一、研究的背景与问题
海洋油气资源是石油天然气资源的重要组成部分，是未来油气资源开采的重要方向。随着世界能源消耗的不断增大和陆路油气资源的减少，促使油气开发从陆地走向海洋，海洋油气资源所占的比例持续增大。据报道，目前，海洋油气储量占全球储量的30%-40%，未来十年深海油气产量将增长300%以上。海洋油气资源中很大部分分布于水深1000m甚至2000m以上的深水区域，需要建设专用的深海油气采输系统进行开采；其中，深海油气输送管线作为海洋油气储运的一种主要形式，是海上油气田开发与生产不可或缺的生命线，也是最安全、最经济、对环境破坏最小的油气运输方式。
深海管线在铺设和服役过程中会面临发生塑性变形、承受极高水压和海洋暗流等多种复杂恶劣的条件，要求材料具有高强韧性的同时兼具抗应变、抗压溃和耐疲劳等多种综合性能；即要求深海管线用钢板具有厚壁、高强度、高韧性、低屈强比并兼具高均匀变形率、高应变硬化指数和高疲劳强度等综合技术特征，同时，还需满足制作大厚径比直缝埋弧焊管的需要。
近年来，我国海洋油气管线用钢板、钢管等材料的研发取得了一定进展，但主要为基于应力设计产品，满足深海油气输送的高应变海洋管线钢板、钢管的制造和应用尚属空白。
二、解决问题的思路与技术方案
项目针对深海管线用高应变L485钢板的特殊要求，以微观组织结构、板/管尺寸规格等机理研究和产品设计为基础，以突破钢板关键制造技术为核心，以攻克产品应用技术为支撑，形成了基础研究、关键技术、产品开发和应用技术为主线的研究思路和技术路线，为深海管线用高应变L485钢板的开发打下了坚实的基础。详细的研究思路和技术路线如图1所示。
图1研究思路
二、主要创新性成果
项目研制出深海管线用高应变L485钢板、大厚径比JCOE钢管及其关键制造技术。创新开发出基于温度梯度和晶粒控制的多阶段渐变型高渗透轧制技术，基于冷速和冷却温降差异调控的均匀冷却技术和专用控冷模型，以动/静态再结晶晶粒细化、奥氏体扁平化、形变诱导铁素体和硬相组织控制为核心的微观组织调控技术等厚壁高应变L485管线钢板核心制造技术。在产品设计和制造技术开发的基础上，通过进一步精确控制微观组织的相比例、相分布和亚结构大幅提升了应变能力，确保了材料在成型和扩径后具有足够的应变余量，保证了钢管和环焊缝的弯曲性能，形成了海洋管线管高应变能力控制引领技术，解决了高应变L485钢板、钢管强塑韧性匹配和控制的关键技术难题，形成深海管线用高应变L485钢板的制造能力。
1、基于温度梯度高渗透轧制技术
根据温度与塑变性、变形抗力的相关性理论开发了通过利用轧制阶段铸坯快速冷却工艺提高铸坯厚度方向温度梯度来提升轧制形变渗透效果的温控形变技术，解决了厚壁管线钢厚度中心晶粒细化困难、厚度截面组织均匀性差的关键技术难题。
图2铸坯温度场模拟和高渗透轧制变形示意图
2、基于晶粒控制的多阶段大压下轧制技术
结合深海管线用高应变L485钢板的技术特征、再结晶热力学分析和产线设备条件，研究开发了粗轧末段低温大变形工艺。其重点是，与高渗透轧制相结合，粗轧低温轧制前段以压下量控制为重点，粗轧末段以道次变形率控制为重点且道次变形率呈逐渐增大趋势；粗轧待温区和道次间隙以适当方式进行冷却，为实现高渗透轧制提供保证。
图3不同温度下应力-应变曲线 图4典型的轧制道次变形率
3、基于冷速和冷却温降差异调控的均匀冷却技术
结合轧制过程钢板散热特征，通过厚规格高应变L485管线钢轧后和加速冷却过程温度-微观组织-析出相-性能关系研究，开发出基于冷却温降差异调控的均匀冷却技术；通过对冷却系统曲线的设计，使钢板不同位置在加速冷却过程中获得理想的温度变化，解决钢板加速冷却前温度差异引起的组织性能不均问题，实现微观组织结构和性能的有效控制。
图5钢板长度方向强度差异
4、深海管线用厚壁高应变L485钢板
项目率先研制出φ559mm管径JCOE钢管用厚度31.8mmL485高应变钢板，产品具有强、塑、韧、应变、抗压和耐疲劳等综合技术特征，实现我国深海高应变海洋管用关键材料从无到有、从零到一的突破。其中，钢板纵向屈强比≤0.75，纵向均匀延伸率≥11%，纵向n值≥0.11，钢板横向DWTT（-10℃平均值）≥90%，DWTT韧脆转变温度低于-20℃；横向冲击功CVN（-20℃平均值）≥190J，冲击功韧脆转变温度低于-60℃，满足了我国深海油气输送用材的需求。
图6深海管线用厚壁高应变L485M钢板的主要性能
图7深海管线用厚壁高应变L485M钢板
5、深海管线用大厚径比JCOE高应变L485钢管
项目国内首次成功生产出D559×31.8mm深海管线用高应变L485级JCOE直缝钢管，厚径比超过0.056，而与之相比，目前国内外高级别直缝埋弧焊管的厚径比鲜有超过0.050。钢管的强韧性和抗应变能力良好，横纵向强度达到DNVGL-ST-F101和GB/T9711要求，其中，纵向屈服强度495～550MPa，抗拉强度610～690MPa，屈强比≤0.82，均匀延伸率≥7.5%，应变硬化指数＞0.11；管体横向屈服强度500～560MPa，抗拉强度620～695MPa，管体横向DWTT（0℃）≥90%，85%DWTT韧脆转变温度低于-20℃，管体横向冲击功CVN（-20℃平均值）≥190J，焊缝/热影响区冲击功CVN（-20℃平均值）≥150J，焊缝CTOD（0℃）≥0.20mm，HV10≤260，综合指标达到国内外领先水平。
图8高应变L485M钢管
四、应用前景
本项目研究形成了深海管线用L485高应变钢板与JCOE钢管产品设计、高渗透轧制和多元组织控制冷却、全流程组织细化与均匀化、大厚径比JCOE钢管成型和焊接技术等多项共性技术和关键工艺；成功开发出深海管线用JCOE高应变钢板和大厚径比直缝钢管，填补了我国海洋高应变管道用材研制的空白，对于实现深海油气用材的国产化、促进我国海洋战略的实施和保障国家能源安全具有重要意义。
随着我国海洋发展战略的实施，海洋资源开发的步伐不断加快，未来，深海油气有望成为海洋能源开发的制高点，将持续推动深海油气管道项目的建设，深海管线用高应变钢板具有广阔的应用前景。
