深水管匯用超級(jí)雙相不銹鋼管的國產(chǎn)化

甘志云，程寒生，何恩，楊陽

(1.海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520；2.中海石油(中國)有限公司海南分公司，海南 海口 570311；3.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引言

水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)對(duì)整個(gè)水下設(shè)施的連接中轉(zhuǎn)與控制，比如可通過管匯中的液壓控制管線操作閥門開關(guān)，通過藥劑注入管線將化學(xué)藥劑注入生產(chǎn)管線。長期以來，水下管匯尤其是深水管匯由國外公司設(shè)計(jì)建造，其中大量使用的超級(jí)雙相不銹鋼管線也由國外公司供貨。為更好的實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化建造，降低對(duì)國外的材料依賴，有必要在國內(nèi)首套國產(chǎn)深水管匯中推行超級(jí)雙相不銹鋼管的國產(chǎn)化[1]。

1 首套國產(chǎn)深水管匯簡介

位于南海海域的某氣田開發(fā)項(xiàng)目，水深1 220～1 560 m，水下管匯按照1 700 m水深設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壽命30年，在國內(nèi)場(chǎng)地進(jìn)行建造、集成和測(cè)試，是首套國產(chǎn)深水管匯，由四個(gè)管匯組成。其示意圖如圖1所示。

圖1 管匯示意圖

在該項(xiàng)目的管匯中，布置有水下臍帶纜、控制設(shè)備的連接接頭，通過超級(jí)雙相不銹鋼管線實(shí)現(xiàn)與臍帶纜和控制設(shè)備的有效連接，這些管線的最小規(guī)格為3/8吋STD(10.3 mm)，最大規(guī)格為2吋SCH160(60.3 mm)，總長度12 000 m，根據(jù)流體、功能不同分為11個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壓力最大為69 MPa。

2 超級(jí)雙相不銹鋼管的國產(chǎn)化

2.1 國產(chǎn)化背景

超級(jí)雙相不銹鋼管因其優(yōu)良的抗壓和耐腐蝕性能而廣泛應(yīng)用于有特殊要求的場(chǎng)合，國內(nèi)生產(chǎn)廠家具備較強(qiáng)的生產(chǎn)能力和供貨業(yè)績，而國外企業(yè)的供貨周期太長，無法滿足項(xiàng)目要求，項(xiàng)目組經(jīng)慎重考慮，決定推動(dòng)國產(chǎn)化[2]。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)廠家的供貨業(yè)績大多局限于陸地和海上平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)合，并未涉及深水水下的應(yīng)用環(huán)境。由于水下管匯中管線承受的壓力等級(jí)高、設(shè)計(jì)壽命長，國內(nèi)企業(yè)不具備批量的供貨業(yè)績。

2.2 項(xiàng)目技術(shù)要求

超級(jí)雙相不銹鋼無縫管的常用制造標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A790，其主要規(guī)定了熱處理溫度、化學(xué)成分要求、機(jī)械性能要求以及檢驗(yàn)要求[3]。要保證設(shè)計(jì)管子在壽命期內(nèi)不損壞，就必須具備更優(yōu)異的性能和抗腐蝕能力。因此，必須在現(xiàn)有技術(shù)能力及標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，提高性能要求，以滿足項(xiàng)目需求。

2.2.1 生產(chǎn)工藝認(rèn)證

為驗(yàn)證工藝性能及穩(wěn)定性，根據(jù)NORSOK M650的相關(guān)要求對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證內(nèi)容包括原材料、熱處理爐、熱處理工藝、成型過程等生產(chǎn)過程中涉及的主要變量，通過一系列實(shí)驗(yàn)判定所生產(chǎn)管子的性能，工藝認(rèn)證合格后方可進(jìn)行正式的產(chǎn)品生產(chǎn)。

2.2.2 性能及測(cè)試要求

在標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，增加了以下要求：

(1)同時(shí)進(jìn)行水壓試驗(yàn)和NDT檢驗(yàn)，而不是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的二選一；

(2)同時(shí)進(jìn)行UT和ET檢驗(yàn)，而不是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的二選一，且將UT的靈敏度由12.5%T的方槽提高到5%T的方槽；

(3)增加內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)，確保管子內(nèi)表面質(zhì)量；

(4)化學(xué)成分方面，要求PREN值最大不超過45；

(5)拉伸試驗(yàn)方面，將延伸率從15%提高到25%；

(6)增加沖擊試驗(yàn)。

2.3 技術(shù)路線

國產(chǎn)化路線確定后，項(xiàng)目組即組織各方專家，成立技術(shù)小組，依據(jù)項(xiàng)目要求和規(guī)范要求，制定技術(shù)路線(圖2)。

圖2 國產(chǎn)化技術(shù)路線圖

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量保證措施

為保證產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)定性，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，主要從技術(shù)管理、人員管理、過程介入、質(zhì)量復(fù)檢等方面進(jìn)行管控。

2.4.1 制定及審查制造工藝程序

在制造工藝程序的制定和審查過程中，要求盡可能細(xì)化各項(xiàng)工藝參數(shù)，明確各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。超級(jí)雙相不銹鋼管線國產(chǎn)化制造的關(guān)鍵過程是軋制和固溶熱處理，軋制的次數(shù)和變形量將直接影響材料性能和表面質(zhì)量，固溶熱處理的保溫溫度、保溫時(shí)間、淬火溫度等參數(shù)對(duì)材料性能和均勻性至關(guān)重要。另外，包括鋼坯種類、熱處理爐、熱處理裝載量在內(nèi)的所有制造過程中的變量都要進(jìn)行明確，并在工藝認(rèn)證和小批量生產(chǎn)過程中根據(jù)材料性能測(cè)試情況進(jìn)行多次調(diào)整，尋求最優(yōu)組合[4]。

