鄭家勝， 彭 靜， 王學(xué)琴， 葛 蘭， 張俊泰

（1. 安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院， 合肥230051； 2. 合肥紫金鋼管股份有限公司， 合肥230051）

1 概 述

海洋是人類賴以生存的“第二疆土”[1]。 海洋的礦產(chǎn)資源豐富， 進(jìn)入21 世紀(jì)， 中國(guó)提出 “建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)” 的戰(zhàn)略目標(biāo)， 大力推進(jìn)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的研究[2]。 海洋平臺(tái)是勘探開(kāi)發(fā)海洋油氣資源的主要工程裝備， 樁管作為海洋平臺(tái)的基礎(chǔ)組成部分尤為重要。 隨著海洋戰(zhàn)略的逐步實(shí)施， 海洋平臺(tái)數(shù)量逐漸增多， 規(guī)模逐漸增大， 樁管的技術(shù)要求也越來(lái)越高， 外徑提高至10～15 m， 壁厚也逐漸達(dá)到30 mm 以上。 單節(jié)樁管的外徑超過(guò)10 m， 增加了生產(chǎn)難度， 提高了成本， 降低了生產(chǎn)效率。

外徑超過(guò)10 m 的樁管徑厚比較大， 制造過(guò)程中由于自身重量易導(dǎo)致變形坍塌， 尺寸精度較難控制， 存在橢圓度數(shù)值超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、 焊接對(duì)接錯(cuò)邊量較大等問(wèn)題。 同時(shí)過(guò)大的外徑， 導(dǎo)致輔助工作量大、 組對(duì)難度大、 環(huán)向旋轉(zhuǎn)焊接工時(shí)過(guò)長(zhǎng)、 焊接效率低、 無(wú)損檢測(cè)難度大和效率低、 焊縫合格率偏低， 這些問(wèn)題都亟待解決。

本研究設(shè)計(jì)了一種新型、 高效并適用于外徑10 m 以上超大直徑海洋樁管的制造和檢測(cè)技術(shù)，具體制造流程如圖1 所示， 以下將從制造、 檢測(cè)和試驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)工序進(jìn)行分析闡述。

圖1 超大直徑海洋樁管制造工藝流程

2 超大直徑海洋樁管制造技術(shù)

2.1 鋼板拼接及坡口加工

本研究采用的是超大直徑海洋樁管， 外徑≥10 000 mm， 公稱壁厚≥30 mm， 樁管周向展開(kāi)后， 鋼板長(zhǎng)度大于30 m， 由于物流運(yùn)輸以及起吊能力的限制， 通常單張軋制鋼板長(zhǎng)度不超過(guò)15 m， 故用于制造超大直徑樁管的鋼板通常需要進(jìn)行分段采購(gòu)， 然后翻板拼接并加工焊接坡口。

首先進(jìn)行鋼板拼接， 加工縱向焊接坡口，采用CO2氣體保護(hù)焊打底＋埋弧焊填充蓋面工藝， 單面焊接完成后進(jìn)行翻板， 翻板用工裝如圖2 所示。 翻板后， 縱向焊縫進(jìn)行碳弧氣刨清根處理， 打磨去除滲碳層后進(jìn)行反面埋弧焊焊接， 保證焊縫全熔透， 無(wú)損檢測(cè)合格后方可進(jìn)行卷制成型， 避免卷制過(guò)程中產(chǎn)生缺陷或者缺陷放大。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)鋼板翻板工裝

通過(guò)縱向焊接將多張鋼板拼接完成后， 沿著鋼板的長(zhǎng)度方向（即樁管的環(huán)向焊縫） 加工環(huán)向焊接坡口。 為防止幾何尺寸偏差導(dǎo)致的樁管徑向錯(cuò)邊， 本步驟需控制鋼板對(duì)角線偏差在±5 mm范圍內(nèi)， 從而保證尺寸精度。

2.2 單節(jié)樁管的卷制

拼板完成后進(jìn)行單節(jié)樁管的卷制， 超大直徑樁管三輥卷制時(shí)， 容易發(fā)生坍塌變形， 造成側(cè)翻， 存在安全風(fēng)險(xiǎn)， 且由于其徑厚比過(guò)大，卷制完成后， 由于樁管自重而易形成橢圓形，圓度尺寸嚴(yán)重超標(biāo)， 變形情況如圖3 所示。300 mm 調(diào)整為鋼膠組合Φ750 mm×800 mm，以增加摩擦力， 保證筒節(jié)旋轉(zhuǎn)流暢， 也可避免卷制時(shí)鋼制旋轉(zhuǎn)輥對(duì)樁管表面造成損傷。

圖3 單節(jié)樁管自重受力分析示意圖

本研究結(jié)合理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐， 自行研究和制作了專門的工裝， 工裝由頂撐和側(cè)撐兩部分組成， 各支撐位置可以調(diào)節(jié)， 頂撐和側(cè)撐輔助卷制， 在保證安全的前提下， 使得樁管的卷制加工精度滿足要求， 頂撐與側(cè)撐的輔助卷制過(guò)程及現(xiàn)場(chǎng)照片分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 頂撐與側(cè)撐卷制過(guò)程示意圖

