水下碳鋼和低合金鋼鍛件制造工藝認(rèn)證解析

王偉越

摘 要：水下生產(chǎn)系統(tǒng)是海洋石油工程項目的核心部分，各部件產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著項目的安全運行，一旦出現(xiàn)問題將直接導(dǎo)致項目停產(chǎn)，因此質(zhì)量過程控制非常重要。該類項目中，鍛件的應(yīng)用比較廣泛且位置重要，如各類閥門、連接器、采油樹等，都是由鍛件制造完成的。鍛件的質(zhì)量很大程度上依賴于制造工藝，經(jīng)過認(rèn)證、確認(rèn)能符合標(biāo)準(zhǔn)要求的制造工藝是保障產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。文章主要從碳鋼和低合金鋼鍛件制造工藝的認(rèn)證方面入手，介紹標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合南海某深水項目水下生產(chǎn)系統(tǒng)的鍛件制造實踐，為認(rèn)證工作提供更明確清晰的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng);鍛件;制造工藝;認(rèn)證

中圖分類號：TS913.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-005-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.003

在2015年以前，沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)對水下項目的碳鋼和低合金鋼鍛件的生產(chǎn)和質(zhì)量進(jìn)行規(guī)定和要求，制造工藝由項目的供需雙方根據(jù)陸上油氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范協(xié)商同意即可，質(zhì)量要求如機械性能、無損檢測等，基本參照材料規(guī)范。2015年出版的DNVGL-RP-0034，是專門針對水下產(chǎn)品鋼鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對碳鋼和低合金鋼鍛件的制造工藝認(rèn)證過程、產(chǎn)品制造過程以及測試要求，有了比較明確的規(guī)定[1]，具有較強的可操作性，因此在海洋石油行業(yè)得到了越來越高的重視。

1 標(biāo)準(zhǔn)簡介

DNVGL-RP-0034將鍛件材料分為三個等級：SFC1級、SFC2級、SFC3級，分別對應(yīng)鍛件產(chǎn)品逐漸提高的技術(shù)、質(zhì)量和認(rèn)證要求，三個等級的應(yīng)用場合如下：

SFC1主要指次關(guān)鍵部件，如不持續(xù)暴露于流動的烴類物質(zhì)的部件，或形狀簡單的部件;

SFC2主要指承壓、承重的重要部件，因尺寸、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要額外的機械性能測試和檢驗;文章介紹的南海某深水項目水下生產(chǎn)系統(tǒng)的鍛件，采用的是SFC2級，材質(zhì)主要包括ASTM A694 F65、ASTM A182 F22、AISI 8630 105 ksi。

SFC3主要指對疲勞敏感的承壓、承重的部件。

該標(biāo)準(zhǔn)主要對鍛件制造過程中的一些技術(shù)要求及性能要求做出了規(guī)定，包括熔煉要求、鍛造、熱處理、化學(xué)成分、取樣及機械性能測試、無損檢測等，明確提出制造過程必須基于MPS（制造工藝規(guī)程）以及對應(yīng)的MPQ（制造工藝認(rèn)證）。

2 制造工藝認(rèn)證

工藝認(rèn)證主要針對SFC2級和SFC3級材料進(jìn)行，通過對根據(jù)MPS制造的樣品進(jìn)行測試，來證明制造結(jié)果符合相關(guān)要求。為了確保制造工藝的可靠性，盡量減少生產(chǎn)過程中不合格品的出現(xiàn)，要求制造工藝通過認(rèn)證后，方可開展生產(chǎn)。對于成功幾率較大、工期相對緊張的產(chǎn)品，通常工廠也會把認(rèn)證和產(chǎn)品生產(chǎn)同爐進(jìn)行。這樣的認(rèn)證和產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境一樣，更為真實，但是工廠要承擔(dān)可能失敗的損失風(fēng)險。鍛件制造過程主要包括鋼錠生產(chǎn)、鍛造、熱處理、性能測試、NDT、機加工及尺寸檢查，在工藝認(rèn)證階段，需要根據(jù)這些主要過程的要求編制制造工藝（MPS），經(jīng)各方批準(zhǔn)后，依據(jù)此MPS的要求進(jìn)行工藝認(rèn)證。對于工藝認(rèn)證的過程，需要項目各方重點關(guān)注的主要有以下內(nèi)容。

