利等人[6]研究指出，隨著焊接熱輸入量的增加，焊縫中針狀鐵素體含量降低，藥芯焊絲焊縫硬度隨熱輸入的增加會(huì)顯著下降，焊縫的強(qiáng)度與母材相當(dāng)，伸長率隨焊接熱輸入量的增加而逐漸減小且低于母材，實(shí)心焊絲焊縫與藥芯焊絲焊縫的性能則明顯不同。焊接工藝對(duì)CO2焊焊接接頭的斷裂性能具有顯著影響，與實(shí)心焊絲相比，藥芯焊絲則能降低焊縫熱影響區(qū)和熔合區(qū)的硬度，在室溫至零下40 ℃范圍內(nèi)，實(shí)心焊絲比藥芯焊絲接頭具有更高的韌性，但當(dāng)溫度低于-40 ℃時(shí)，兩種焊接接頭的沖擊吸收能差別不明顯[7]。陳伯江等人[8]通過對(duì)Q460D鋼的焊縫及熱影響區(qū)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了沖擊吸收能和抗拉強(qiáng)度與焊接熱輸入量的相關(guān)性，熱輸入對(duì)Q460D鋼材焊縫力學(xué)性能具有顯著影響，隨著焊接熱輸入的增加，沖擊吸收能和強(qiáng)度均逐漸下降。胡嘉昊等人[9]使用低碳中錳高硅焊絲對(duì)Q460E進(jìn)行埋弧焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)隨熱輸入的增大，焊縫低溫沖擊呈先增大后降低的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為，這種趨勢(shì)主要是由于焊縫組織所造成的，當(dāng)焊縫組織主要為針狀鐵素體時(shí)，沖擊斷口具有明顯韌窩特征，而熱輸入過低或過高則容易造成焊縫區(qū)形成先共析鐵素體和魏氏組織，從而降低其沖擊韌性。符定梅等人[10]研究了焊接工藝對(duì)Q460焊縫熱影響區(qū)最高硬度的影響發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大焊接熱輸入可以在一定程度上降低焊縫熱影響區(qū)最大硬度，進(jìn)而降低其冷裂傾向。

Q460鋼是目前國內(nèi)研究較多，也是應(yīng)用較為成熟的低合金高強(qiáng)鋼，并已納入國家鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材標(biāo)準(zhǔn)，也是目前油氣鉆井裝備最具推廣應(yīng)用前景的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼之一。

2.2 Q550低合金高強(qiáng)鋼

Q550是指屈服強(qiáng)度為550 MPa的低合金高強(qiáng)鋼，主要分為C、D、E三種等級(jí)，是目前用途廣泛的低碳貝氏體鋼，具有強(qiáng)度高、韌性好及焊接性能優(yōu)等特點(diǎn)，主要用于重要的工程機(jī)械和裝備制造用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。Q550低合金高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分要求見表2所示。依據(jù)GB/T 1591—2018標(biāo)準(zhǔn)要求，目前應(yīng)用于裝備制造的Q550級(jí)結(jié)構(gòu)鋼材料屈服強(qiáng)度通常要在540 MPa以上，抗拉強(qiáng)度670～830 MPa，伸長率在16%以上。

表2 Q550高強(qiáng)鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

Q550低合金高強(qiáng)鋼廣泛用于工程裝備制造行業(yè)，目前國內(nèi)主要采用TMCP工藝或正火軋制+回火的方式生產(chǎn)，典型金相組織為B粒。

李曉林[11]研究Q550不同制造工藝對(duì)微觀組織的影響發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速度增大，貝氏體與鐵素體間距逐漸變小，當(dāng)冷速為30 ℃/s時(shí)，材料硬度達(dá)到最大。隨軋制溫度升高，材料微觀組織中晶粒不斷長大，軋制溫度升至950 ℃時(shí)，微觀組織中會(huì)出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。王新鋼等人[12]將低合金和軋后快冷技術(shù)相結(jié)合，采用TMCP工藝軋制的Q550D鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)590 MPa以上，沖擊吸收能達(dá)150 J。相比傳統(tǒng)TMCP工藝，以超快冷技術(shù)為核心的新一代TMCP技術(shù)可以獲得更細(xì)小晶粒。王超等人[13]利用新一代TMCP工藝試制Q550鋼板指出，以超快冷技術(shù)制造的Q550鋼板可以為TMCP態(tài)或回火態(tài)，其力學(xué)性能與離線淬火+回火熱處理獲得的組織性能相當(dāng)。張軍等人[14]指出，隨著鋼板厚度的增加，Q550D鋼板心部組織由貝氏體+鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w+鐵素體+珠光體。王寶華等人[15]通過對(duì)低碳V-N-Cr微合金強(qiáng)化鋼板研究指出，隨冷卻速度降低，多邊形鐵素體及針狀鐵素體會(huì)析出細(xì)小彌散的碳化物。細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化方式，晶粒細(xì)化及針狀鐵素體的形成有效阻斷解理斷裂裂紋的擴(kuò)展，從而增強(qiáng)低溫韌性。齊翔羽等人[16-17]成功開發(fā)了V-N微合金化高強(qiáng)度Q550D中厚板，N及V析出物的形成可以有效改善低合金高強(qiáng)鋼板的強(qiáng)韌性。