為了全方位的驗(yàn)證工藝的可靠性，制造工藝程序中明確了工藝認(rèn)證和小批量生產(chǎn)期間的性能測(cè)試內(nèi)容和要求，包括測(cè)試項(xiàng)目、取樣位置、取樣數(shù)量等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，如取樣位置涵蓋管子兩端和中間位置， 0°、90°、180°和270°位置，以及縱向和周向位置，一個(gè)批次的取樣量超過30組。

2.4.2 加強(qiáng)制造過程監(jiān)控

在檢驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃編制階段，明確規(guī)定項(xiàng)目組及三方機(jī)構(gòu)全程參與制造和測(cè)試過程。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，生產(chǎn)廠家、項(xiàng)目組和三方機(jī)構(gòu)人員組成監(jiān)督小組，對(duì)相關(guān)程序以及生產(chǎn)計(jì)劃的有效執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，包括熱處理過程、測(cè)試過程等，并加強(qiáng)不合格品的跟蹤和處理，就出現(xiàn)的技術(shù)和管理問題進(jìn)行及時(shí)溝通解決。

2.4.3 強(qiáng)化人員質(zhì)量意識(shí)

工藝認(rèn)證開始前，組織參與項(xiàng)目生產(chǎn)和檢驗(yàn)的相關(guān)人員，進(jìn)行集中宣貫交底，對(duì)項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)格書要求和工藝程序要求進(jìn)行講解，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目的特殊性、產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的特殊性。另外，在生產(chǎn)過程中，根據(jù)過程監(jiān)控情況不定期組織專項(xiàng)宣貫，確保參與項(xiàng)目的人員能熟悉各項(xiàng)工藝參數(shù)、檢驗(yàn)測(cè)試要求。

2.4.4 質(zhì)量復(fù)查機(jī)制

在工藝認(rèn)證和小批量生產(chǎn)階段，以及正式生產(chǎn)階段，除生產(chǎn)廠家按照工藝程序進(jìn)行的試驗(yàn)外，為進(jìn)一步驗(yàn)證材料性能，隨機(jī)抽取部分試樣送往具備資質(zhì)的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行獨(dú)立復(fù)核試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2.4.5 專題會(huì)議機(jī)制

在項(xiàng)目執(zhí)行中的各個(gè)階段，根據(jù)生產(chǎn)和檢驗(yàn)情況，組織專題會(huì)議，就發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行研究討論，找出解決方案，尤其是質(zhì)量方面的問題，通過分析可能的原因并加強(qiáng)過程監(jiān)控和精細(xì)化管理。比如在小批量生產(chǎn)階段，發(fā)現(xiàn)部分管子內(nèi)部存在大量劃痕，經(jīng)研究判斷是軋制過程中形成的，通過更換芯棒、內(nèi)部拋光的方式將該問題解決。同時(shí)，為避免類似問題流轉(zhuǎn)到產(chǎn)品檢驗(yàn)階段，增加軋制后的內(nèi)窺鏡檢查。

3 國產(chǎn)化成果及意義

在水下管匯尤其是水深達(dá)到1 500 m的深水管匯中，管線的作用至關(guān)重要，既要承受高壓，又要具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，在服役期間，如果出現(xiàn)泄露的情況，將導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的停工停產(chǎn)，影響周圍環(huán)境，而且只有將整個(gè)管匯撈上水面才能維修，難度非常高。另外一方面，管線生產(chǎn)完成后需要在管匯內(nèi)部組裝焊接，焊接工作受材料可焊接性能的影響很大，可焊接性主要跟材料的化學(xué)成分及組織的均勻性有關(guān)，如果材料的可焊接性能不高，將影響焊接速度、出現(xiàn)焊接缺陷而影響焊接質(zhì)量。

經(jīng)過各方的高度重視和高度參與，通過工廠出廠前對(duì)每批次材料的測(cè)試，以及三方實(shí)驗(yàn)室的隨機(jī)抽樣測(cè)試，本項(xiàng)目的國產(chǎn)超級(jí)雙相不銹鋼管線能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，且測(cè)試結(jié)果顯示化學(xué)成分和組織均勻性較好，從理論上可以判定材料的可焊接性能滿足要求。在實(shí)際焊接工作中，首先是焊接工藝評(píng)定方面，使用國產(chǎn)材料做的焊接工藝評(píng)定，各項(xiàng)性能滿足工藝要求；在缺陷發(fā)生率方面，在近兩萬道焊口中，總體返修率約7%，而在國外的管匯制造場(chǎng)地，采用國外公司生產(chǎn)的超級(jí)雙相不銹鋼，總體返修率一般為20%；另外，在焊接施工過程中，隨機(jī)抽取產(chǎn)品焊接接頭進(jìn)行取樣測(cè)試，接頭的性能要求能滿足焊接工藝的要求。這一系列的測(cè)試和數(shù)據(jù)，說明國產(chǎn)超級(jí)雙相不銹鋼管線的各項(xiàng)性能可以滿足項(xiàng)目要求。

4 結(jié)語

用于深水管匯的超級(jí)雙相不銹鋼管線，由于應(yīng)用環(huán)境特殊、設(shè)計(jì)壓力高，國內(nèi)不具備批量供貨的業(yè)績。國產(chǎn)化團(tuán)隊(duì)通過積極調(diào)研、技術(shù)制定以及通力合作，克服各種困難實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，在保證質(zhì)量的前提下縮短了采購周期，并形成了一套可靠的生產(chǎn)和檢驗(yàn)技術(shù)文件，國產(chǎn)化過程中的各項(xiàng)措施以及方案也可以為后續(xù)同類型工作提供指導(dǎo)。