肖 虎，付 堃，李曉康，張林森，張小龍

(寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)①

鉆井隔水管是深海油氣鉆井作業(yè)中連通水下防噴器組(BOP)和海面鉆井平臺(船)的通道[1]。隔水管單根是隔水管系統(tǒng)的主要零部件，主要由主管(由主管管體及法蘭接頭全熔透焊接而成)、節(jié)流/壓井管線、輔助管線、支架與調(diào)節(jié)螺母等組成[2-3]。由于隔水管單根主管體焊縫處于隔水管系統(tǒng)主承載路徑上，受到浪涌、渦激振動、深水壓力、洋流環(huán)境及海水腐蝕等因素的影響，復雜多變的服役條件要求其環(huán)焊縫具有高強度及長疲勞壽命[4-5]。選擇合理的接頭形式、焊接方法、焊接材料及焊接參數(shù)，才能獲得良好的焊接質(zhì)量[6]。筆者針對隔水管使用工況、結(jié)構特點以及全尺寸疲勞試樣尺寸要求[7]，研制了隔水管環(huán)焊縫組焊試驗裝置，旨在探索最佳的接頭坡口尺寸及不同材料下最優(yōu)的焊接工藝，確保其在深水海洋環(huán)境下隔水管的安全性和可靠性。

a 主視圖

b 側(cè)視圖

1 結(jié)構功能

1.1 總體方案

試驗裝置主要由頭部變位機、輪式從動變位機、輪式主動變位機、尾部變位機、外焊操作機、內(nèi)焊操作機(位于頭部變位機端部)、變位機軌道、焊機軌道以及焊接設備等組成，如圖1所示。變位機軌道與焊機軌道并行布置。

1.2 試驗裝置功能

1) 法蘭接頭水平位置裝夾后翻轉(zhuǎn)至豎直位置，完成與主管體的組對后，保證兩端法蘭接頭上的安裝孔同軸。

2) 輪式變位機與頭尾變位機同步旋轉(zhuǎn)，配合外(內(nèi))焊操作機完成環(huán)焊縫的焊接。

3) 能夠完成多種方法的焊接試驗，實現(xiàn)焊接工藝的研究及焊接參數(shù)的優(yōu)化。

1.3 主要技術參數(shù)

焊接管徑 ≤610 mm

內(nèi)焊深度 ≤6 000 mm

工件長度 2 000～12 000 mm

焊接方法 MIG焊、熱絲TIG焊、埋弧焊

2 關鍵技術

2.1 輪式變位機

輪式主動變位機結(jié)構如圖2所示，主要由上下齒面導軌、壓緊機構、鎖緊機構、開合臂、電液推桿、支座及伺服電機等組成，主要完成對管體的夾持和變位。變位機采用半開口結(jié)構，上導軌可通過電液推桿打開，管體安裝后通過壓緊機構壓緊，合攏后通過鎖緊機構鎖緊上導軌；由伺服電機驅(qū)動精密減速機帶動齒輪副完成齒面導軌的旋轉(zhuǎn)，從而帶動管體旋轉(zhuǎn)。輪式從動變位機與輪式主動變位機的結(jié)構相似，導軌為光面設計。

1—齒面下導軌；2—鎖緊機構；3—齒面上導軌；4—壓緊機構；5—開合臂；6—電液推桿；7—支座。

2.2 頭尾變位機

頭尾變位機結(jié)構如圖3所示，主要由翻轉(zhuǎn)機構、頂緊機構、回轉(zhuǎn)機構、定位機構和行走機構等組成。翻轉(zhuǎn)機構采用交流變頻制動電機驅(qū)動扇形齒輪帶動工作臺實現(xiàn)0～90°的翻轉(zhuǎn)運動；回轉(zhuǎn)機構采用伺服電機驅(qū)動，可與輪式變位機保持同步。必要時通過電磁離合器失電斷開，轉(zhuǎn)為從動工作方式?；剞D(zhuǎn)盤上設有法蘭安裝孔輔助定位裝置，定位機構用于回轉(zhuǎn)機構的圓周定位，多措施保證法蘭接頭上的安裝孔同軸；行走機構通過變頻制動電機驅(qū)動及軌道齒條嚙合，實現(xiàn)在軌道上的直線移動。