Q550鋼焊接的關(guān)鍵是防止冷裂紋的形成和高強(qiáng)度條件下確保高的沖擊韌性。影響其焊接接頭脆性的主要因素是M-A組元、貝氏體和粗大鐵素體組織，甚至魏氏體組織，其中魏氏組織對(duì)材料脆化的影響最為明顯。冷裂紋敏感指數(shù)和碳當(dāng)量是表征焊接冷裂傾向的重要指標(biāo)，熱影響區(qū)冷裂傾向主要與焊縫中的擴(kuò)散氫含量、焊接結(jié)構(gòu)拘束度和焊接熱循環(huán)有關(guān)。崔偉等人[18]通過斜Y坡口實(shí)驗(yàn)研究Q550鋼裂紋敏感性發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱60 ℃可避免Q550D焊接接頭裂紋的形成，通過對(duì)焊接熱輸入和不同層間溫度分析指出，焊接熱輸入控制在9.58～22.44 KJ/cm，層間溫度控制在100～250 ℃，可以得到性能優(yōu)異的焊接接頭。熊江等人[19,22]采用富氬氣體保護(hù)焊的方法對(duì)不同坡口角度的Q550鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)表明，隨著坡口角的增加，焊縫抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，焊縫伸長率呈逐漸下降趨勢(shì)，沖擊吸收能呈先升高后降低趨勢(shì)。朱曉麗等人[20,21]的試驗(yàn)結(jié)果表明，Q550D鋼板的熱影響區(qū)最高硬度可達(dá)297 HV。在中等拘束條件或斜Y坡口條件下，20 mm厚Q550D鋼板不預(yù)熱情況下焊接也可獲得無裂紋的焊接接頭。TMCP工藝制造的 Q550高強(qiáng)鋼板屬低焊接裂紋敏感型材料，具有較好的抗冷裂紋能力，但在低溫條件下焊接作業(yè)時(shí)，建議焊前適當(dāng)預(yù)熱，而且焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理，以達(dá)到消氫和消除部分焊接應(yīng)力的目的，避免焊接裂紋的形成。

2.3 Q690低合金高強(qiáng)鋼

Q690低合金高強(qiáng)鋼不僅具有高的強(qiáng)度，而且兼有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)制狀態(tài)下使用，Q690的應(yīng)用不僅可以顯著增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減輕自重，而且可以有效降低成本。Q690低合金高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分要求見表3。

表3 Q690高強(qiáng)鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

依據(jù)GB/T 1591—2018標(biāo)準(zhǔn)要求，目前應(yīng)用于裝備制造的Q690級(jí)結(jié)構(gòu)鋼板材料屈服強(qiáng)度通常要在680 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在770～940 MPa，伸長率在14%以上。Q690鋼的典型金相組織為B粒，另外，國內(nèi)部分企業(yè)采用在線淬火工藝生產(chǎn)制造Q690級(jí)鋼板，其組織主要為板條馬氏體。

