王海晨， 丁斌福， 楊生賢， 陳曉俊

(上海船廠船舶有限公司， 上海 315211)

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鉆井船泥漿系統(tǒng)4130管材焊接工藝研究與PAUT應(yīng)用

王海晨， 丁斌福， 楊生賢， 陳曉俊

(上海船廠船舶有限公司， 上海 315211)

摘要：該文通過(guò)對(duì)鉆井船泥漿系統(tǒng)管材焊縫力學(xué)性能和焊接性進(jìn)行分析，總結(jié)出焊接工藝要點(diǎn)；通過(guò)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在鉆井船泥漿系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，指明 PAUT(相控陣超聲檢測(cè)技術(shù))具有相對(duì)方便、靈活、無(wú)輻射等技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)泥漿管焊縫應(yīng)用PAUT檢測(cè)，驗(yàn)證了4130管材焊接工藝研究的適用性，保障鉆井船泥漿管路施焊質(zhì)量的有效控制。

關(guān)鍵詞：焊接規(guī)范；熱處理組織與性能；相控陣超聲檢測(cè)；泥漿系統(tǒng)管路焊縫

0引言

鉆井船作為海洋石油勘探和開(kāi)發(fā)的主要工具，泥漿管匯系統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)是否優(yōu)良關(guān)系到核心鉆井系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。泥漿管匯的作用是傳遞、循環(huán)泥漿，其負(fù)載的泥漿液體介質(zhì)表壓區(qū)間為7 500 Psi～15 000 Psi，工作壓強(qiáng)較大，對(duì)焊縫質(zhì)量要求高。泥漿管材質(zhì)為ASTM A519 Gr4130，屬于Cr-Mo 系中碳調(diào)質(zhì)鋼，其碳當(dāng)量CEIIW高達(dá)0.73%，可焊性較差。該文通過(guò)管材焊縫力學(xué)性能和焊接性進(jìn)行分析，總結(jié)出焊接工藝要點(diǎn)；通過(guò)對(duì)泥漿管焊縫應(yīng)用PAUT檢測(cè)的技術(shù)總結(jié)，保障鉆井船泥漿管路施焊質(zhì)量有效控制，有力驗(yàn)證4130管材焊接工藝研究的適用性。

14130管材焊接工藝研究

1.1可焊性分析

試驗(yàn)所用的母材為?88.9 mm×20 mm的ASTM 4130QT鋼管，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2，其組織主要為回火索氏體。

表1　ASTM 4130鋼管的化學(xué)成分

ASTM A519Gr4130屬于Cr-Mo系中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有很高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、良好的缺口韌性。該材料含碳量與合金含量較高，由國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算：

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V/5)+(Ni+Cu/15)(1)

該材料的平均碳當(dāng)量為0.67，裂紋敏感指數(shù)Pcm為0.42，冷裂紋敏感性較高，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，且焊后不能進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，焊接時(shí)易產(chǎn)生冷裂紋和熱影響脆化、軟化，所以在制定焊接工藝時(shí)，主要從防止冷裂紋和避免軟化出發(fā)。而根據(jù)高壓泥漿管的工作環(huán)境，接頭性能必須保證其抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的能力，因此對(duì)根部焊道中的Ni、S、P的含量要求嚴(yán)格控制。

根據(jù)海洋平臺(tái)建造規(guī)范規(guī)定，需要附加沖擊韌性規(guī)定，依據(jù)NORSOK規(guī)范，制定工藝時(shí)的沖擊韌性要求定在-30℃下，最小沖擊值為42J，最高硬度為22HR。同時(shí)在進(jìn)行制定工藝時(shí)，最終的焊接接頭性能也應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最低機(jī)械性能，特別是焊后熱處理后的性能，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性、硬度等要求。

在制定工藝時(shí)，同時(shí)需要給現(xiàn)場(chǎng)施工留有一定的工藝裕度。通過(guò)以上分析及相關(guān)的試驗(yàn)對(duì)比，最終選用氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)填充和蓋面。另外通過(guò)合理的工藝參數(shù)選定，保證焊后熱處理后的機(jī)械性能。選用焊絲為AWS A5.28 ER80S-Ni1, ?2.4 mm,焊條為AWS A5.5 11018G H4, ?3.2 mm。焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表3，焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表3　焊絲的化學(xué)成分

表4　焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

1.2焊接試驗(yàn)過(guò)程

采用機(jī)械切割方法，選用鋼管若干段(長(zhǎng)度至少150 mm),開(kāi)V形坡口，圖1為接頭的坡口示意圖及焊道布置圖，坡口角度α為55°～65°，鈍邊P為0 mm～1 mm,間隙C為2 mm～4 mm。焊接位置為傾斜45°固定對(duì)接(6G)，鎢極氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)填充和蓋面。裝配時(shí)，定位焊搭橋定位，盡量避免使用根部定位，焊接方法使用氬弧焊(GTAW)，裝配工藝與正式焊接工藝參數(shù)相同，裝配預(yù)熱溫度稍高于正式焊接預(yù)熱溫度，正式焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

