深海臍帶纜超級雙相不銹鋼盤管的研制

杜興吉,王 坤,夏正文,沈 赟

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

0 引 言

臍帶纜一般由電纜、光纖、輸送化學制劑和液壓流體的鋼管、外部保護層（鋼管和復合材料）等組成，短則幾百米，長則上萬米。主要用于輸送化學制劑、液壓流體、電及信號等，是海洋油氣生產系統的生命線。一旦臍帶纜受到損壞將會給整個系統帶來巨大的影響，而臍帶纜內部部件的損壞將會使通信中斷并影響整個生產系統的控制。

深海臍帶纜由許多管組成。通常最里面的管（內管）為液壓流體輸送管，內管和外部保護層（外管）之間為電纜和光纖。臍帶纜中的鋼管一般是S32750（SAF2507）超級雙相不銹鋼管，規格為φ6.3~φ50.8 mm，S32750不銹鋼的最小屈服強度是550 MPa，抗拉強度800～1 000 MPa。在制造臍帶纜前首先需要將每根十幾米的無縫鋼管對焊后盤成一卷，每卷長度一般幾千米，最長20多千米，以便運輸到電纜生產廠家。

臍帶纜一旦安裝在水下，有時深達2 000多米，這些臍帶纜維修困難，因此其質量尤為重要。長期以來，我國使用的臍帶纜全部依賴進口，對這一產品的關鍵技術研究尚屬空白，且不具備臍帶纜系統設計、分析和制造等能力，這些都在一定程度上制約了我國深海油氣田的開發。我國在臍帶纜鋼管的生產、設計和制造上也尚屬空白。本研究將填補我國臍帶纜超級雙相不銹鋼盤管生產的空白，替代進口。

1 不銹鋼盤管生產線基本要求

深海臍帶纜超級雙相不銹鋼盤管生產線必須滿足以下基本要求：產品表面無缺陷；質量穩定；整卷性能一致；便于儲存、運輸和開卷的緊湊式均勻卷取技術，并具有一定的生產能力、較高的生產效率以及靈活性。

因此高的生產效率必須與較大的生產靈活性相結合，以減少維修和換輥所引起的停車時間。另外，無表面缺陷產品也是盤卷生產中一項必不可少的基本條件。

2 生產線主要組成

深海臍帶纜超級雙相不銹鋼盤管生產線主要由管-管全位置對焊裝置、拋光裝置、X射線平板數字成像檢測裝置、收卷裝置、水壓試驗裝置等組成。

2.1 管-管對焊機構

由于臍帶纜鋼管在深海下使用，且工作條件復雜，因此，對其焊接接頭質量要求非常嚴格。在實際生產中焊接缺陷將嚴重影響盤管性能，尤其是降低疲勞壽命。

兩根鋼管的對接，由于兩端的鋼管都有數十米長，而且鋼管的一頭連著盤管機，所以焊接過程中管子不能轉動，須靠焊頭帶動鎢極的旋轉來實現全位置焊接。對于這類高精度和高要求的鋼管焊接設備基本都是從德國、法國和美國等國家進口。管-管焊接具有以下特殊性：①全位置焊接，對兩管端校直、管口整圓以及對中等焊接前工作要求很高，對工裝的要求很高；②管-管焊接無論從焊接精度、焊接性能上都要求很高，屬于精密焊接；③焊接工藝復雜，對焊接操作技術要求高。

2.1.1 精密組對夾具

管子對接組對時，兩端應平齊，無間隙，錯邊量不宜超過管壁厚度的10%，且控制在±0.2 mm。為降低應力，對中時應盡可能使對焊兩管處于自由狀態，嚴禁在管子拉應力狀態時對中固定。

從工藝角度看，對焊焊件的要求通常以沿軸線全長的直線度、焊縫處的圓度、錯邊等要素來評價。通常焊件軸線的直線度是最基本的要求，由對焊兩管件的同軸度來實現，裝配所能達到的同軸度決定了焊件軸線所能達到的直線度和焊前加工尺寸在焊后的同軸度。因此裝夾系統必須在定位夾緊時保證相應的位置公差—同軸度。

