鋼懸鏈立管管端機加工工藝改進

尤學(xué)剛，王建華 ,黃兆力

1.中海石油（中國）有限公司 海南分公司（海南 ?？?570100）

2.衡陽華菱鋼管有限公司 技術(shù)中心（湖南 衡陽 421001）

0 引言

鋼懸鏈立管（簡稱SCR）連接海洋平臺和海底管線管，是各種立管中性價比較高的一種方案。此前，鋼懸鏈立管的開發(fā)、加工和使用被國外壟斷，我國一直未能突破該項技術(shù)。因鋼懸鏈立管一端連接海洋浮式平臺，另一端連接著海底管線管，受到海洋、浪涌等復(fù)雜應(yīng)力影響，所以管端尺寸尤為重要。若管端尺寸精度差，焊接容易產(chǎn)生錯邊[1]，易產(chǎn)生疲勞裂紋，危害服役安全。因?qū)芏顺叽缇纫蟾?，常?guī)的熱軋和冷拔均難以實現(xiàn)如此高的精度，常規(guī)采用內(nèi)鏜外扒工藝[2]，但是鋼懸鏈立管長度較長，內(nèi)鏜外扒工藝難以實現(xiàn)，并且效率低、金屬消耗高。此外，海洋浮式平臺承載重量有限[3]，對鋼管懸鏈立管的重量有限制要求。綜合平衡SCR 立管長度、尺寸和重量的限制要求，國內(nèi)某公司開發(fā)的鋼懸鏈立管（SCR）采用熱軋+冷拔+管端機加工生產(chǎn)工藝，其基本工藝路線為熱軋→冷拔→熱處理→管端內(nèi)孔機加工，闡述了鋼懸鏈立管管端機加工過程遇到的問題以及優(yōu)化改進措施。

1 管端尺寸技術(shù)要求

鋼懸鏈立管涉及多個規(guī)格，以Φ323.90 mm×27.0 mm規(guī)格為例，其管端技術(shù)要求如圖1所示。加工后要求：鋼管長度為（12.2±0.1）m；管端內(nèi)徑（ID）為（268.8±0.25）mm；管端內(nèi)孔過渡區(qū)錐度為1:8；管端內(nèi)孔過渡圓弧半徑（R）為最小半徑1.6 mm；光潔度為表面光潔度RMS≤6.4 μm；加工后內(nèi)孔圓柱平行段長度為（152.4+10.0）mm或（152.4+5.0）mm。

圖1 Φ323.90 mm×27.0 mm管端縱截面機加工圖

2 機加工過程中出現(xiàn)的問題

鋼懸鏈立管（SCR）經(jīng)過熱處理、矯直、水壓和探傷后，進入管端機加工工序。管端機加工時僅加工鋼懸鏈立管的內(nèi)孔，外表不加工。在加工過程部懸空，鋼管旋轉(zhuǎn)時容易甩動，導(dǎo)致臥式車床定心滾輪易磨損，內(nèi)加工面有粗糙的車刀印和波浪形[6]，如圖3和圖4所示。不論是表面粗糙度還是尺寸精度，均無法滿足鋼懸鏈立管的要求。而且加工后鋼管內(nèi)徑偏差較大，甚至超出技術(shù)規(guī)范要求。車刀印中，經(jīng)常出現(xiàn)管端加工不完整、加工面波浪形及車刀印的問題。

圖3 加工后表面波浪形

圖4 車削后表面車刀印

2.1 管端加工不完整

鋼懸鏈立管重量較重，長度（12.2±0.1）m，在機械加工行業(yè)，屬于超長件加工[4]，對鋼管本身的幾何尺寸以及機加工工藝有嚴(yán)格要求。按照客戶技術(shù)規(guī)范和API 5L 第46 版標(biāo)準(zhǔn)，鋼管管端外徑要求是±0.5%D（D為外徑），最大外徑偏差±1.6 mm，橢圓度小于1%，管端內(nèi)徑±0.25 mm。

由于鋼管壁厚偏心，造成管端內(nèi)孔加工不完整，無法滿足加工區(qū)壁厚要求，如圖2（a）所示。測量管端外徑橢圓度為3.1 mm，局部加工不完整；管端機加工不完整，測量其尺寸，該管端壁厚偏差3.36 mm，管端壁厚偏心導(dǎo)致加工不完整或者黑皮，如圖2（b）所示。

