鉆井隔水管主管環(huán)縫焊接工藝研究*

柳鎖賢， 張小龍， 王志明， 劉宏亮， 徐斌榮， 付 堃

（1. 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西寶雞 721002；2. 中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司， 陜西寶雞 721002；3. 山東祺龍海洋石油鋼管股份有限公司， 山東東營(yíng) 257055）

海洋石油資源開(kāi)采是未來(lái)石油工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一[1-4]。 鉆井隔水管是連接海底防噴器（blowout preventer, BOP） 和鉆井平臺(tái)的管道[5-8]，隔水管主管是最重要的零件， 不僅受到來(lái)自于頂部張緊器和浮力材料帶來(lái)的張緊力、 內(nèi)部鉆井液和外部海水的內(nèi)外壓力， 還有來(lái)自浮式平臺(tái)的漂移、 波浪以及潮流引起的橫向彎曲應(yīng)力[9-10]， 因此對(duì)隔水管主管環(huán)縫的質(zhì)量提出了較高的要求。

隔水管在深水中不但要承受自重， 還必須承受海洋鉆井需要的節(jié)流壓井管線、 液壓管線、 泥漿增壓管線等的質(zhì)量[11]。 同時(shí)， 服役工況使得隔水管單根結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜， 因此對(duì)隔水管主管性能提出了裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD） 和全疲勞試驗(yàn)要求[12-13]。 雖然X80 鋼管曾在輸送管線中大量使用，但其工作壓力僅是隔水管的三分之一。 因此， 深水海洋鉆井對(duì)隔水管單根主管焊接提出了新的挑戰(zhàn)。

1 焊接方法和焊接材料的選取

1.1 焊接方法

本試驗(yàn)研究對(duì)象是X80 鋼級(jí)、 Φ533.4 mm×25.4 mm 的隔水管， 隔水管單根結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 隔水管單根主管的焊接主要為鋼管的對(duì)接環(huán)焊、 鋼管與法蘭的對(duì)接環(huán)焊， 對(duì)接焊縫可以采用單面焊接， 也可以采用雙面焊接的方式。

圖1 鉆井隔水管單根結(jié)構(gòu)示意圖

若采用雙面焊即外焊和內(nèi)焊方式， 外部焊接可以采用常規(guī)設(shè)備。 但內(nèi)部施焊必須采用專用設(shè)備， 這種專用設(shè)備需要具有可伸縮、 精確定位和跟蹤、 監(jiān)控?cái)z像等功能。 伸入管體內(nèi)部的可伸縮焊接設(shè)備部件外型尺寸要足夠小， 且需要一定剛性支撐焊接機(jī)頭及相關(guān)部件， 還需要有與管體內(nèi)壁良好的絕緣保護(hù)功能。 另外， 焊接內(nèi)部時(shí)， 焊接操作工只能通過(guò)屏幕觀察焊接情況， 視野受到很大限制， 難以準(zhǔn)確觀察和判斷焊接電弧的實(shí)際情況， 焊接質(zhì)量不易保證。 從以上分析可知， 采用內(nèi)、 外雙面焊的方式進(jìn)行隔水管單根主管的焊接， 設(shè)備和焊接工藝都比較復(fù)雜， 施焊難度大。

若采用從外部施焊的單面焊方式， 就不需要內(nèi)焊設(shè)備及工藝， 僅需要采用外部焊接設(shè)備及工藝。 這樣整個(gè)焊接過(guò)程就比較簡(jiǎn)單， 焊接質(zhì)量就容易得到保證。 盡管從理論可知雙面焊優(yōu)于單面焊焊縫質(zhì)量， 但對(duì)于隔水管單根主管環(huán)縫焊接，只要焊接方法得當(dāng)， 焊接工藝可靠， 單面焊也能保證焊接質(zhì)量。 綜合考慮， 隔水管單根主管環(huán)縫采用從外部單面焊的焊接方式較為合適。

隔水管單根主管的對(duì)接環(huán)焊縫為規(guī)則的全熔透焊縫（CJP）， 長(zhǎng)度約1 500 mm， 焊接工作量較大， 適合選用自動(dòng)焊接方法[14]。 自動(dòng)焊與手工焊相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①焊接效率高， 焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良可靠； ②適宜規(guī)則的、 批量的焊縫焊接。 自動(dòng)焊接方法包括全自動(dòng)鎢極氬弧焊（TIG）、 自動(dòng)埋弧焊（SAW） 和全自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW和FCAW）。 其中， TIG 焊接電弧穩(wěn)定、 易于操作、焊透性高、 焊縫背面成形良好， 但焊接效率較低；SAW 焊接無(wú)電弧光污染， 焊接效率高， 設(shè)備易于操作， 焊縫質(zhì)量好， 外觀成形美觀， 但用于打底時(shí)易焊穿， 很難完成單面焊雙面成形； GMAW 和FCAW 焊接打底時(shí)， 其焊接電弧比全自動(dòng)TIG 焊難控制， 易焊穿， 填充及蓋面焊時(shí)效率沒(méi)有SAW焊高， 且有電弧污染。 兼顧焊接質(zhì)量和焊接效率，隔水管主管環(huán)縫最佳的焊接方法為復(fù)合焊接方法，即打底焊接采用全自動(dòng)TIG 焊， 填充、 蓋面焊接采用SAW。

