雙金屬?gòu)?fù)合管制造過(guò)程中的質(zhì)量控制

郎一鳴，蔣曉斌

1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 （上海 200030）

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司 （天津 塘沽 300452）

雙金屬?gòu)?fù)合管由2種不同的金屬管材構(gòu)成：內(nèi)管提供防腐蝕、耐磨蝕性能，外管保證高強(qiáng)度，達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力的要求。由于其優(yōu)良的性能，目前越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到石油、化工、城市燃?xì)獾刃袠I(yè)[1-3]。

對(duì)于某高含H2S/CO2的油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，海底輸送管線采用內(nèi)襯Φ193mm×3mm,316L不銹鋼管，外管采用Φ219.1mm×11.1mm，X65無(wú)縫碳鋼鋼管。通過(guò)靜水壓對(duì)襯管施加脹管壓力，利用內(nèi)外管不同材料之間的變形性能差異，使得外管與內(nèi)管實(shí)現(xiàn)脹接復(fù)合成型[4-5]。

1 復(fù)合管制造工藝

項(xiàng)目雙金屬?gòu)?fù)合管制造采用水壓機(jī)械復(fù)合方式，核心工藝主要包括水壓復(fù)合、管端堆焊、無(wú)損檢測(cè)以及管端精加工等工序。簡(jiǎn)要制造工藝流程圖如圖1所示。

2 復(fù)合管產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)描述

以項(xiàng)目中50支復(fù)合管的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)狀況為例進(jìn)行說(shuō)明，主要表征和考查產(chǎn)品的幾何尺寸指標(biāo)以及管端堆焊區(qū)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。

本項(xiàng)目?jī)?nèi)徑要求的范圍在188.4～189.0mm，統(tǒng)計(jì)的50支復(fù)合管的兩端內(nèi)徑平均值均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)，且滿足正態(tài)分布。同時(shí)對(duì)于鈍邊、坡口角度、管端橢圓度、壁厚以及堆焊層長(zhǎng)度等參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明產(chǎn)品質(zhì)量均能達(dá)到要求，并表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖1 雙金屬?gòu)?fù)合管制造工藝流程圖

50支復(fù)合管中有15個(gè)管端存在缺陷。其中焊接缺陷10處，表現(xiàn)為氣孔和未熔合，其余5處缺陷分別為復(fù)合管鼓包1處，打磨時(shí)損傷襯管導(dǎo)致襯管壁厚減薄1處以及堆焊層硬度超標(biāo)3處。具體缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 缺陷統(tǒng)計(jì)圖

3 復(fù)合管質(zhì)量控制要點(diǎn)

從復(fù)合管的生產(chǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合管工序復(fù)雜，技術(shù)要求高，合格率較低。因此提出一些復(fù)合管制造過(guò)程中的質(zhì)量控制要點(diǎn)，把控好產(chǎn)品的質(zhì)量關(guān)，提高合格率。

復(fù)合裝配階段應(yīng)注意基管內(nèi)除銹的溫濕度記錄，環(huán)境濕度小于80%，基管表面溫度高于露點(diǎn)溫度5℃時(shí)可進(jìn)行施工。除銹等級(jí)需要達(dá)到ISO 8501要求的Sa2.5級(jí)，為了得到更好的剪切強(qiáng)度，對(duì)基管內(nèi)壁處理的錨紋深度以及表面清潔度的控制也是必不可少。

水壓復(fù)合階段注意復(fù)合管的裝配和密封，復(fù)合前應(yīng)通過(guò)抽真空操作保證內(nèi)外管空隙之間的水氣得到良好的排放，避免后期根焊時(shí)造成連續(xù)氣孔缺陷。計(jì)算和控制好復(fù)合凈水壓力，保證襯管塑形變形量，基管彈性變形量，確保內(nèi)外管之間的結(jié)合強(qiáng)度。復(fù)合時(shí)保壓時(shí)間≥10s，保持壓力的穩(wěn)定，保壓過(guò)程中不允許增補(bǔ)壓力，同時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合用水氯離子含量小于30mg/L。

復(fù)合完畢后進(jìn)行抽真空測(cè)試，利用真空泵保證襯管內(nèi)部氣壓在-0.08MPa～0.10MPa之間，保壓5min，檢驗(yàn)襯管是否存在貫穿性缺陷。

焊接工藝評(píng)定伊始需確定導(dǎo)電嘴距工件距離，起弧位置，起弧角度，焊接方向。同時(shí)需確定預(yù)熱溫度，層間溫度，保護(hù)氣體流量，焊接電流，電弧電壓，焊接速度，擺幅，擺速等參數(shù)。焊接工藝評(píng)定參數(shù)通過(guò)第三方驗(yàn)證并進(jìn)行固化，實(shí)際施工時(shí)嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范執(zhí)行。考慮到顯示值和真實(shí)值之間的誤差，監(jiān)造工程中使用萬(wàn)用表實(shí)測(cè)和記錄電流，電壓等參數(shù)。