圖1　坡口示意圖及焊道布置圖

表5　主要焊接工藝參數(shù)

圖2　焊接接頭宏觀試樣

焊后外觀檢查合格，焊后無(wú)損檢測(cè)選用PAUT(相控陣超聲檢測(cè)技術(shù))，檢測(cè)結(jié)果良好。在破壞性試驗(yàn)中，橫向拉伸及側(cè)彎試驗(yàn)均合格，宏觀試驗(yàn)顯示焊縫金屬與母材熔合良好，無(wú)裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺陷，焊接接頭宏觀試樣如圖2所示。

硬度測(cè)試位置如圖3所示，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)硬度值均低于250 Hv(22HRC)，滿足技術(shù)要求。

圖3　硬度測(cè)試位置示意圖

對(duì)試樣進(jìn)行微觀試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材組織均為回火索氏體，焊縫組織晶粒細(xì)小沿柱狀晶分布，這種組織結(jié)構(gòu)有力的驗(yàn)證了工藝的合理性。

以上檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合美國(guó)船級(jí)社的規(guī)范要求，該焊接工藝評(píng)定獲得美國(guó)船級(jí)社資質(zhì)認(rèn)可。

1.3焊接工藝要點(diǎn)總結(jié)

焊前和每次焊道焊后嚴(yán)格清除坡口內(nèi)雜質(zhì)、焊渣等缺陷，若焊口當(dāng)天不能焊接完工，應(yīng)使用膠帶封閉保護(hù)。焊條使用前應(yīng)在350℃～400℃下烘干1 h，隨后放入100℃～150℃的焊條保溫箱內(nèi)，隨用隨取。由于材料的裂紋傾向性較大，焊接中必須使用較高的預(yù)熱及控制最高層間溫度，焊前采用氧乙炔火焰或電加熱方式對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，嚴(yán)格控制層間溫度，將預(yù)熱和層間溫度控制在180℃～250℃；根據(jù)材料的特性，焊后對(duì)接頭進(jìn)行焊后熱處理(PWHT)以進(jìn)一步完善接頭組織的性能及消除殘余應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)讓焊縫完全冷卻，溫度低于馬氏體終點(diǎn)溫度(Mf)，確保熱處理前沒(méi)有殘余奧氏體；微觀組織為回火索氏體(即緩冷卻至預(yù)熱溫度以下再進(jìn)行PWHT), PWHT溫度為610℃～630℃之間，保溫時(shí)間最低為2 h，升溫和降溫速度≤150℃/h,300℃以下不控制。

2PAUT檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

鉆井船對(duì)泥漿系統(tǒng)管壁厚均在15 mm以上，一般采用γ射線檢測(cè)居多。γ射線檢測(cè)方法具有檢測(cè)效率低、現(xiàn)場(chǎng)射線輻射大、γ射線源申請(qǐng)流程復(fù)雜等劣勢(shì)，而PAUT(相控陣超聲檢測(cè)技術(shù))則具有相對(duì)方便、靈活、無(wú)輻射等特點(diǎn)[7]。

2.1泥漿系統(tǒng)管路焊縫PAUT檢測(cè)過(guò)程

先對(duì)被檢焊縫區(qū)域表面進(jìn)行預(yù)處理，確保無(wú)飛濺、油漆、氧化皮等，使用油漆筆標(biāo)記檢測(cè)起始點(diǎn)及檢測(cè)方向，以保證檢測(cè)結(jié)果在之后缺陷定位時(shí)的可重復(fù)性。為方便被檢工件做好零位標(biāo)記，箭頭一般為逆時(shí)針?lè)较?一般逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)掃查)；調(diào)整探頭及掃查器位置，使探頭位于檢測(cè)0 點(diǎn)并能沿檢測(cè)參考線運(yùn)動(dòng)；打開(kāi)耦合水供應(yīng)裝置；點(diǎn)擊開(kāi)始檢測(cè)和移動(dòng)掃查器，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，探頭的移動(dòng)軌跡與參考線之間的誤差應(yīng)不大于±1 mm，且探頭移動(dòng)速度不大于100 mm/s；當(dāng)檢測(cè)完成后，凍結(jié)數(shù)據(jù)并評(píng)估數(shù)據(jù)的有效性；關(guān)掉水源。