對于全位置管道焊接而言，工件的組對精度對焊縫質量的穩定性起著決定性作用。全位置管道自動焊要保證焊接工藝的重現性，焊接組對是焊前準備工作中最關鍵的環節。不銹鋼管的品質對對接焊質量的影響主要表現為：①管子壁厚誤差和管徑誤差應分別嚴格控制在標準允許范圍之內。壁厚誤差和管徑誤差的大小影響管子的組對精度，誤差過大，管子組對時的錯邊量也大，從而影響焊接質量。②管子的直線度。管子切割后應進行斷面加工，并采用專用工具去除毛刺。在對管口兩側適當范圍內的管壁內外表面清理后進行組對。

在試驗中，主要出現的缺陷有焊偏、錯邊及未熔合等。究其原因，主要是組對裝夾的問題。由于管子壁薄，外徑小，接口處很窄，對中很難保證。所以，在焊接小管徑鋼管時必須設計一套專門的高精度工裝夾具以保證對中。

2.1.2 全位置焊機

對于直徑5～58 mm，壁厚≤1.5 mm的薄壁鋼管之間的對焊，一般采用密封式機頭。但為了焊縫的良好成型，臍帶纜鋼管對接焊一般采用加絲的開放式全位置TIG焊機，使焊縫可獲得幾乎均勻無異的成形和接頭質量。與手工氬弧焊相比，減少了許多人為因素，保證了焊接接頭質量的穩定性。

焊接試驗設備為法國寶利蘇迪全位置焊管機，主要組成部分包括：PS164-2便攜式電源、MUIV8/38P焊接機頭 （適用φ8～φ38 mm鋼管）和Polyfil-3送絲機等。內置保存有60個預置程序，基本涵蓋了常用的多種不同材料、不同管徑和厚度焊管的焊接應用。可通過內置打印機打印出焊接實時參數，可通過內部存儲器或存儲卡存儲程序，并可通過遙控器直接調用內存中的16個程序，從而大大降低了對操作人員的技術要求，保證了焊縫質量。

全位置自動焊接機頭上的鎢極在齒條的驅動下沿管子外壁連續旋轉，從而實現全位置自動焊接。通過對各焊接工藝參數的優化配置，可獲得非常理想的薄壁不銹鋼管件焊縫質量和外觀成形。

2.2 拋光裝置

由于對焊后可能出現焊縫余高過高、過寬或有不清晰回波產生的地方，應對其進行修磨，使之滿足檢驗的要求。

拋光裝置有升降功能，以便鋼管直徑不同時，調整拋光裝置的中心線高度。對焊縫進行拋光時，左右夾緊裝置夾緊鋼管。

砂帶行星系統在鋼管對接焊縫表面進行360°精確拋光且鋼管本身不能旋轉 （鋼管一端連著盤管裝置），拋光帶運轉直線速度為8～25 m/s，拋光區域寬約20 mm。拋光后緊貼鋼管的砂帶 （大圓盤）都停在一個固定的位置，然后使砂帶離開鋼管約20～30 mm，使砂帶遠離鋼管，這樣可以避免鋼管向前輸送進行盤管時被砂帶損傷表面。

2.3 X射線平板數字成像檢測裝置

數字平板X射線實時成像檢測裝置的鉛房內裝有環繞式檢測裝置，對鋼管的對接焊縫進行高效率的X射線實時成像檢測。X射線檢測鉛房由X射線探傷機、數字平板、防護鉛板和機械檢測平臺組成。

X射線管安裝在可繞鋼管中心線旋轉的行程300°的環形運動裝置上。在盤管機盤卷過程中，當環焊縫傳送進入檢測鉛房，置于檢測平臺時，使X射線焦點、被檢環焊縫和平板探測器中心處于同一直線上。

X射線穿透被檢工件后被平板探測器吸收轉換成數字信號，輸入計算機中完成圖像顯示，并且存儲在計算機硬盤中。檢測人員利用計算機提供的先進的圖像處理手段和圖像測量工具對缺陷的性質、大小、位置等信息做定性、定量判定，并對焊縫質量進行評定，自動生成可打印輸出的檢測報告。

