水下采油樹本體制造過程關鍵點質量分析與控制

黃施蓬，程銳，范海濤，許洋，毛冠煜(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

我國深海海域蘊藏著豐富的油氣資源，但深水區域特殊的自然環境和復雜的油氣儲藏條件將使我國深水油氣田開發在鉆探、開發工程、建造等方面面臨諸多技術難題，其中水下采油樹是海洋油氣田生產和井下作業的關鍵設備[1]。1 500米水下智能井口生產設備設計、制造、測試與安裝關鍵技術的研究是參照API 17D標準，將工程實踐與智能水下采油樹的研制、測試結合，建立的一整套完整的智能水下采油樹生產和監督控制體系，突破了智能水下采油樹工程建設過程中的技術難點和關鍵點，為深海油氣開發設備的研發制造積累了經驗。

1 采油樹本體工作環境及其功能

本水下采油樹長期工作于深水、海水近于0 ℃的酸性環境中，內部承受高溫高壓的油氣環境，其中該采油樹本體為防噴器、采油樹帽、油管懸掛器、H-4連接器提供合理的安裝平臺，為生產組合閥、化學藥劑注入閥、環空翼閥、環空監控閥提供接口。采油樹本體需達到承受高溫、高壓、耐強酸性腐蝕的能力以及良好的密封效果，且需滿足15年的設計壽命，因此采油樹本體的生產制造至關重要。

2 本體制造的質量控制

本體的制造過程主要控制點如下：鍛件原材料的控制-熱處理-本體端部取樣-機械性能和化學分析檢測-UT探傷-粗加工-堆焊-半精加工-精加工-尺寸測量-表面磁粉探傷-表面涂層-裝配-測試。其中關鍵節點主要為：鍛件質量控制、堆焊加工質量控制、精加工完成后尺寸測量的質量控制、表面涂層質量控制。

2.1 鍛件的質量控制

由于采油樹本體在高溫高壓及強酸高腐蝕的環境下工作，因此母材的選材也尤為重要。為滿足其生產要求，根據API 17D的設計規范，流道浸潤面的材料需達到HH-NL級別，壓強達到68.95 MPa等級。

達到此條件的材料有：AISI4130+堆焊Inconel625、A182-F22+堆焊Inconel625、AISI8630+堆焊Inconel625，通過設計計算，只要三種材料的強度達到517 MPa，就能滿足流道浸潤面的材料等級。在材料選取之時，需考慮母材的關鍵因素，如表1所示。

表1 不同母材特性對比

由表1可知，母材AISI4130的淬透性不如A182-F22和AISI8630材料，但是如果機械性能測試結果得當，母材的強度不高于517 MPa時，對于三種材料的淬透性并無影響[2]，既能滿足流道浸潤面的材料選擇，又考慮到AISI4130材料成本相比A182-F22和AISI8630較低，最終選取了AISI4130 +堆焊Inconel625方式。

在鍛件粗加工完成的生產階段，需要控制以下環節：

(1)母材總重量為8 t，尺寸2.1 m×1.2 m，由于鋼釘外形尺寸較大，為了確保本體內部夾渣物、樹枝狀結晶組織有效去除，本體關鍵部位后期與625鎳基合金應有效焊合，使之成為內部密實、均勻、細微、綜合性能良好的鍛件。同時根據API 6A 5.4.3要求產品材料規范等級為PSL 3G的產品應使用鍛件，因此應對母材采取高溫鍛造的工藝。母材AISI4130鋼錠化學成分需滿足ASTM A29/A29M-05標準要求，鍛造比滿足API 20B標準要求，晶粒度及夾渣通過晶像分析測試，結果需滿足ASTM E45—2018＆ASTM E112—2013標準要求。

(2)根據API 6A 5.4.3工藝要求，需使其母材機械性能、硬度達到要求，對鍛后母材進行熱處理(正火+淬火+回火的方式),根據ASTM A370在熱處理控制階段，淬火、回火加熱時，嚴格控制入爐爐溫和升溫的速率；根據API RP6HT要求控制工件淬火出爐后轉移的時間、入水水溫、水冷時間、出水水溫以及出水時工件溫度；嚴格控制保溫的時間、冷卻的方式。待熱處理完成，本體完全冷卻后，對于質量鑒定式樣(QTC),嚴格按照API 6A 5.7條款要求在本體的延伸段1/2和1/4處劃線取樣。在延長段(QTC取樣端，后續測試用)進行硬度測試，硬度測試結果(詳見表2)滿足ASTM E10要求；樣品經實驗室試驗，機械性能結果(詳見表2)滿足ASTM A370標準要求。