現(xiàn)代高強(qiáng)鋼的發(fā)展在不斷提高鋼強(qiáng)韌性的同時(shí)，逐步改善其焊接工藝性。張虹等人[23]采用低碳和Nb、V、Ti復(fù)合微合金化技術(shù)開發(fā)了Q690鋼，采用TMCP工藝，結(jié)合軋后熱處理，開發(fā)的Q690鋼既滿足了各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)要求又降低了制造成本。姬鳳芹等人[24]通過對(duì)Q690進(jìn)行合金減量化設(shè)計(jì)，降低Ni、Cu元素含量，克服對(duì)Mo元素的依賴，采用以超快冷技術(shù)為核心的新一代TMCP技術(shù)生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度達(dá)745 MPa，夏比沖擊吸收能達(dá)166 J的低成本Q690鋼。與傳統(tǒng)TMCP+淬火+回火工藝相比，新一代TMCP工藝取消了淬火+回火過程，生產(chǎn)成本大幅度降低，而且節(jié)能降耗，減少了污染物的排放。高照海等人[25]對(duì)Q690鋼化學(xué)成分、冶煉、軋制及熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了性能優(yōu)異的Q690高強(qiáng)度厚板，其組織為保持原馬氏體位向的索氏體。宋欣[26]在C-Mn-Nb-V成分系的基礎(chǔ)上開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型Q690D鋼，隨著終冷溫度的逐漸降低，鋼的強(qiáng)度逐漸上升，不含Mo鋼的Q690鋼的強(qiáng)度對(duì)冷卻速度的細(xì)微變化不敏感。奇祥羽等人[27]對(duì)中錳Q690鋼研究發(fā)現(xiàn)，中錳鋼組織通常為回火馬氏體和奧氏體復(fù)相組織。逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)是中錳鋼的主要強(qiáng)韌化機(jī)制，該效應(yīng)增加了均勻延伸率，有效提高了裂紋形成和擴(kuò)展所需的能量，進(jìn)而改善中錳鋼的強(qiáng)韌性。陳振業(yè)等[28]通過低碳及Mn-Cr-Mo-B-V-Ti微合金化成分設(shè)計(jì)，采用調(diào)質(zhì)工藝成功開發(fā)出Q690E鋼板，微觀組織為回火索氏體，屈服強(qiáng)度達(dá)800 MPa以上，而且有效控制了生產(chǎn)成本。張勇偉等人[29]采用在線淬火工藝成功獲得了以板條馬氏體為主要組織的Q690D鋼板研究，實(shí)現(xiàn)了鋼板的高強(qiáng)韌匹配。朱希等[30]對(duì)國產(chǎn)Q690鋼材料的11 638組力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，獲得了不同厚度分組材料屈服強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，為我國高強(qiáng)鋼構(gòu)件抗力分項(xiàng)系數(shù)的確定提供了有力支撐。

隨著鋼材屈服強(qiáng)度的升高和合金元素含量的增加，低合金高強(qiáng)鋼焊接難度也逐漸增大。高強(qiáng)鋼焊接面臨的主要問題包括冷裂紋傾向、熱影響區(qū)脆化及軟化問題。Q690添加了多種提高淬透性的合金元素，微觀組織主要為粒狀貝氏體和板條馬氏體。淬透性提升的使得冷裂傾向顯著增加，所幸碳含量比較低，如果在MS溫度時(shí)冷卻速度較慢，獲得的馬氏體組織能夠“自回火”，冷裂紋完全可以避免。反之，如果馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度很快、焊縫組織無法實(shí)現(xiàn)“自回火”，其冷裂紋傾向則會(huì)顯著增大。焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生脆化的原因主要與奧氏體晶粒粗化、上貝氏體和M-A組織有關(guān)。

王婷等人[31]研究Q690D焊接性發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)對(duì)氫致裂紋有一定的敏感性，在焊接作業(yè)過程中要嚴(yán)控?cái)U(kuò)散氫的形成，焊后需進(jìn)行消氫處理。采用實(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊時(shí)，焊前要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，焊后進(jìn)行消氫處理和去應(yīng)力處理，以確?；w和焊縫的整體性能。Q690D鋼板普遍采用多層焊，角焊縫接頭的拘束應(yīng)力較大，如果焊接工藝不合理，焊接接頭極易產(chǎn)生冷裂紋。韓振仙等人[32]采用碳當(dāng)量為0.52%的Q690D研究焊接冷裂紋敏感性指出，預(yù)熱溫度高于100 ℃可以防止冷裂紋的產(chǎn)生。郭宏超等人[33]對(duì)Q690D高強(qiáng)度鋼材及其焊縫部位的疲勞壽命進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，擬合出了疲勞壽命S-N曲線，十字焊接接頭S-N設(shè)計(jì)曲線與理論疲勞設(shè)計(jì)曲線吻合較好。焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命容易受多方因素的影響，波動(dòng)性較大，這些因素包括但不限于材料、焊接工藝、構(gòu)件形狀、尺寸、表面狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)等。劉朋等人[34]研究表明，高鎳合金含量能夠細(xì)化焊縫晶粒。X型坡口的厚板焊接速度大于單V型坡口，而且熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的晶粒較細(xì)，具有更優(yōu)異的性能，單X坡口焊接時(shí)務(wù)必重視焊根部位的清理程序。劉軍華[35]通過優(yōu)化焊接工藝解決了Q690E焊接接頭韌性低的問題，使得焊縫各個(gè)部位在-40 ℃條件下沖擊吸收能均可大于69 J，獲得焊縫優(yōu)異沖擊吸收能的關(guān)鍵是科學(xué)選擇焊接熱輸入和焊絲進(jìn)給速度的合理匹配。黃達(dá)善等人[36]通過Q690 MAG焊研究也指出，合理控制層間溫度和熱輸入是防止焊接冷裂紋的關(guān)鍵所在。30 mm厚Q690鋼板的焊縫組織主要為鐵素體、貝氏體及低碳馬氏體混合組織。熔合區(qū)主要為板條狀馬氏體、貝氏體和針狀鐵素體。Q-P-T工藝處理后的Q690鋼焊接接頭熔合區(qū)及熱影響區(qū)會(huì)形成較多的馬氏體和殘奧組織，晶粒細(xì)化，焊接接頭屈服強(qiáng)度較普通Q690鋼提升10%以上[37 ]。隨著國內(nèi)針對(duì)Q690鋼焊接技術(shù)系統(tǒng)研究工作的逐步深入，Q690鋼的焊接難題也在逐步被攻克，但由于高強(qiáng)度高碳當(dāng)量的客觀實(shí)際，存在一定的冷裂傾向，在工程應(yīng)用中必須嚴(yán)格控制焊接工藝和操作規(guī)范，切實(shí)做好焊前預(yù)熱和焊后處理，避免焊接結(jié)構(gòu)裂紋的形成。