堆焊時(shí)實(shí)測(cè)焊接處外壁溫度，根據(jù)溫度調(diào)整水冷卻流量以及位置。同時(shí)在管端設(shè)置擋板裝置，避免水蒸氣進(jìn)入管內(nèi)壁造成氣孔等缺陷。同時(shí)在遠(yuǎn)離焊接管端進(jìn)行封堵，避免空氣流動(dòng)對(duì)保護(hù)氣體造成影響。

堆焊時(shí)著重考慮熱輸出量，在保證質(zhì)量的前提下；第一層堆焊時(shí)控制好電流，保證熔深。第二層堆焊時(shí)可以適當(dāng)增大電流，電壓，加大送絲量，提高生產(chǎn)效率。

管端精車(chē)和粗車(chē)時(shí)必須選取同一參照物，避免造成誤差的累加。精車(chē)時(shí)注意坡口角度以及鈍邊尺寸，清理毛刺，同時(shí)進(jìn)行輕微打磨，保證襯管和堆焊層之間的平滑過(guò)渡，且不能傷及襯管。

管端堆焊過(guò)程中，管端會(huì)發(fā)生一定程度的縮徑，從工廠生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來(lái)看，縮徑情況大致為每30mm堆焊長(zhǎng)度縮1mm。在保證復(fù)合管內(nèi)徑的要求下，對(duì)于處于管徑下偏差尺寸的薄壁基管堆焊時(shí)建議粗車(chē)時(shí)內(nèi)鏜長(zhǎng)度增加20～25mm，堆焊長(zhǎng)度保持不變，精車(chē)時(shí)管端增大切削量不失為一個(gè)有效保證復(fù)合管堆焊區(qū)壁厚的措施。

在保證基管，襯管以及復(fù)合管力學(xué)和化學(xué)性能的同時(shí)，復(fù)合管后期還要進(jìn)行外防腐，配重作業(yè)處理以及現(xiàn)場(chǎng)安裝施工[6]，因此整體塌陷試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是證實(shí)產(chǎn)品性能全面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的型式試驗(yàn)。

塌陷試驗(yàn)通過(guò)均勻加熱復(fù)合管到250℃，模擬外防腐施工條件下，襯管的穩(wěn)定性。在復(fù)合管等距離位置6、12點(diǎn)鐘方向貼熱電偶。試驗(yàn)過(guò)程中記錄升溫和保溫曲線，自然冷卻后，通過(guò)內(nèi)窺鏡觀測(cè)內(nèi)襯管無(wú)鼓包、褶皺、彎曲等缺陷。同時(shí)使用95%公稱直徑的測(cè)徑球進(jìn)行通徑測(cè)試，測(cè)徑球需附帶一塊測(cè)徑鋁板。

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)主要是模擬復(fù)合管安裝工況在彎曲載荷和拉伸載荷作用下，內(nèi)襯是否產(chǎn)生褶皺，破環(huán)管道的完整性。試驗(yàn)過(guò)程中主要完成正向純彎曲，正反彎曲以及極限彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)中要注意加載載荷、加載周期、加載速率的設(shè)定，加載速率考慮海洋使用環(huán)境波浪的頻率。試驗(yàn)中通過(guò)采集應(yīng)變片的參數(shù)值控制試驗(yàn)進(jìn)程，試驗(yàn)后計(jì)算和分析復(fù)合管的彎曲半徑。試驗(yàn)后通過(guò)內(nèi)窺鏡觀測(cè)襯管情況，同時(shí)考察試驗(yàn)前后復(fù)合管橢圓度的變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙金屬?gòu)?fù)合管制造是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜，多專業(yè)，要求高的過(guò)程，工廠質(zhì)量合格率有待提高。加強(qiáng)第三方對(duì)生產(chǎn)工藝規(guī)范的審核及固化，聘請(qǐng)監(jiān)理方進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)督，督促工廠操作員工貫徹執(zhí)行有助于促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

制造過(guò)程中應(yīng)首要控制好復(fù)合管力學(xué)和防腐性能指標(biāo)，規(guī)格尺寸指標(biāo)則可以適當(dāng)放寬。

[1]李發(fā)根，魏斌，邵曉東，等.高腐蝕性油氣田用雙金屬?gòu)?fù)合管[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（5）：359-362.

[2]王永芳，袁江龍，張燕飛，等.雙金屬?gòu)?fù)合管的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].焊管，2013，36（2）：5-9.

[3]李發(fā)根，魏斌，邵曉東，等.雙金屬?gòu)?fù)合管技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2011，23（1）：86-88.

[4]賈建波，徐巖.雙金屬?gòu)?fù)合管塑性成型工藝[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009，10（3）：279-284.

[5]曾德智，楊斌，孫永興，等.雙金屬?gòu)?fù)合管液壓成型有限元模擬與試驗(yàn)研究[J].鉆采工藝，2010，33（6）：78-79.

[6]章洋，雙金屬?gòu)?fù)合管3PE防腐技術(shù)研究[J].全面腐蝕控制，2013,27（3）：63-65.