(3)為了避免本體內部出現缺陷，可采取內部UT探傷或RT探傷的方式，由于RT不適用于厚壁工件的檢測，且對人體和周圍環境有危害，維護成本較高；但UT探傷穿透能力強，適用于厚壁工件，定位準確，對環境和人體無害。因此最終選擇UT探傷，探傷結果需滿足ASTM A388標準要求。

表2 AISI4130熱處理后機械性能

2.2 堆焊的質量控制

由于采油樹本體選擇了AISI4130母材，在其關鍵部位(密封面)不能達到高耐蝕要求，API 6A HH材料級別為設備接觸流體的浸潤面且為耐腐蝕合金[4]，故采取對關鍵密封面AISI4130堆焊Inconel625的方式，Inconel 625合金屬于鎳-鉻-鉬合金，其合金組成中有較高的鉻和鉬，所以具有各類介質(還原性和氧化鋅介質)的腐蝕，而且在還原-氧化的復合介質中其耐蝕性也非常出色[3],因此作為本體密封面的堆焊材料。通過此堆焊方式增強基體表面的耐腐蝕、耐高溫氧化性能。

焊接完成后，焊后尺寸需滿足圖紙要求；通過目視和焊縫規的測量，完成焊縫的外觀檢測(詳細參數見表3)；液體滲透探傷、焊后母材和堆焊層硬度滿足API 17D標準要求。

表3 焊縫外觀檢測

2.3 精加工完成后尺寸測量的質量控制

采油樹本體的鋼圈槽是整個采油樹密封的關鍵部位，其錐面角度、鋼圈槽密封外徑的尺寸具有以下關鍵作用：

(1)和鋼圈的尺寸匹配。

(2)金屬鋼圈錐面和本體密封錐面形成的密封曲線(密封面)應盡可能和中軸線精確垂直。

(3)確保金屬密封鋼圈和采油樹本體密封面存在恰當的過盈量，保證密封的實現。

錐面角度、鋼圈槽密封外徑尺寸精度要求較高，普通的量具不易測量。且一旦尺寸有偏差，就會出現密封失效的風險。在本體鋼圈槽關鍵部位之前采取球徑規復驗方式，但此法存在局限性，最終的測量的尺寸也容易出現偏差。最終采用三坐標測量儀來測量此處的形位尺寸公差。三坐標測量儀精度為±0.023 mm，遠高于本體鋼圈槽密封外徑的尺寸要求公差(0+0.13) mm，但由于三坐標測量儀的精度也會受到操作者的影響，這里采取通過多次測量復驗和最終測試一次通過的方式來減小誤差，以驗證尺寸的可靠性。

三坐標測量儀的準確使用對測繪工作有著重大影響，解決了之前精度要求高、測量范圍狹窄、尺寸偏差大、測量范圍廣的難題。通過此次測量方式的轉變，避免了以往互配方式容易產生損壞的問題，提高了工時工效。

2.4 表面涂層(XYLAN)的質量控制

采油樹本體的工作環境溫度在2～121 ℃間，且長期處于酸性腐蝕性環境中，因此對于本體表面涂層要求極高，此處采取XYLAN作為涂層的方式。XYLAN是由美國Whitford認證的一種PTFE防腐涂層，具有優異的防腐蝕性能[5]。

由于之前水下采油樹表面涂層在使用過程中存在脫落現象，針對該采油樹本體，對涂層工藝采取全過程跟蹤再驗證的方式。根據XYLAN的技術協議，編制了XYLAN的測試方案并對樣塊進行了測試，確保其質量滿足要求。XYLAN涂層包括磷化底涂及XYLAN面涂，需分別展開測試。

3 結語

本文就采油樹本體制造過程，以API SPEC 17D和API 6A標準為指導，以API SPEC Q1質量體系標準作為基礎，對水下采油樹本體制造關鍵過程進行準確又嚴謹的質量控制，形成了一套完整的水下采油樹本體制造的質量管理體系，為后續水下采油樹本體制造過程控制提供豐富的經驗參考和驗證依據。