2.1 工藝覆蓋

制造過程中，包括關(guān)鍵變量，如鋼材等級、鍛件規(guī)格、鍛造方法、熱處理工藝等，這些變量可以在一定范圍內(nèi)變化，否則工藝就需要重新進(jìn)行認(rèn)證。標(biāo)準(zhǔn)中對工藝認(rèn)證的覆蓋要求，參考DNVGL-RP-0034中的表4-4。

在項目執(zhí)行過程中，通常鍛件制造認(rèn)證過程中所用的鋼材等級、熔煉工藝、鍛造工藝和熱處理工藝，一般保持跟產(chǎn)品一致。對于化學(xué)成分，只要控制碳當(dāng)量（CE）在允許范圍內(nèi)即可;對于產(chǎn)品尺寸，包括壁厚、重量等，一般要求產(chǎn)品外形一樣，大壁厚的產(chǎn)品制造工藝可以覆蓋小壁厚的產(chǎn)品，單個產(chǎn)品的重量變化在允許范圍內(nèi)即可覆蓋。以南海某深水項目水下生產(chǎn)系統(tǒng)的鍛件制造為例，該項目有規(guī)格為22寸的HUB，分為IB和OB兩種類型，其中OB的認(rèn)證已經(jīng)完成，工廠提出可以使用OB的工藝覆蓋IB。通過分析比對，發(fā)現(xiàn)兩者都是F65材料，兩種產(chǎn)品的碳當(dāng)量、熱處理工藝、鍛造工藝等都相同，外形也一樣，只有尺寸和重量不同，如表1、圖1、圖2所示。OB的壁厚和單件產(chǎn)品的重量都大于IB，所以O(shè)B的工藝可以用于IB。

2.2 化學(xué)成分

化學(xué)成分主要在鋼錠生產(chǎn)階段進(jìn)行控制，除材料標(biāo)準(zhǔn)外，化學(xué)成分還必須滿足DNVGL-RP-0034的對應(yīng)要求。需要注意的主要包括兩點：

對于碳、錳、硅、鉻、鎳、釩以及鉬的成分限制，必須在制造工藝規(guī)程中明確規(guī)定。

對于碳當(dāng)量的限制，主要適用于需要焊接但不需要焊后熱處理的碳鋼鍛件，尤其是F60和F65。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.45時，后續(xù)的焊接工作包括堆焊和對接焊結(jié)束后，必須經(jīng)過熱處理，這是強制要求。項目執(zhí)行過程中，需要根據(jù)項目焊接工藝的情況合理制定鍛件碳當(dāng)量的要求，既要保證與焊接工藝匹配，也要考慮后續(xù)焊后熱處理的可行性。

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的項目實踐中，由于鍛件產(chǎn)品后續(xù)還要進(jìn)行耐腐蝕合金復(fù)合層堆焊及對接焊的工作，熱處理的可操作性不高且需要較多的施工時間，所以所有鍛件的碳當(dāng)量都控制在0.45以內(nèi)，以避免后續(xù)的熱處理操作。

2.3 熱處理要求

熱處理是鍛件制造的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，DNVGL-RP-0034標(biāo)準(zhǔn)要求主要包括：

熱處理設(shè)備需要依據(jù)ISO 10423或者API 6A的附錄M進(jìn)行鑒定;

SFC3級鍛件不允許堆疊放置;

對于SFC1級和SFC2級的環(huán)形和棒類鍛件，在滿足以下條件的基礎(chǔ)上，可以堆疊放置：每層之間要有足夠間隙;熱傳輸時要有足夠的攪動;MPS要明確規(guī)定，并且在工藝認(rèn)證階段成功應(yīng)用。

工件從熱處理爐到淬火池的轉(zhuǎn)移時間不超過90s;

要使用接觸式熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)控;

工件從淬火池出來后要測量表面溫度。

標(biāo)準(zhǔn)要求比較寬泛，在項目執(zhí)行過程中，更多的關(guān)鍵要求需要在工藝認(rèn)證階段明確，主要包括以下幾方面：

工藝認(rèn)證要模擬產(chǎn)品生產(chǎn)時熱處理的滿載狀態(tài)。要求嚴(yán)格按照認(rèn)證用的MPS中的裝爐圖進(jìn)行工件放置，如果只有一件工藝認(rèn)證試件，而裝爐圖中有10件產(chǎn)品，則熱處理爐中的其他位置，需要放置外形尺寸類似的其他工件進(jìn)行模擬，且生產(chǎn)時實際放置的產(chǎn)品數(shù)不能超過10件，且產(chǎn)品總重量不能超過認(rèn)證時的裝載重量。

