钻井隔水管主管环缝焊接工艺研究*

柳锁贤， 张小龙， 王志明， 刘宏亮， 徐斌荣， 付 堃

（1. 宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西宝鸡 721002；2. 中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司， 陕西宝鸡 721002；3. 山东祺龙海洋石油钢管股份有限公司， 山东东营 257055）

海洋石油资源开采是未来石油工业发展的重点方向之一[1-4]。 钻井隔水管是连接海底防喷器（blowout preventer, BOP） 和钻井平台的管道[5-8]，隔水管主管是最重要的零件， 不仅受到来自于顶部张紧器和浮力材料带来的张紧力、 内部钻井液和外部海水的内外压力， 还有来自浮式平台的漂移、 波浪以及潮流引起的横向弯曲应力[9-10]， 因此对隔水管主管环缝的质量提出了较高的要求。

隔水管在深水中不但要承受自重， 还必须承受海洋钻井需要的节流压井管线、 液压管线、 泥浆增压管线等的质量[11]。 同时， 服役工况使得隔水管单根结构非常复杂， 因此对隔水管主管性能提出了裂纹尖端张开位移（CTOD） 和全疲劳试验要求[12-13]。 虽然X80 钢管曾在输送管线中大量使用，但其工作压力仅是隔水管的三分之一。 因此， 深水海洋钻井对隔水管单根主管焊接提出了新的挑战。

1 焊接方法和焊接材料的选取

1.1 焊接方法

本试验研究对象是X80 钢级、 Φ533.4 mm×25.4 mm 的隔水管， 隔水管单根结构如图1 所示。 隔水管单根主管的焊接主要为钢管的对接环焊、 钢管与法兰的对接环焊， 对接焊缝可以采用单面焊接， 也可以采用双面焊接的方式。

图1 钻井隔水管单根结构示意图

若采用双面焊即外焊和内焊方式， 外部焊接可以采用常规设备。 但内部施焊必须采用专用设备， 这种专用设备需要具有可伸缩、 精确定位和跟踪、 监控摄像等功能。 伸入管体内部的可伸缩焊接设备部件外型尺寸要足够小， 且需要一定刚性支撑焊接机头及相关部件， 还需要有与管体内壁良好的绝缘保护功能。 另外， 焊接内部时， 焊接操作工只能通过屏幕观察焊接情况， 视野受到很大限制， 难以准确观察和判断焊接电弧的实际情况， 焊接质量不易保证。 从以上分析可知， 采用内、 外双面焊的方式进行隔水管单根主管的焊接， 设备和焊接工艺都比较复杂， 施焊难度大。

若采用从外部施焊的单面焊方式， 就不需要内焊设备及工艺， 仅需要采用外部焊接设备及工艺。 这样整个焊接过程就比较简单， 焊接质量就容易得到保证。 尽管从理论可知双面焊优于单面焊焊缝质量， 但对于隔水管单根主管环缝焊接，只要焊接方法得当， 焊接工艺可靠， 单面焊也能保证焊接质量。 综合考虑， 隔水管单根主管环缝采用从外部单面焊的焊接方式较为合适。

隔水管单根主管的对接环焊缝为规则的全熔透焊缝（CJP）， 长度约1 500 mm， 焊接工作量较大， 适合选用自动焊接方法[14]。 自动焊与手工焊相比具有以下优点： ①焊接效率高， 焊接质量优良可靠； ②适宜规则的、 批量的焊缝焊接。 自动焊接方法包括全自动钨极氩弧焊（TIG）、 自动埋弧焊（SAW） 和全自动熔化极气体保护焊（GMAW和FCAW）。 其中， TIG 焊接电弧稳定、 易于操作、焊透性高、 焊缝背面成形良好， 但焊接效率较低；SAW 焊接无电弧光污染， 焊接效率高， 设备易于操作， 焊缝质量好， 外观成形美观， 但用于打底时易焊穿， 很难完成单面焊双面成形； GMAW 和FCAW 焊接打底时， 其焊接电弧比全自动TIG 焊难控制， 易焊穿， 填充及盖面焊时效率没有SAW焊高， 且有电弧污染。 兼顾焊接质量和焊接效率，隔水管主管环缝最佳的焊接方法为复合焊接方法，即打底焊接采用全自动TIG 焊， 填充、 盖面焊接采用SAW。

1.2 焊接材料

依据焊缝熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度同等级原则， 同时考虑焊材的品牌、 经济性等因素， 对Lincoln （林肯）、 EASB （伊萨） 等几种焊材品牌进行了对比， 最终确定选用Lincoln（林肯） 焊接材料。