經檢測的焊縫合格后，由操作人員通知收線機進行盤卷。

2.4 牽引機構

為了使鋼管盤卷整齊、緊湊，應該使鋼管盤管過程中張力恒定并接近0，防止被拉斷或松馳。

系統在聯動控制狀態下，牽引機和盤卷機的運行速度能夠根據生產工藝要求進行自動調整，以達到張力很小并恒定，從而穩定生產的目的。

離合器采用磁粉離合器，能方便快捷地進行離合操作，斷電時為脫開狀態，通電時磁粉離合器可以通過PLC預先設定值傳遞扭矩，當鋼管承受載荷超過設定扭矩時，磁粉離合器將自動打滑保護鋼管；當鋼管承受載荷小于設定扭矩時，磁粉離合器將自動吸合繼續進行鋼管收放動作，從而實現鋼管的張力保護控制。

2.5 盤卷機構

卷筒是鋼管的儲運設備，用以均勻地纏繞鋼管。它由筒芯和邊凸緣組成，是焊接的鋼結構。卷筒采用電機驅動形式，通過鏈條傳動驅動卷筒正反轉，使鋼管保持一定的拉力，使其緊繞在卷筒上。

卷筒所能纏繞鋼管的長度和直徑的大小，主要取決于卷筒的外徑、寬度和筒芯的直徑。例如，對于φ12.7 mm的鋼管，若纏繞在筒芯直徑1.5 m、卷筒外徑2.5 m、寬度1.5 m的卷筒上，可卷長度達20 km以上。

工字輪式卷取機組，工字輪的邊緣部分沿圓周方向有一錐形通孔，錐形通孔的小端直徑應大于最大的鋼管直徑，用于容納鋼管的初始端。

把鋼管的初始端插入收線機的工字輪的邊緣部分的錐形通孔中，使得在工字輪旋轉過程中可以自動支撐初始端。整個卷取工藝采用智能控制系統進行控制，特別用于監控鋼管在工字輪式卷取轉筒上一層層整齊卷取，直至盤卷卷取結束。

龍門行走式盤管機具有自動排線功能，其下裝有導軌，在文本顯示器中輸入鋼管的直徑，每盤好一圈，龍門行走式盤管機就會在盤管機導軌上移動相應的距離，以保證盤管排列整齊。

收盤機為卷取張力調節系統，卷盤的自動排線系統采用線速度、卷徑、線徑作為變量控制電機。電機經減速器減速，減速器輸出端與離合器輸入端聯接，離合器輸出端與鏈輪傳動裝置聯接。

2.6 水壓試驗裝置

需要將盤完的盤管放入試壓房中，用水壓試驗裝置進行最高100 MPa的水壓試驗。

在封閉的試壓房中，首先排盡盤管里面空氣并注滿水，封住盤管的兩端管口后進行增壓，管內壓力達到設定值后封閉增壓口，進行靜態保壓，在規定時間內壓降小于允許值 （或壓降為零），則盤管合格。

如壓降大于允許值，則盤管要進行氣密試驗，找出泄漏點并進行修補。氣密試驗時，將不合格盤管放到放線機上，將盤管兩頭密封并充氣，在牽引機的作用下經矯直機矯直后，通過氣密試驗水箱找到不合格處，并加以處理，然后用龍門行走式盤管機進行重新盤管。修補后再進行水壓試驗，直至壓降符合要求。

3 實際應用及結論

在所研制的深海臍帶纜超級雙相不銹鋼盤管生產線上進行了多次試驗，試驗采用S32750（SAF2507）超級雙相不銹鋼管，規格為φ14.7 mm×1 mm，直管長度12 m；用幾十根鋼管經對焊、拋光、檢測等多道工序盤成幾百米長的盤管。

質量控制程序證明，所有測試的卷取盤卷的力學性能完全符合ISO 13628-5—2009等有關標準要求，所研制的生產線能夠滿足生產的需要。

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