圖5 卷制頂撐與側(cè)撐現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 縱縫焊接

傳統(tǒng)卷制鋼管常用單面V 形坡口[3]， 本研究縱縫焊接采用帶鈍邊的 “內(nèi)大外小” 的X 形坡口，此種類型坡口可減少焊材用量， 同時(shí)提高工作效率， 結(jié)合合理的焊道布置可以優(yōu)化焊接應(yīng)力的分布， 具體的焊接坡口和焊接層道分別如圖6 和圖7所示。

圖6 縱縫X 形坡口示意圖

圖7 縱縫X 形坡口焊道分布圖

焊前預(yù)熱及控制層間溫度是預(yù)防焊接裂紋產(chǎn)生的有效辦法[4-5]。 縱縫的焊接工藝為CO2氣體保護(hù)焊打底， 內(nèi)焊采用單絲埋弧焊， 從外焊部位清根， 然后進(jìn)行外焊的填充和蓋面， 整個(gè)焊接過(guò)程嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度在150～200 ℃之間， 控制層間溫度不低于150 ℃， 防止由于壁厚大、 線能量過(guò)大等導(dǎo)致的焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

外焊焊接操作高空作業(yè)時(shí)， 作業(yè)高度高于10 m， 為了焊接和組對(duì)超大直徑海洋樁管， 需根據(jù)自身特點(diǎn)研究制造相應(yīng)的焊接平臺(tái)， 外焊采用專用的焊接平臺(tái)如圖8 所示， 該平臺(tái)可降低操作的安全風(fēng)險(xiǎn)， 提高焊接效率。 表1 是材質(zhì)為Q355ND[6]、 規(guī)格為Φ10 000 mm×30 mm 海洋樁管的工藝評(píng)定焊接參數(shù)， 焊接工藝評(píng)定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47014—2011[7]。

圖8 超大直徑海洋樁管專用焊接平臺(tái)示意圖

表1 Q355ND 超大直徑海洋樁管焊接參數(shù)

續(xù)表

2.4 單節(jié)樁管支撐加裝

超大直徑海洋樁管組對(duì)和焊接完成后， 從焊接工裝上轉(zhuǎn)運(yùn)， 由于自重易導(dǎo)致變形， 為保證尺寸精度需加裝支撐， 傳統(tǒng)的“十字撐” 和“米字撐” 無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)使用， 經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試驗(yàn)證及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)， 在每節(jié)樁管的兩端加裝 “井字形” 支撐， 內(nèi)表面增加周向加強(qiáng)圈并配以肋板， 以保證安全和尺寸精度， 安裝位置如圖9 所示。

圖9 單節(jié)樁管支撐和加強(qiáng)示意圖

2.5 筒節(jié)組對(duì)以及環(huán)縫焊接

筒節(jié)組對(duì)過(guò)程中使用的工裝， 是在傳統(tǒng)的焊接平臺(tái)上增加了側(cè)邊抱臂支撐， 該裝置能夠在筒節(jié)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中有效控制筒節(jié)變形， 防止側(cè)翻。

環(huán)縫焊接時(shí)， 采用多個(gè)環(huán)縫工位同步平行進(jìn)行埋弧焊接操作， 保證生產(chǎn)節(jié)奏一致， 多工位同時(shí)作業(yè)， 6 節(jié)筒體焊接時(shí)間由12 天縮短至2 天，效率提高了6 倍， 大幅增加了產(chǎn)能。 環(huán)縫的焊接坡口及焊材工藝與本研究縱縫焊接工藝一致。

2.6 樁管的轉(zhuǎn)運(yùn)

本研究所述的樁管直徑和質(zhì)量均非常大，行車調(diào)運(yùn)需要多臺(tái)配合， 而且吊運(yùn)過(guò)程中會(huì)對(duì)樁管的尺寸產(chǎn)生較大影響， 無(wú)法復(fù)原， 因此轉(zhuǎn)運(yùn)采用聯(lián)合軸線車（即模塊小車） 進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)， 既提高了轉(zhuǎn)運(yùn)效率， 也方便場(chǎng)地流轉(zhuǎn)。

3 超大直徑海洋樁管的檢測(cè)

3.1 無(wú)損檢測(cè)

超大直徑海洋樁管的壁厚一般在30 mm 以上， 通常焊接完成后應(yīng)立即對(duì)焊縫進(jìn)行保溫緩冷， 放置24 h 后進(jìn)行首次無(wú)損檢測(cè)， 48 h 后進(jìn)行復(fù)檢， 72 h 后進(jìn)行抽檢。 通過(guò)焊前預(yù)熱和焊后保溫預(yù)防裂紋的產(chǎn)生， 通過(guò)焊后不同時(shí)間段的無(wú)損檢測(cè)， 最大限度降低裂紋的漏檢率。