1.2 焊接材料

依據(jù)焊縫熔敷金屬抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度同等級(jí)原則， 同時(shí)考慮焊材的品牌、 經(jīng)濟(jì)性等因素， 對(duì)Lincoln （林肯）、 EASB （伊薩） 等幾種焊材品牌進(jìn)行了對(duì)比， 最終確定選用Lincoln（林肯） 焊接材料。

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及其應(yīng)用

2.1 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

隔水管單根主管是一種帶壓的管道， 因此焊接工藝依據(jù)ASME Ⅸ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。 焊接試件材質(zhì)符合API SPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)要求， 接頭規(guī)格及接頭尺寸如圖2 所示。

圖2 焊接接頭及坡口尺寸示意圖

環(huán)焊打底采用全自動(dòng)TIG 焊， 填充、 蓋面采用單絲自動(dòng)埋弧焊。 焊接時(shí)， 試件水平放置于滾輪支架上， 由滾輪支架帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)， 使接頭待焊處始終處于平焊位置。 兩種焊接方法的焊接機(jī)頭都位于環(huán)縫上方12 點(diǎn)鐘位置。 施焊前， 為了保證旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)， 打磨去除管體的縱向焊縫余高。

全自動(dòng)TIG 焊參數(shù)見(jiàn)表1。 焊接時(shí)要選擇合適的鎢極外形尺寸及伸出長(zhǎng)度， 保證鎢極不易燒損[15]。鎢極直徑2.4 mm， 其尖端直徑修磨到1 mm， 尖端夾角保持45°， 伸出長(zhǎng)度保持在8～10 mm。 填充、蓋面SAW 焊參數(shù)見(jiàn)表2。 為了保證SAW 的第一層填充時(shí)打底層焊縫不焊穿， TIG 焊打底焊接2 層，熔覆金屬厚度不能低于4 mm。

表1 環(huán)縫打底全自動(dòng)TIG 焊接參數(shù)

表2 環(huán)縫填充、蓋面SAW 焊接參數(shù)

焊接順序如圖3 所示， 其中1、 2 層是打底層， 3～8 層是填充及蓋面層， 3～5 層每層1 道焊接完成， 6～8 層分左右兩道焊接完成。 打底TIG焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3， 填充及蓋面SAW 焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 焊接順序示意圖

表3 打底TIG 焊接工藝參數(shù)

表4 填充及蓋面SAW 焊接工藝參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)焊接其他記錄： ①試件組合時(shí)， 不留間隙， 鈍邊控制在0.5～1.0 mm； ②焊前用磁感應(yīng)加熱器， 對(duì)焊縫及周圍70 mm 范圍內(nèi)預(yù)熱至100 ℃； ③TIG 焊層間溫度控制在60～70 ℃，SAW 層間溫度控制在90～100 ℃。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照ASME Ⅸ標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求， 分別制取2 件橫向拉伸試樣、 4 件側(cè)彎試樣、 10 組沖擊試樣（焊縫和熱影響區(qū)）， 進(jìn)行拉伸、 彎曲及沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5～表7。

由表5～表7 可知， 橫向拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度均符合X80 管線鋼抗拉強(qiáng)度要求（625～825 MPa）；側(cè)彎試樣彎曲180°， 均無(wú)開(kāi)裂； 10 組沖擊試樣-20 ℃沖擊功全部不低于42 J （熔覆金屬的要求），符合X80 鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求（≥27 J）[10]。

表5 焊接工藝評(píng)定拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 焊接工藝評(píng)定彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 焊接工藝評(píng)定沖擊試驗(yàn)結(jié)果

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 焊接試件上截取小試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和CTOD 試驗(yàn)。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8， 由表8 可知， 焊縫余高對(duì)疲勞試驗(yàn)影響較大， 疲勞裂紋主要從焊縫接頭焊趾處萌生、 起裂并穿過(guò)熱影響區(qū)擴(kuò)展至母材， 去除焊縫余高后， 疲勞裂紋在焊縫萌生， 并沿焊縫擴(kuò)展。 CTOD 試驗(yàn)結(jié)果顯示， 0 ℃裂紋尖端張開(kāi)位移不低于0.25 mm， 裂紋沒(méi)有擴(kuò)展。 另外， 小試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果滿足材料要求， CTOD 試驗(yàn)結(jié)果符合＞0.2 mm 的要求[11]。因此， 該焊接工藝可行。

表8 焊接工藝評(píng)定疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.3 焊接工藝應(yīng)用

采用本焊接工藝， 完成了國(guó)家863 “深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究” 項(xiàng)目， 開(kāi)發(fā)了法蘭式、快捷式兩類長(zhǎng)度15.24 m （50 ft） 的隔水管單根，全尺寸隔水管單根的疲勞試驗(yàn)， 并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 論

（1） 針對(duì)隔水管單根主管材料、 使用工況，通過(guò)對(duì)比分析的方法， 確定出適合X80 隔水管的焊接工藝和焊接材料。

（2） 通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)， 驗(yàn)證了X80隔水管單根主管環(huán)縫焊接方法、 焊材、 工藝參數(shù)等焊接工藝研究的合理性。

（3） 應(yīng)用該焊接工藝完成了國(guó)家863 項(xiàng)目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究” 課題， 研制開(kāi)發(fā)了15.24 m （50 ft） 的兩類隔水管單根主管，實(shí)踐檢驗(yàn)了該工藝的可行性。