對于小尺寸的鍛件，如果要堆疊放置，則必須在裝爐圖中明確堆疊層數(shù)、每一層工件數(shù)量、工件間的最小距離，堆疊放置裝爐圖如圖3所示。

要求試樣所在位置及熱電偶的布置，必須位于熱處理效果最差的區(qū)域[2]。因為電加熱爐四周加熱，外圍的工件受熱均勻性較好，中間的工件受熱相對較差，因此能代表本爐產(chǎn)品的最差質(zhì)量，所以試樣一般放置于熱處理爐中心位置。溫度監(jiān)控方面，至少要在熱處理爐的爐門一側(cè)角落及中心位置各放置一個熱電偶，且熱電偶要置于工件的壁厚最大位置，以此電偶全部到達(dá)設(shè)定溫度時開始計算保溫時間。如圖4所示，綠色三角代表接觸式熱電偶，A側(cè)為爐門。

2.4 拉伸和沖擊試驗

在拉伸和沖擊試驗方面，試驗結(jié)果只要滿足所用材料規(guī)范的要求和DNVGL-RP-0034標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)要求即可，須重點關(guān)注的是試樣取樣工作，因為取樣位置直接關(guān)系到試樣能否具有典型性和代表性。取樣位置要求如表2所示。

表中的關(guān)鍵截面是指鍛件在服役過程中應(yīng)力最大的區(qū)域，一般是最薄的位置，由設(shè)計人員確定;最厚截面是指壁厚最大的位置，是機械性能最薄弱的區(qū)域，也是工藝認(rèn)證的難點所在。

對于取樣位置，標(biāo)準(zhǔn)的要求很明確，涵蓋了熱處理效果存在差異的主要區(qū)域。比如對于壁大于100mm的圓筒形鍛件，厚度的中心位置熱處理效果較差，如果內(nèi)徑不夠大，距外表面3T/4的位置效果也會很差，所以這兩個位置的取樣很有必要。另外，取樣位置（指拉伸試樣長度的中心和沖擊試樣V型槽的根部）與試件端部距離也有明確要求：

對于空心鍛件，距離端部表面距離為T;

對于實心鍛件，距離端部表面距離為T/2。

在項目實踐中，取樣的準(zhǔn)確性是工藝認(rèn)證中的重要一環(huán)，首先要求設(shè)計人員提供明確關(guān)鍵截面位置的產(chǎn)品圖紙，由生產(chǎn)廠家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制定詳細(xì)、明確的取樣圖，取樣圖需經(jīng)項目各方批準(zhǔn)，后續(xù)的取樣過程需由獨立第三方機構(gòu)代表全程見證、敲打樣品編號鋼印。

3 結(jié)語

水下生產(chǎn)系統(tǒng)所處的工況環(huán)境惡劣，尤其是深水項目中，一旦失效后果嚴(yán)重，維修成本高昂。而鍛件產(chǎn)品主要應(yīng)用于關(guān)鍵位置，如閥門、連接器等，因此保證其性能的可靠性至關(guān)重要[3]。

通過嚴(yán)格控制制造工藝來保證鍛件產(chǎn)品的性能，是比較有效的手段，而工藝的認(rèn)證過程則為工藝的可靠性以及穩(wěn)定性提供了支撐。

文章通過標(biāo)準(zhǔn)中對工藝認(rèn)證的關(guān)鍵要求的介紹，并結(jié)合水下生產(chǎn)系統(tǒng)項目在鍛件制造過程中的實踐應(yīng)用，從工藝的覆蓋范圍、熱處理、化學(xué)成分、取樣及性能測試等關(guān)鍵過程進(jìn)行解析，明確了工藝認(rèn)證過程中的關(guān)注重點，為后續(xù)各類碳鋼和低合金鋼鍛件的工藝認(rèn)證提供了有效參考。

參考文獻(xiàn)

[1] DNVGL-RP-0034，Steel forgings for subsea applications[S].NORSOK：DNV GL，2017.

[2] NORSOK M-650，Qualification of manufacturers of special materials[S].NORSOK：OLF，TBL，2004.

[3] 侯莉，黃曉華，孟憲武，等.水下鍛件材料一般技術(shù)要求及特點[J].石油和化工設(shè)備，2014，17（5）：26.