無(wú)損檢測(cè)執(zhí)行NB/T 47013—2015 標(biāo)準(zhǔn)[8]， 檢測(cè)方法通常為目視檢測(cè)后進(jìn)行100%的磁粉檢測(cè)和100%的超聲波檢測(cè)。 如需返修， 缺陷清除和打磨后的表面需進(jìn)行磁粉檢測(cè)， 確保缺陷徹底清除， 才能進(jìn)行返修焊接， 焊接后仍需進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)有爭(zhēng)議的缺陷時(shí)， 應(yīng)盡可能的采用相控陣檢測(cè)技術(shù)和TOFD 的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)， 確保危害性缺陷必返修， 在保證焊縫質(zhì)量的前提下， 提高檢測(cè)效率。

3.2 力學(xué)性能檢測(cè)

超大直徑海洋樁管的理化性能試驗(yàn)通過(guò)縱向焊縫搭接試板進(jìn)行， 無(wú)損檢測(cè)合格后， 按照NB/T 47014—2011 規(guī)范要求對(duì)焊接試板進(jìn)行機(jī)械切割取加工試樣， 分別進(jìn)行焊縫化學(xué)分析、 橫向拉伸試驗(yàn)、 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

3.2.1 化學(xué)分析

選用SPECTRO MAXX 立式直讀光譜儀對(duì)樁管的焊縫進(jìn)行化學(xué)分析， 結(jié)果見(jiàn)表2。 焊縫的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)明確規(guī)定， 通常要求焊縫與母材化學(xué)成分相近即可， 通過(guò)試驗(yàn)分析可得焊縫化學(xué)成分與母材化學(xué)成分相近， 焊材匹配滿足要求。

表2 Q355ND 超大直徑海洋樁管焊縫化學(xué)成分

3.2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)是檢驗(yàn)材料力學(xué)性能的一種最重要、最有效和最常用的方法[10]。 按照NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 焊縫的抗拉強(qiáng)度不得低于母材的最小抗拉強(qiáng)度（470 MPa）， 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Q355ND 超大直徑海洋樁管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)是評(píng)定焊接接頭焊接質(zhì)量的手段[11]，按照NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)， 壁厚≥10 mm時(shí)， 可以采用4 個(gè)側(cè)彎代替面彎和背彎試驗(yàn)。沿厚度方向截取4 個(gè)試樣， 進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)， 彎軸直徑40 mm， 彎曲角度180°， 合格指標(biāo)為彎曲到規(guī)定角度后， 拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)， 沿任何方向不得有單條長(zhǎng)度大于3 mm 的開(kāi)口缺陷， 試樣的棱角開(kāi)口缺陷一般不計(jì)， 但未熔合、 夾渣或者其他內(nèi)部缺陷引起的棱角開(kāi)口缺陷長(zhǎng)度應(yīng)計(jì)入。 試驗(yàn)結(jié)果顯示4 個(gè)側(cè)彎試樣全部合格。

3.2.4 沖擊試驗(yàn)

夏比沖擊試驗(yàn)是一種常用的評(píng)定金屬材料韌性的試驗(yàn)方法， 同時(shí)也是焊接工藝評(píng)定過(guò)程中一項(xiàng)重要的破壞性試驗(yàn)[12]。 根據(jù)NB/T 47014—2011 對(duì)焊縫中心、 熔合線進(jìn)行沖擊試驗(yàn)， 采用夏比V 形缺口試樣， 試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm ， 試驗(yàn)溫度-20 ℃。 焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊性能參照鋼板沖擊要求， 最小沖擊功≥27 J， 試驗(yàn)結(jié)果符合要求， 沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 Q355ND 超大直徑海洋樁管沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1） 通過(guò)設(shè)計(jì)專用工裝， 提升了翻板的安全性和效率； 將傳統(tǒng)三輥卷板機(jī)鋼制旋轉(zhuǎn)輥調(diào)整為鋼膠組合并增大其尺寸， 增加了卷制流暢性， 同時(shí)減小對(duì)樁管表面的損傷； 自行研制包含可輔助卷制的頂撐和側(cè)撐的卷制工裝， 在保證安全的前提下， 使外徑≥10 000 mm， 公稱壁厚≥30 mm 的超大直徑海洋樁管卷制尺寸精度滿足要求。

（2） 采用帶鈍邊的 “內(nèi)大外小” 的X 形坡口， 通過(guò)嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度和層間溫度，控制焊接線能量防止冷裂紋產(chǎn)生； 專門設(shè)計(jì)可升降的高空焊接作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行多工位同步焊接作業(yè)， 降低操作風(fēng)險(xiǎn)， 提升焊接效率； 焊后緊急保溫緩冷， 多時(shí)段、 多方法無(wú)損檢測(cè)， 最大限度降低裂紋的漏檢率。

（3） 本研究制造的超大直徑海洋樁管， 其理化性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證， 該制造技術(shù)能夠降低生產(chǎn)制造成本、 提升效率， 并為海洋工程樁管制造提供參考。