1—翻轉(zhuǎn)機構；2—頂緊機構；3—回轉(zhuǎn)機構；4—定位機構；5—行走機構。

2.3 焊接操作機

外焊操作機由立柱、雙橫臂、回轉(zhuǎn)機構及行走機構等組成。雙橫臂攜帶有MIG焊、熱絲TIG焊及埋弧焊機頭，通過滑動座架與立柱導軌相連。采用制動減速電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)橫臂升降，采用滑動座架上的步進電機+精密減速機及橫臂齒條嚙合，實現(xiàn)橫臂水平移動。

內(nèi)焊操作機通過橫臂的伸縮及行走機構的運動，實現(xiàn)長行程焊接，具有占地面積小的特點。橫臂前端攜帶有熱絲TIG焊接機頭，實現(xiàn)焊縫內(nèi)部打底焊接。機頭前端帶攝像裝置，實現(xiàn)內(nèi)視功能。

2.4 焊接方法多樣化

與傳統(tǒng)TIG焊相比，熱絲TIG焊不僅加快了焊絲的熔化速度，提高了熔敷效率，并且調(diào)整了熔池的熱輸入量，降低了母材的稀釋率，具有高速高效的焊接特點[8]。

該試驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)MIG焊、熱絲TIG外(內(nèi))焊、埋弧焊以及組合式焊接方法，可以針對隔水管單根主管進行多種焊接方法的研究以及焊接工藝的優(yōu)化，同時能夠完成類似產(chǎn)品的焊接，應用范圍廣泛。

2.5 焊道跟蹤功能設計

橢圓度和直線度好、壁厚和管徑誤差小的鋼管是隔水管焊縫質(zhì)量和疲勞壽命的重要保障[9]。由于鋼管存在幾何尺寸的偏差，為減小其對焊接質(zhì)量的影響，熱絲TIG焊機頭配備了AVC跟蹤系統(tǒng)(跟蹤精度±0.1 V)，通過弧壓反饋，弧長控制器控制焊槍適時調(diào)整，準確控制電弧電壓，從而保證焊接質(zhì)量[10]。MIG焊機頭配備了機械式跟蹤裝置，可精確實現(xiàn)焊道的上下、左右兩維跟蹤。

3 試驗及應用

該組焊試驗裝置(如圖4)于2014年完成安裝，并完成了熱絲TIG焊接、熱絲TIG打底焊接+埋弧焊接等方法的試件試制，焊縫經(jīng)表面磁粉探傷和內(nèi)部射線探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷；在全尺寸疲勞試驗中，焊縫經(jīng)受住了上百萬次的疲勞加載試驗，焊接接頭未出現(xiàn)疲勞裂紋。試驗結(jié)果表明，研制的組焊試驗裝置能夠滿足隔水管環(huán)焊縫的試驗研究需要。

圖4 隔水管環(huán)焊縫組焊試驗裝置現(xiàn)場示意

利用該組焊試驗裝置，經(jīng)過多次試驗及優(yōu)化，得到隔水管主管最佳接頭坡口尺寸[11-12](如圖5)，并形成了X80-X80、X80-X80J、X80-30CrMoA、X80-4130等材料的熱絲TIG打底焊接+埋弧焊填充、蓋面焊接的組合式焊接工藝規(guī)程。

圖5 接頭坡口尺寸示意

4 結(jié)論

1) 隔水管環(huán)焊縫組焊試驗裝置解決了大型管件組對難度大、焊縫質(zhì)量難于控制的問題。

2) 組焊試驗裝置有助于隔水管材料的焊接工藝研究，推進隔水管國產(chǎn)化進程。同時也適用于其他類似產(chǎn)品的組焊生產(chǎn)。