真空隔熱油管內(nèi)外管環(huán)焊搭接接頭評(píng)價(jià)方法研究

鮮林云，張國(guó)超，畢宗岳，余 晗

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

真空隔熱油管內(nèi)外管環(huán)焊搭接接頭評(píng)價(jià)方法研究

鮮林云1,2，張國(guó)超1,2，畢宗岳1,2，余 晗1,2

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

為了評(píng)價(jià)真空隔熱油管的內(nèi)外管環(huán)焊縫性能，開發(fā)了一種新型環(huán)焊搭接試驗(yàn)方法。該方法以N80－1隔熱管為試驗(yàn)材料，采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行環(huán)焊焊接，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、DR檢測(cè)以及金相分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，在篩選出的最佳工藝下焊接的隔熱油管內(nèi)外管封焊縫的平均抗拉強(qiáng)度大于700 MPa，接近管體的抗拉強(qiáng)度；內(nèi)外管封焊縫金屬與母材熔合良好，表明所選工藝合理，且DR檢測(cè)結(jié)果表明焊縫沒(méi)有出現(xiàn)夾雜、氣孔等缺陷。

焊接；真空預(yù)應(yīng)力隔熱油管；內(nèi)外管封焊；CO2氣體保護(hù)焊；DR檢測(cè)

Abstract:In order to evaluate the circumferential weld performance of vacuum insulated tubing inside and outside pipe,anew type of circumferentialwelding lap test method was developed.This method took the N80-1 insulated pipe as the experimental material,using CO2gas shielded welding to conduct circumferential welding,and the tensile test,DR testing and metallographic analysis were carried out for welded joints.The results showed that under the selected optimum welding process,the average tensile strength of insulated tubing inside and outside pipe seal weld was higher than 700 MPa,close to the tensile strength of pipe body;the fusion of inside and outside pipe seal weld metal and base metal was good,showed that the selected process was reasonable.And DR testing results indicated that no defects appeared in the weld,such as inclusions,stoma etc.

Key words:welding;vacuum pre-stress insulated tubing；sealing welding of inside and outside pipe；CO2gas shielded arc welding；DR testing

1 隔熱油管概述

我國(guó)稠油儲(chǔ)量巨大，約占石油資源總量的20%以上，預(yù)測(cè)資源量198億t，主要集中在遼河油田、勝利油田、克拉瑪依油田及河南油田[1-2]。

隔熱油管是稠油熱采過(guò)程中的一個(gè)重要裝備，它是在雙層同心管的環(huán)形空間填充絕熱材料或惰性氣體的隔熱管柱，目的是減少熱量損失，提高可注入深度和注入油層的蒸汽干度，同時(shí)降低套管和水泥環(huán)的熱應(yīng)力，防止套管高溫?fù)p壞[3-7]。在真空隔熱油管制造過(guò)程中，內(nèi)管和外管之間需要通過(guò)環(huán)焊縫進(jìn)行連接，以確保環(huán)中空的真空度，并承受內(nèi)管上施加的預(yù)應(yīng)力，因此對(duì)環(huán)焊縫的要求極高[8-9]。通常情況下，隔熱油管的橫截面及其內(nèi)外管封焊環(huán)焊縫如圖1所示。由于該環(huán)焊縫距離管端的距離只有20～30 mm，目前還沒(méi)有試驗(yàn)方法檢測(cè)環(huán)焊接頭的性能，通常只能通過(guò)管材強(qiáng)度、焊絲匹配、無(wú)損檢測(cè)等方法估計(jì)，而無(wú)法直接進(jìn)行工藝評(píng)定[10-11]。本研究設(shè)計(jì)了一種搭接試驗(yàn)方法，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化了內(nèi)外管封焊工藝，評(píng)價(jià)了內(nèi)外管焊縫的性能，可為真空預(yù)應(yīng)力隔熱油管的生產(chǎn)制造提供支持。

圖1 隔熱油管的橫截面及其內(nèi)外管封焊環(huán)焊縫

2 試驗(yàn)材料及檢測(cè)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為低碳微合金管坯，牌號(hào)為N80-1，規(guī)格為Φ114.3mm×6.35mm和Φ73.02mm×5.51mm，試驗(yàn)用管坯化學(xué)成分見表1。內(nèi)管的屈服強(qiáng)度為560 MPa，抗拉強(qiáng)度為724 MPa；外管的屈服強(qiáng)度為558 MPa，抗拉強(qiáng)度為754 MPa。

表1 試驗(yàn)用管坯的化學(xué)成分

2.2 檢測(cè)方法

對(duì)帶環(huán)焊縫的試樣打磨、拋光后再分別經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕采用Olympus GX71型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了DR無(wú)損檢測(cè)。

3 新型環(huán)焊搭接試驗(yàn)方法

目前對(duì)板-板搭接焊接的報(bào)道較多，但板-板搭接焊與管-管搭接焊存在一定差異，而管-管搭接焊的報(bào)道較少[12-16]。為了研究隔熱管內(nèi)外管封焊接頭的力學(xué)性能，基于真空隔熱油管的制造工藝，設(shè)計(jì)了一種管材環(huán)焊搭接試驗(yàn)方法，研究其在軸向拉力作用下的力學(xué)性能和組織行為。