圖2 Φ323.9 mm×27 mm管端加工不完整

2.2 加工面波浪形和車刀印

采用傳統(tǒng)臥式車床加工[5]鋼懸鏈立管，定心滾輪找正，定心找正慢，而且加工時，夾持加工端，中深約0.2～0.4 mm，車刀印在反復(fù)受力的情況下，易產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重的情況下易形成裂紋失穩(wěn)擴展，貫穿鋼管壁厚，發(fā)生斷裂。長軸類產(chǎn)品加工時一端振動會導(dǎo)致此種現(xiàn)象[7]，因此，減輕鋼管振動對改善管端機加工質(zhì)量有重要意義。

3 工藝改進

3.1 來料尺寸精度控制

來料尺寸精度低，易造成管端加工不完整，影響產(chǎn)品質(zhì)量。綜合考慮后續(xù)加工對來料加工精度和原料生產(chǎn)工藝成本的限制，控制Φ323.9 mm×27 mm 規(guī)格尺寸精度，將管端壁厚控制在目標(biāo)壁厚的±3%S（S為壁厚），目標(biāo)外徑±0.7 mm，管端彎曲度控制在2.5 mm/1.5 m，既保證后續(xù)精度，又解決管端加工不完整的問題。

3.2 設(shè)備和工藝改進

SCR 立管加工面出現(xiàn)波浪形，是由于鋼管夾持時中部懸空，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)時抖動。針對此原因，選擇帶有兩個旋轉(zhuǎn)中心架的重型臥式車床來加工。其優(yōu)勢是可以多處夾持，減少鋼管旋轉(zhuǎn)時甩動和振動，并且旋轉(zhuǎn)中心架有4個精確定位，可獨立調(diào)節(jié)螺桿，用于定正不同外徑鋼懸鏈立管中心。此調(diào)節(jié)定心對于車削SCR立管非常重要，鋼懸鏈立管外表并非正圓（帶一定橢圓度），通過調(diào)節(jié)不同的螺桿深度，找正鋼管圓心，保證內(nèi)孔加工后加工端壁厚均勻。

1）在加工Φ323.9 mm×27 mm SCR立管管端前，需要做好裝夾準(zhǔn)備。裝夾加工示意圖如圖5 所示，采用端頭卡爪、環(huán)形中心架分別夾持SCR立管的端頭、中部和立管另一端約300～500 mm 處，裝夾完畢后，調(diào)整旋轉(zhuǎn)中心架的定位螺桿，定心找正，至此裝夾準(zhǔn)備完畢。

圖5 裝夾加工示意圖

2）裝夾定心找正后，開始鋼懸鏈立管內(nèi)孔加工。采用先粗加工，后精加工原則。粗車時，采用普通尖角硬質(zhì)合金刀具加工[8-10]，以0.45～0.55 mm/r進給量進刀，車床轉(zhuǎn)速控制在50～80 r/min；精車時，使用半徑為5 mm 半圓形刀具以0.35～0.45 mm/r 進給量進刀，車床轉(zhuǎn)速為30～50 r/min，用較慢的轉(zhuǎn)速保證過渡圓弧以及加工面光潔度。

綜上所述，加工出滿足合同要求的鋼懸鏈立管管端，主要采取了以下3項措施：①來料尺寸精度控制；②采用兩個環(huán)形中心架夾持鋼懸鏈立管，一個環(huán)形中心架夾持在管端300～500 mm 位置，夾持部位距離管端越短，加工質(zhì)量愈佳；③在車削加工時，采用較慢的轉(zhuǎn)速以及較小的進刀量。

4 加工效果

加工完成后對逐支鋼管兩端的內(nèi)孔尺寸進行測量，每端同一截面等間距測量8個位置壁厚、等間距測量4 個位置，其余指標(biāo)按照技術(shù)要求測量。抽取前后各5支合計10支鋼管兩端數(shù)據(jù)，見表1，其中字母“A”和“B”分別代表鋼管不同端頭。

表1 Φ323.9 mm×27 mm鋼管管端加工數(shù)據(jù)

續(xù)表1

通過對來料尺寸精度控制，基本杜絕了鋼懸鏈立管內(nèi)孔加工不完整問題。針對傳統(tǒng)臥式車床加工鋼懸鏈立管管端出現(xiàn)的波浪形，通過在車床上增加兩組環(huán)形中心架，多個部位夾持鋼管，并減慢機加工轉(zhuǎn)速和減小進刀量，減緩了鋼管旋轉(zhuǎn)帶來的甩動和振動，有效解決了鋼管波浪形和車刀印問題。車削后管端幾何尺寸優(yōu)良，滿足技術(shù)協(xié)議和合同要求。

上述加工完成的鋼懸鏈立管技術(shù)，成功應(yīng)用于南海陵水17-2 油氣田，在平均水深1 500 m 的深海穩(wěn)定了采油采氣。鋼懸鏈立管的國產(chǎn)化，在相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從零到一的突破，對于深海油氣開采有重大意義。