2.2分析和缺陷處理

數(shù)據(jù)分析及缺陷評(píng)估方法如下：

數(shù)據(jù)分析軟件使用奧林巴斯公司的Tomoview2.10，分析界面如圖4所示。所有波幅信號(hào)超過(guò)20%參考線(16%FSH)的信號(hào)均進(jìn)行分析，以判斷其為缺陷信號(hào)或幾何結(jié)構(gòu)反射；來(lái)源于結(jié)構(gòu)表面或材料內(nèi)部晶粒顯示可判斷為幾何結(jié)構(gòu)反射[8]。這些信號(hào)不需要進(jìn)行定量及評(píng)估，但是需要記錄它的位置及波幅信息。

圖4　相控陣掃查數(shù)據(jù)分析界面

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，應(yīng)再次確認(rèn)數(shù)據(jù)的有效性，數(shù)據(jù)分析的屏幕布局應(yīng)包含A 掃描，B 掃描，C 掃描及S 掃描；焊縫覆蓋必須設(shè)置為實(shí)際的焊縫尺寸；B 掃描圖像應(yīng)被放大到合適的大小，屏幕最大顯示范圍不應(yīng)超過(guò)150 mm(這樣可以保證指針沿焊縫圖像運(yùn)動(dòng)時(shí)顯示較小的截面步進(jìn))；使用鍵盤上的箭頭鍵或鼠標(biāo)移動(dòng)指針，從S 掃描上尋找可能存在的缺陷信號(hào)，如圖5所示；將S 掃描上的角度指針移動(dòng)至缺陷顯示的中心位置，同時(shí)在A掃描中找到最高波，如圖6所示，并使用B 掃描或C掃描對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)；需要時(shí)，在S 掃描上使用6 dB 法或尖端衍射法對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)高；使用S 掃描對(duì)缺陷在焊縫截面上的位置進(jìn)行測(cè)量。

圖5　缺陷的初步確認(rèn)

圖6　缺陷最高波位置

2.3缺陷定量方法

平行于檢測(cè)面的缺陷長(zhǎng)度可以通過(guò)編碼B掃描或C掃描記錄進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)采用6 dB法在B掃描或C掃描上使用測(cè)量指針進(jìn)行；垂直于檢測(cè)面的缺陷高度可在E掃描或S掃描上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)可采用6 dB法或尖端衍射法[9]。對(duì)不同的缺陷，應(yīng)選用適合的測(cè)量方法，評(píng)為不合格的缺陷按照檢測(cè)前做好的相應(yīng)焊縫編號(hào)和零位標(biāo)記標(biāo)出缺陷位置，方便焊工按照修補(bǔ)工藝處理。

鉆井船泥漿系統(tǒng)相控陣超聲波檢測(cè)工藝已通過(guò)美國(guó)船級(jí)社的審核，PAUT具有檢測(cè)速度快、對(duì)缺陷的檢出率高、對(duì)缺陷定量定位精確等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，也存在一定的不足之處，例如：檢測(cè)設(shè)備的操作和數(shù)據(jù)判讀，對(duì)人員的要求比較高；儀器調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜，調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大。通過(guò)相關(guān)檢測(cè)培訓(xùn)，對(duì)用相控陣超聲波檢測(cè)的泥漿系統(tǒng)管路焊縫采取30%～50%射線檢測(cè)覆蓋、復(fù)核，一定程度上保障PAUT檢測(cè)的有效性，相控陣超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6　相控陣超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)表(部分)

3結(jié)語(yǔ)

在1 500 m作業(yè)水深鉆井船建造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)泥漿系統(tǒng)焊接工藝研究和焊縫相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用，總結(jié)出焊接工藝要點(diǎn)，同時(shí)，利用檢測(cè)信息大數(shù)據(jù)的積累、采集和研究，促進(jìn)相控陣超聲波檢測(cè)在焊縫檢測(cè)應(yīng)用范圍的逐步擴(kuò)展，保障鉆井船泥漿管路施焊質(zhì)量有效控制。

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Welding Technology Research and PAUT Application of 4130 pipe for Drilling Mud System

WANG Hai-chen, DING Bin-fu, YANG Sheng-xian, CHEN Xiao-jun

(Shanghai Shipyard Shipping Co., Ltd, Shanghai 315211)

Abstract：The purpose of this paper is to summarize welding procedure by analysis the mechanical properties and welding properties of ASTM A519 Gr 4130 pipe in the system of mud.It is also generalizing that technical characteristic of PAUT(Phased Array Ultrasonic Test) for mud system in drilling vessel in which set forth and point out that PAUT is convenient, agility, no radiation and so on other technical characteristic. It is intending to improve it that carry out PAUT in weld seam of mud pipe, meanwhile, the accumulation , collection and research of test information data is used for promoting PAUT is widely increasing application range and extending for the welding procedure and PAUT to marine project in company.

Keywords：drilling vessel; welding specification；heat treatment；microstructures and properties；PAUT(Phased Array Ultrasonic Test)； pipe weld seam in the system of mud

中圖分類號(hào):U692

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2016)02-0090-06

作者簡(jiǎn)介：王海晨(1969-)，男，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-09-16