鉆井隔水管主管環縫焊接工藝研究*

柳鎖賢， 張小龍， 王志明， 劉宏亮， 徐斌榮， 付 堃

（1. 寶雞石油機械有限責任公司， 陜西寶雞 721002；2. 中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司， 陜西寶雞 721002；3. 山東祺龍海洋石油鋼管股份有限公司， 山東東營 257055）

海洋石油資源開采是未來石油工業發展的重點方向之一[1-4]。 鉆井隔水管是連接海底防噴器（blowout preventer, BOP） 和鉆井平臺的管道[5-8]，隔水管主管是最重要的零件， 不僅受到來自于頂部張緊器和浮力材料帶來的張緊力、 內部鉆井液和外部海水的內外壓力， 還有來自浮式平臺的漂移、 波浪以及潮流引起的橫向彎曲應力[9-10]， 因此對隔水管主管環縫的質量提出了較高的要求。

隔水管在深水中不但要承受自重， 還必須承受海洋鉆井需要的節流壓井管線、 液壓管線、 泥漿增壓管線等的質量[11]。 同時， 服役工況使得隔水管單根結構非常復雜， 因此對隔水管主管性能提出了裂紋尖端張開位移（CTOD） 和全疲勞試驗要求[12-13]。 雖然X80 鋼管曾在輸送管線中大量使用，但其工作壓力僅是隔水管的三分之一。 因此， 深水海洋鉆井對隔水管單根主管焊接提出了新的挑戰。

1 焊接方法和焊接材料的選取

1.1 焊接方法

本試驗研究對象是X80 鋼級、 Φ533.4 mm×25.4 mm 的隔水管， 隔水管單根結構如圖1 所示。 隔水管單根主管的焊接主要為鋼管的對接環焊、 鋼管與法蘭的對接環焊， 對接焊縫可以采用單面焊接， 也可以采用雙面焊接的方式。

圖1 鉆井隔水管單根結構示意圖

若采用雙面焊即外焊和內焊方式， 外部焊接可以采用常規設備。 但內部施焊必須采用專用設備， 這種專用設備需要具有可伸縮、 精確定位和跟蹤、 監控攝像等功能。 伸入管體內部的可伸縮焊接設備部件外型尺寸要足夠小， 且需要一定剛性支撐焊接機頭及相關部件， 還需要有與管體內壁良好的絕緣保護功能。 另外， 焊接內部時， 焊接操作工只能通過屏幕觀察焊接情況， 視野受到很大限制， 難以準確觀察和判斷焊接電弧的實際情況， 焊接質量不易保證。 從以上分析可知， 采用內、 外雙面焊的方式進行隔水管單根主管的焊接， 設備和焊接工藝都比較復雜， 施焊難度大。

若采用從外部施焊的單面焊方式， 就不需要內焊設備及工藝， 僅需要采用外部焊接設備及工藝。 這樣整個焊接過程就比較簡單， 焊接質量就容易得到保證。 盡管從理論可知雙面焊優于單面焊焊縫質量， 但對于隔水管單根主管環縫焊接，只要焊接方法得當， 焊接工藝可靠， 單面焊也能保證焊接質量。 綜合考慮， 隔水管單根主管環縫采用從外部單面焊的焊接方式較為合適。

隔水管單根主管的對接環焊縫為規則的全熔透焊縫（CJP）， 長度約1 500 mm， 焊接工作量較大， 適合選用自動焊接方法[14]。 自動焊與手工焊相比具有以下優點： ①焊接效率高， 焊接質量優良可靠； ②適宜規則的、 批量的焊縫焊接。 自動焊接方法包括全自動鎢極氬弧焊（TIG）、 自動埋弧焊（SAW） 和全自動熔化極氣體保護焊（GMAW和FCAW）。 其中， TIG 焊接電弧穩定、 易于操作、焊透性高、 焊縫背面成形良好， 但焊接效率較低；SAW 焊接無電弧光污染， 焊接效率高， 設備易于操作， 焊縫質量好， 外觀成形美觀， 但用于打底時易焊穿， 很難完成單面焊雙面成形； GMAW 和FCAW 焊接打底時， 其焊接電弧比全自動TIG 焊難控制， 易焊穿， 填充及蓋面焊時效率沒有SAW焊高， 且有電弧污染。 兼顧焊接質量和焊接效率，隔水管主管環縫最佳的焊接方法為復合焊接方法，即打底焊接采用全自動TIG 焊， 填充、 蓋面焊接采用SAW。

1.2 焊接材料

依據焊縫熔敷金屬抗拉強度與母材抗拉強度同等級原則， 同時考慮焊材的品牌、 經濟性等因素， 對Lincoln （林肯）、 EASB （伊薩） 等幾種焊材品牌進行了對比， 最終確定選用Lincoln（林肯） 焊接材料。