2 焊接工艺评定试验及其应用

2.1 焊接工艺评定试验

隔水管单根主管是一种带压的管道， 因此焊接工艺依据ASME Ⅸ标准进行评定。 焊接试件材质符合API SPEC 5L 标准要求， 接头规格及接头尺寸如图2 所示。

图2 焊接接头及坡口尺寸示意图

环焊打底采用全自动TIG 焊， 填充、 盖面采用单丝自动埋弧焊。 焊接时， 试件水平放置于滚轮支架上， 由滚轮支架带动工件旋转， 使接头待焊处始终处于平焊位置。 两种焊接方法的焊接机头都位于环缝上方12 点钟位置。 施焊前， 为了保证旋转平稳， 打磨去除管体的纵向焊缝余高。

全自动TIG 焊参数见表1。 焊接时要选择合适的钨极外形尺寸及伸出长度， 保证钨极不易烧损[15]。钨极直径2.4 mm， 其尖端直径修磨到1 mm， 尖端夹角保持45°， 伸出长度保持在8～10 mm。 填充、盖面SAW 焊参数见表2。 为了保证SAW 的第一层填充时打底层焊缝不焊穿， TIG 焊打底焊接2 层，熔覆金属厚度不能低于4 mm。

表1 环缝打底全自动TIG 焊接参数

表2 环缝填充、盖面SAW 焊接参数

焊接顺序如图3 所示， 其中1、 2 层是打底层， 3～8 层是填充及盖面层， 3～5 层每层1 道焊接完成， 6～8 层分左右两道焊接完成。 打底TIG焊接工艺参数见表3， 填充及盖面SAW 焊接工艺参数见表4。

图3 焊接顺序示意图

表3 打底TIG 焊接工艺参数

表4 填充及盖面SAW 焊接工艺参数

现场焊接其他记录： ①试件组合时， 不留间隙， 钝边控制在0.5～1.0 mm； ②焊前用磁感应加热器， 对焊缝及周围70 mm 范围内预热至100 ℃； ③TIG 焊层间温度控制在60～70 ℃，SAW 层间温度控制在90～100 ℃。

2.2 试验结果及分析

按照ASME Ⅸ标准相关要求， 分别制取2 件横向拉伸试样、 4 件侧弯试样、 10 组冲击试样（焊缝和热影响区）， 进行拉伸、 弯曲及冲击试验， 试验结果见表5～表7。

由表5～表7 可知， 横向拉伸试样的抗拉强度均符合X80 管线钢抗拉强度要求（625～825 MPa）；侧弯试样弯曲180°， 均无开裂； 10 组冲击试样-20 ℃冲击功全部不低于42 J （熔覆金属的要求），符合X80 钢的标准要求（≥27 J）[10]。

表5 焊接工艺评定拉伸试验结果

表6 焊接工艺评定弯曲试验结果

表7 焊接工艺评定冲击试验结果

按照相关标准， 焊接试件上截取小试样进行疲劳试验和CTOD 试验。 疲劳试验结果见表8， 由表8 可知， 焊缝余高对疲劳试验影响较大， 疲劳裂纹主要从焊缝接头焊趾处萌生、 起裂并穿过热影响区扩展至母材， 去除焊缝余高后， 疲劳裂纹在焊缝萌生， 并沿焊缝扩展。 CTOD 试验结果显示， 0 ℃裂纹尖端张开位移不低于0.25 mm， 裂纹没有扩展。 另外， 小试样疲劳试验结果满足材料要求， CTOD 试验结果符合＞0.2 mm 的要求[11]。因此， 该焊接工艺可行。

表8 焊接工艺评定疲劳试验结果

2.3 焊接工艺应用

采用本焊接工艺， 完成了国家863 “深水钻井隔水管系统技术研究” 项目， 开发了法兰式、快捷式两类长度15.24 m （50 ft） 的隔水管单根，全尺寸隔水管单根的疲劳试验， 并达到预期目标。

3 结 论

（1） 针对隔水管单根主管材料、 使用工况，通过对比分析的方法， 确定出适合X80 隔水管的焊接工艺和焊接材料。

（2） 通过焊接工艺评定试验， 验证了X80隔水管单根主管环缝焊接方法、 焊材、 工艺参数等焊接工艺研究的合理性。

（3） 应用该焊接工艺完成了国家863 项目“深水钻井隔水管系统技术研究” 课题， 研制开发了15.24 m （50 ft） 的两类隔水管单根主管，实践检验了该工艺的可行性。