3.1 內(nèi)管冷擴(kuò)徑

取Φ73.02 mm×5.51 mm的N80-1油管管坯加工成500 mm長(zhǎng)的管坯試樣，在ZIWICK1200試驗(yàn)機(jī)上采用專門設(shè)計(jì)的60°錐頭，將管端直徑冷擴(kuò)至105 mm，并將兩端平頭，再將翻邊的外徑加工到102 mm，并沿中心線一剖為二備用。

將Φ114.3 mm×6.35 mm的外管管端平頭后，沿中心線一剖為二，并將內(nèi)壁打磨至金屬光澤。

3.2 內(nèi)管與外管組對(duì)

將處理好的兩個(gè)外管半圓放置于水平狀態(tài)，并使其端部對(duì)正，必要時(shí)可對(duì)組對(duì)的管端進(jìn)行點(diǎn)焊（檢測(cè)時(shí)需要打磨掉焊點(diǎn)）。將加工好的半圓內(nèi)管管坯套裝到對(duì)正后的兩個(gè)外管中部，使其中部位于組對(duì)管端位置，將內(nèi)外管搭接位置進(jìn)行點(diǎn)焊加以固定，準(zhǔn)備焊接。

3.3 內(nèi)外管環(huán)焊

將套裝好的內(nèi)外管在搭接位置采用CO2氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接，經(jīng)多次工藝摸索，確定的焊接工藝參數(shù)見表2，焊接完成的試樣如圖2所示。

表2 N80－1真空隔熱油管焊接工藝參數(shù)

圖2 焊接完成的試樣

4 結(jié)果與分析

4.1 對(duì)接接頭拉伸性能分析

將焊接好的管坯根據(jù)試驗(yàn)要求加工成拉伸試樣，如圖3所示，將兩端加持部位展平，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)ZIWICK1200上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，評(píng)價(jià)對(duì)接接頭的拉伸性能。試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可見，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度大于687 MPa，最大拉伸性能達(dá)到747 MPa，平均值大于700 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接的管-管接頭的抗拉強(qiáng)度接近管材的抗拉強(qiáng)度（內(nèi)管的屈服強(qiáng)度為560 MPa，抗拉強(qiáng)度為724 MPa），拉斷后的帶對(duì)接接頭的拉伸試樣形貌如圖4所示，表明該接頭具有良好的拉伸性能。

圖3 對(duì)接接頭的拉伸試樣

表3 對(duì)接接頭拉伸性能

圖4 拉斷后的對(duì)接接頭拉伸試樣形貌

4.2 焊縫無(wú)損檢測(cè)

對(duì)管端環(huán)焊縫進(jìn)行DR成像檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，環(huán)焊縫沒(méi)有出現(xiàn)氣孔、夾渣等影響焊接接頭性能的缺陷。

圖5 對(duì)接接頭的DR成像檢測(cè)照片

4.3 焊接接頭金相分析

對(duì)焊接接頭的宏觀形貌和微觀組織形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，焊接后內(nèi)外管之間熔合較好，未出現(xiàn)焊接不良，熔合深度大于2 mm。在500倍視野中觀察到冶金結(jié)合的熔合線，表明焊接的內(nèi)外管結(jié)合良好。

通過(guò)對(duì)比圖 6（a）和圖6（b）可以看出， 較大的焊接熱輸入可以增大N80－1隔熱油管焊接接頭的熔合深度；對(duì)比圖6（c）和圖6（d）可以看出，較大的焊接熱輸入所焊接頭的熔合線組織明顯優(yōu)于較小焊接熱輸入的組織，從而獲得較好的拉伸性能。

圖6 焊接接頭組織形貌

5 結(jié) 論

（1）開發(fā)了一種專門的搭接試驗(yàn)方法，篩選了內(nèi)外管環(huán)焊工藝參數(shù)。

（2）在最佳焊接工藝下，焊接處的內(nèi)外管封焊焊縫的平均抗拉強(qiáng)度大于700 MPa，接近管體的抗拉強(qiáng)度。

（3）環(huán)焊縫沒(méi)有出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。金相試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)外管封焊焊縫金屬與母材充分熔合，表明所選工藝合理。

[1]朱月珍.國(guó)內(nèi)外隔熱油管的技術(shù)水平[R].石油機(jī)械技術(shù)調(diào)研報(bào)告集，1989：201.

[2]沈戰(zhàn)嶺.稠油熱采井筒隔熱技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程，2007，21（2）：94-96.

[3]潘耀慶，朱進(jìn)禮，張曉輝.預(yù)應(yīng)力隔熱油[J].石油科技論壇，2013，32（5）：47-48.

[4]SY/T5234—2013，預(yù)應(yīng)力隔熱油管[S].

[5]王理學(xué)，劉清良.高真空隔熱油管隔熱機(jī)理及隔熱結(jié)構(gòu)的研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，17（4）：93-96.