3 油氣鉆井裝備用低合金高強(qiáng)鋼發(fā)展展望

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油天然氣的需求量快速攀升，2018年我國天然氣消費(fèi)量達(dá)2 766億立方米，進(jìn)口天然氣1 254億立方米，石油表觀消費(fèi)量達(dá)6.25億噸，進(jìn)口石油4.6億噸，進(jìn)口依存度達(dá)70.9%。未來相當(dāng)長一段時(shí)間，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)于石油天然氣的需求量將持續(xù)增大。深層油氣資源的開發(fā)受到世界各國的普遍重視，也是未來油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。我國深層油氣資源豐富，陸上主要的剩余石油和天然氣資源均分布在深層和超深層，開發(fā)利用前景廣闊。我國西部近10年來增長的油氣儲(chǔ)量中，約90%來自于埋深超過4 500 m的深層超深層。在這種情況下，加強(qiáng)油氣資源的勘探開發(fā)對(duì)于保障我國能源安全具有重要意義[38]。“十三五”以來，中石油集團(tuán)公司深井超深井?dāng)?shù)量逐年增加，2018年，4 000 m以上深井?dāng)?shù)量突破800口。鉆井技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是裝備技術(shù)水平的競(jìng)爭(zhēng)，為了順利開展深層超深層油氣資源的勘探開發(fā)，必須具備高性能的油氣鉆井裝備。與國外標(biāo)桿企業(yè)鉆井裝備相比，國產(chǎn)裝備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用、自動(dòng)化水平等方面還存在不小的差距。隨著裝備制造業(yè)產(chǎn)品的不斷升級(jí)，油氣鉆井裝備對(duì)材料的要求不斷提高，為了滿足未來深層超深層及非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的需要，必須大力推進(jìn)鉆井裝備材料的性能提升，尤其是應(yīng)用量巨大的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)而推動(dòng)鉆井裝備的升級(jí)換代。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼未來的發(fā)展就是要最大限度的開發(fā)利用材料性能，提高鋼的綜合性能，降低生產(chǎn)成本，改善制造工藝性能。自上世紀(jì)末以來，國際主要鋼鐵強(qiáng)國相繼出臺(tái)了新一代鋼鐵材料研究計(jì)劃，將超細(xì)組織、高潔凈度、微合金強(qiáng)韌化、高均勻度鋼鐵材料作為重要的研究方向。國內(nèi)外成功開發(fā)利用的先進(jìn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼包括：納米粒子析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼、雙相鋼、復(fù)相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、孿晶誘導(dǎo)塑性鋼、淬火-配分鋼、淬火-配分-回火鋼等，通過利用變形或熱處理優(yōu)化鋼材微觀組織，確保鋼鐵材料的高強(qiáng)韌性。高性能化和高性價(jià)比是低合金高強(qiáng)鋼發(fā)展的必然趨勢(shì)。低碳超低碳、高純凈化冶煉、高強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)、多元微合金強(qiáng)化、控軋控冷新工藝、超細(xì)晶?；坝?jì)算機(jī)模擬技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)工藝的推廣應(yīng)用為科學(xué)調(diào)控鋼鐵材料強(qiáng)韌性和高性能鋼鐵材料的開發(fā)提供了有力支持。目前，冶金行業(yè)高性能鋼鐵材料的開發(fā)進(jìn)度明顯高于油氣鉆井裝備材料的更新速度，這為高性能新材料在油氣鉆井裝備領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展提供了廣闊空間。

4 結(jié) 論

1)隨著深層油氣資源的開發(fā)及裝備制造技術(shù)的進(jìn)步，低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼在油氣鉆井裝備制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2)國內(nèi)圍繞Q460、Q550及Q690低合金高強(qiáng)鋼開展了大量研究，已形成系列規(guī)格高強(qiáng)鋼的制造工藝，為高強(qiáng)鋼的推廣應(yīng)用提供了有力保障。

3)為了更好的推動(dòng)低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用，建議冶金行業(yè)與油氣行業(yè)加強(qiáng)溝通交流，共同促進(jìn)我國油氣鉆井裝備用鋼的發(fā)展進(jìn)步。