2 焊接工藝評定試驗及其應用

2.1 焊接工藝評定試驗

隔水管單根主管是一種帶壓的管道， 因此焊接工藝依據ASME Ⅸ標準進行評定。 焊接試件材質符合API SPEC 5L 標準要求， 接頭規格及接頭尺寸如圖2 所示。

圖2 焊接接頭及坡口尺寸示意圖

環焊打底采用全自動TIG 焊， 填充、 蓋面采用單絲自動埋弧焊。 焊接時， 試件水平放置于滾輪支架上， 由滾輪支架帶動工件旋轉， 使接頭待焊處始終處于平焊位置。 兩種焊接方法的焊接機頭都位于環縫上方12 點鐘位置。 施焊前， 為了保證旋轉平穩， 打磨去除管體的縱向焊縫余高。

全自動TIG 焊參數見表1。 焊接時要選擇合適的鎢極外形尺寸及伸出長度， 保證鎢極不易燒損[15]。鎢極直徑2.4 mm， 其尖端直徑修磨到1 mm， 尖端夾角保持45°， 伸出長度保持在8～10 mm。 填充、蓋面SAW 焊參數見表2。 為了保證SAW 的第一層填充時打底層焊縫不焊穿， TIG 焊打底焊接2 層，熔覆金屬厚度不能低于4 mm。

表1 環縫打底全自動TIG 焊接參數

表2 環縫填充、蓋面SAW 焊接參數

焊接順序如圖3 所示， 其中1、 2 層是打底層， 3～8 層是填充及蓋面層， 3～5 層每層1 道焊接完成， 6～8 層分左右兩道焊接完成。 打底TIG焊接工藝參數見表3， 填充及蓋面SAW 焊接工藝參數見表4。

圖3 焊接順序示意圖

表3 打底TIG 焊接工藝參數

表4 填充及蓋面SAW 焊接工藝參數

現場焊接其他記錄： ①試件組合時， 不留間隙， 鈍邊控制在0.5～1.0 mm； ②焊前用磁感應加熱器， 對焊縫及周圍70 mm 范圍內預熱至100 ℃； ③TIG 焊層間溫度控制在60～70 ℃，SAW 層間溫度控制在90～100 ℃。

2.2 試驗結果及分析

按照ASME Ⅸ標準相關要求， 分別制取2 件橫向拉伸試樣、 4 件側彎試樣、 10 組沖擊試樣（焊縫和熱影響區）， 進行拉伸、 彎曲及沖擊試驗， 試驗結果見表5～表7。

由表5～表7 可知， 橫向拉伸試樣的抗拉強度均符合X80 管線鋼抗拉強度要求（625～825 MPa）；側彎試樣彎曲180°， 均無開裂； 10 組沖擊試樣-20 ℃沖擊功全部不低于42 J （熔覆金屬的要求），符合X80 鋼的標準要求（≥27 J）[10]。

表5 焊接工藝評定拉伸試驗結果

表6 焊接工藝評定彎曲試驗結果

表7 焊接工藝評定沖擊試驗結果

按照相關標準， 焊接試件上截取小試樣進行疲勞試驗和CTOD 試驗。 疲勞試驗結果見表8， 由表8 可知， 焊縫余高對疲勞試驗影響較大， 疲勞裂紋主要從焊縫接頭焊趾處萌生、 起裂并穿過熱影響區擴展至母材， 去除焊縫余高后， 疲勞裂紋在焊縫萌生， 并沿焊縫擴展。 CTOD 試驗結果顯示， 0 ℃裂紋尖端張開位移不低于0.25 mm， 裂紋沒有擴展。 另外， 小試樣疲勞試驗結果滿足材料要求， CTOD 試驗結果符合＞0.2 mm 的要求[11]。因此， 該焊接工藝可行。

表8 焊接工藝評定疲勞試驗結果

2.3 焊接工藝應用

采用本焊接工藝， 完成了國家863 “深水鉆井隔水管系統技術研究” 項目， 開發了法蘭式、快捷式兩類長度15.24 m （50 ft） 的隔水管單根，全尺寸隔水管單根的疲勞試驗， 并達到預期目標。

3 結 論

（1） 針對隔水管單根主管材料、 使用工況，通過對比分析的方法， 確定出適合X80 隔水管的焊接工藝和焊接材料。

（2） 通過焊接工藝評定試驗， 驗證了X80隔水管單根主管環縫焊接方法、 焊材、 工藝參數等焊接工藝研究的合理性。

（3） 應用該焊接工藝完成了國家863 項目“深水鉆井隔水管系統技術研究” 課題， 研制開發了15.24 m （50 ft） 的兩類隔水管單根主管，實踐檢驗了該工藝的可行性。