[6]吳永寧.真空度對(duì)真空隔熱油管隔熱性能的影響研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（11）：2728-2732.

[7]王忠華.隔熱油管傳熱及影響因素研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2009：58-69.

[8]曹喜承，王忠華，劉曉燕.真空隔熱油管傳熱性能研究[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28（5）：419-423.

[9]徐子彬.真空預(yù)應(yīng)力隔熱油管試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法探討[J].沿海企業(yè)與科技，2014（6）：12-15.

[10]徐國(guó)鑫.稠油熱采井套管損壞狀況及原因分析[J].西部探礦工程，2012（1）：89-90.

[11]徐長(zhǎng)軍.影響隔熱油管隔熱性能的因素[J].油氣田地面工程，2008，27（7）：31-32.

[12]李思源，溫旭東，陳亞茹，等.環(huán)縫未焊透缺陷對(duì)圓筒形容器承載能力的影響[J].石油化工設(shè)備，1992，21（3）：14-19.

[13]郭黎群，周波，許林濤.管道未焊透深度測(cè)定研究[J].無(wú)損探傷，2011，35（1）：16-18.

[14]邢麗，魏鵬，宋驍，等.軸肩下壓量對(duì)攪拌摩擦焊搭接接頭力學(xué)性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（3）：15-19.

[15]鄧衛(wèi)華，魏鵬，邢麗，等.攪拌針形狀對(duì)搭接焊縫界面遷移的影響[J].熱加工工藝，2011（1）：119-122.

[16]蔣太秋，張圣光，王坤顯，等.DR平板檢測(cè)技術(shù)在螺旋埋弧焊管檢測(cè)中的應(yīng)用[J].焊管，2010，38（2）：57-63.

編輯：黃蔚莉

中俄原油管道二線工程管道建設(shè)過(guò)半

2017年1月3日，隨著中俄原油管道黑龍江漠河段第39 456道焊口的焊接完成，總焊接長(zhǎng)度達(dá)到470.5 km，標(biāo)志著中俄原油管道二線工程管道建設(shè)過(guò)半。國(guó)家重點(diǎn)工程中俄原油管道二線工程，在極寒條件下施工，多項(xiàng)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)先進(jìn)技術(shù)在工程中成功應(yīng)用。

中俄原油管道二線全線大部分分布在北緯52度以上的高寒帶地區(qū)，經(jīng)過(guò)460 km永凍土區(qū)，240 km爆破段，還有將近60 km的沼澤地。極端寒冷的天氣和復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)工程進(jìn)度和施工人員都造成了極大的阻礙。為了確保工程質(zhì)量、安全和如期投產(chǎn)，多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)在中俄二線上率先使用。

在中俄管線上首次大批量使用的我國(guó)自主研發(fā)的全自動(dòng)焊接機(jī)，不僅打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，在極寒條件下一次焊接合格率達(dá)到95%以上，推動(dòng)了我國(guó)管道建設(shè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

作為國(guó)內(nèi)迄今為止采用全自動(dòng)焊比例最高的長(zhǎng)輸管道，中俄管線80%的主體焊接工程量使用全自動(dòng)焊設(shè)備完成。我國(guó)自主研制的高精密、數(shù)字化的CPP900全自動(dòng)焊機(jī)首次在極寒地區(qū)大規(guī)模使用。

此外，中俄二線原油管道項(xiàng)目首次全面推行全自動(dòng)超聲波檢測(cè)工藝，還應(yīng)用了我國(guó)自主研發(fā)的機(jī)械化補(bǔ)口設(shè)備及“大型施工設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)”等一系列科技創(chuàng)新成果，大幅提升我國(guó)智能化管道建設(shè)的水平。

中俄原油管道二線工程所有大中型河流穿越，都采用非開挖方式進(jìn)行，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)。嫩江穿越工程和額木爾河穿越工程是中俄原油管道二線工程關(guān)鍵控制性穿越工程，為保障工程安全、環(huán)保、按期完工，首次在國(guó)內(nèi)極寒條件下采用了泥水加壓平衡式盾構(gòu)工法施工。這一工法有效打通中俄原油管道二線工程關(guān)鍵控制點(diǎn)，填補(bǔ)了盾構(gòu)施工法在極寒地區(qū)施工的國(guó)內(nèi)空白。

中俄原油管道工程是我國(guó)構(gòu)建的東北、西北、西南和海上四大能源戰(zhàn)略通道之一。2017年年底建成后，將具備每年接收1500萬(wàn)t俄油能力。對(duì)完善我國(guó)東北油氣戰(zhàn)略通道、優(yōu)化國(guó)內(nèi)油品供需格局、提振東北工業(yè)經(jīng)濟(jì)有巨大作用。

（李 超摘自中石油集團(tuán)網(wǎng)）

Evaluation Method Research on Circumferential Welding Lap Joints of Vacuum Insulated Tubing Inside and Outside Pipe

XIAN Linyun1,2,ZHANG Guochao1,2,BI Zongyue1,2,YU Han1,2
（1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE931.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.005

2017-04-27

鮮林云（1983—），男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事管材制造技術(shù)研究工作。