海洋鉆井隔水管環(huán)焊焊接工藝的研究

孫 博，李唐都，李月新，王洪川，張有鋒

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000）

海洋鉆井隔水管環(huán)焊焊接工藝的研究

孫 博，李唐都，李月新，王洪川，張有鋒

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000）

為了提高海洋鉆井隔水管環(huán)焊焊接質(zhì)量和效率，以4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管為研究對象，制作了焊接試樣，制定了環(huán)焊焊接工藝規(guī)范，并進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，最后對焊接試樣進(jìn)行了力學(xué)性能和無損檢測。通過檢測發(fā)現(xiàn)，采用該焊接規(guī)范所焊4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接接頭的力學(xué)性能達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，宏觀腐蝕觀察結(jié)果合格，MT和UT探傷也未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。結(jié)果表明制定的焊接規(guī)范合理可行。

隔水管；焊接；海洋鉆井；4130調(diào)質(zhì)鋼；環(huán)焊；焊接工藝

Abstract:In order to improve the welding quality and welding efficiency of marine drilling riser pipe circumferential welding,with 4130 quenched and tempered steel riser pipe as the research object,produced the welding specimen,formulated the welding process specification of circumferential welding,and carried out welding procedure test,finally conducted the mechanical properties test and nondestructive tests for welding specimen.The results showed that adopting this welding process to weld 4130 quenched and tempered steel riser pipe,the mechanical properties of welded joint can reach the requirements of related standards,the observation results of macro corrosion was qualified,exceeding standard defects didn’t be found through MT and UT,so the formulated welding specification was reasonable.

Key words:riser pipe;welding;marine drilling;4130 quenched and tempered steel;circumferential welding;welding process

目前，國際上眾多石油公司已將開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至深水領(lǐng)域，海洋鉆井隔水管系統(tǒng)是浮式海洋鉆井平臺的關(guān)鍵設(shè)備之一，其成熟技術(shù)目前僅掌握在美國、挪威、日本等國。我國對海洋鉆井隔水管的研究開發(fā)僅處于起步階段，因此開發(fā)隔水管具有重要戰(zhàn)略意義及廣闊市場前景。

隔水管主要功能是提供泥漿循環(huán)通道，支撐輔助管線（如節(jié)流壓井管線、泥漿增壓管線、液壓管線等），懸掛安裝BOP，導(dǎo)向鉆桿、鉆井工具下入海底井口。目前寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司已成功研發(fā)出H級、E級具備自主產(chǎn)權(quán)的快接式隔水管，但對其環(huán)焊焊接工藝的研究卻比較少。本研究以4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管為對象，對海洋鉆井隔水管環(huán)焊焊接工藝進(jìn)行了分析，以期制定合理的焊接規(guī)范。

1 試驗(yàn)材料及方法

母材為4130調(diào)質(zhì)鋼管，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。

表1 4130調(diào)質(zhì)鋼的主要化學(xué)成分 %

表2 4130調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能

焊接選用V形坡口，以保證焊縫單面焊雙面成形，鈍邊尺寸1～2 mm，便于全熔透，間隙2～4 mm保證底部焊縫內(nèi)部余高。隔水管焊接坡口形式、焊接順序及待焊試樣如圖1所示。

隔水管直徑為111.13 mm，根部間隙窄，施焊后根部焊渣無法清理。焊渣會影響管內(nèi)高壓液的純度，造成不可預(yù)料的危害，故打底層選鎢極氬弧焊（TIG）施焊4～6 mm后，轉(zhuǎn)手工電弧焊，以保證焊接效率。鎢極氬弧焊絲及手工電弧焊焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3和表4。

圖1 隔水管焊接坡口形式、焊接順序及待焊試樣

表3 試驗(yàn)用焊絲及焊條的化學(xué)成分

表4 試驗(yàn)用焊絲及焊條的力學(xué)性能

2 焊接工藝分析

由國際焊接學(xué)會IIW推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算可知，試驗(yàn)用4130調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量較高（CEIIW=0.6%），焊接后焊縫焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向大，有較強(qiáng)的冷裂紋敏感性。因此，焊接4130調(diào)質(zhì)鋼時，焊前要進(jìn)行80～120℃的預(yù)熱，采用較高的層間溫度（120～200℃），并進(jìn)行焊后熱處理。

氫是引起焊接冷裂紋的因素之一，其延遲特性極易引起焊縫后期失效。焊接過程中應(yīng)保持低氫條件，層間保溫及焊后緩冷也有助于氫的擴(kuò)散。

3 現(xiàn)場焊接工藝確定

3.1 焊前準(zhǔn)備

（1）坡口加工。采用單面焊雙面成形工藝，對坡口鈍邊的要求極為嚴(yán)格，因此要對管子內(nèi)徑進(jìn)行圓整，并以此為基準(zhǔn)統(tǒng)一加工外部坡口，以保證鈍邊尺寸的一致性。

（2）變形考慮。長管類焊接收縮應(yīng)力大，易引起變形，焊前應(yīng)加裝工藝撐以減少變形。

（3）坡口清理。清除坡口面及其他待焊接部位及兩側(cè)70 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物，直至露出金屬光澤。

3.2 焊接工藝參數(shù)

（1）焊前預(yù)熱溫度80～120℃。

（2）焊接過程中保持層間溫度120～200℃，并采用較小的焊接熱輸入，焊接工藝規(guī)范見表5。

表5 4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接工藝規(guī)范

（3）打底采用鎢極氬弧焊，手動送絲，焊絲直徑0.9 mm，施焊厚度4～6 mm。之后轉(zhuǎn)手工電弧焊，以保證熔敷效率及焊縫質(zhì)量，焊接過程實(shí)物照片如圖2所示。

（4）焊后及時用石棉被保溫，以防止冷卻速度過快，保證氫的及時逸出。

圖2 4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接過程實(shí)物照片

4 焊接結(jié)果及分析

按確定的焊接工藝對4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管進(jìn)行焊接，并按API SPEC 16C（第2版）要求進(jìn)行力學(xué)性能檢測及MT、UT探傷驗(yàn)收。4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接接頭的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表6。

由表6可見，4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接接頭的力學(xué)性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，宏觀腐蝕結(jié)果合格。對4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接接頭的MT、UT探傷未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

表6 4130調(diào)質(zhì)鋼隔水管焊接接頭的力學(xué)性能檢測結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）為確保打底焊的焊透性及焊縫質(zhì)量，采用鎢極氬弧焊打底（4～6 mm），之后轉(zhuǎn)CHE707焊條電弧焊，即可保證焊縫根部的質(zhì)量，又避免了根部的未熔合。

（2）為保證管子鈍邊尺寸要求，可對待焊管口進(jìn)行內(nèi)徑圓整，此項(xiàng)措施可保證管內(nèi)熔透，提高焊接質(zhì)量。

（3）為減少焊接變形，焊前加裝工藝撐，80～120℃預(yù)熱，焊接過程保證熱輸入，焊后緩冷。

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Circumferential Welding Process Research of the Marine Drilling Riser Pipeline

SUN Bo,LI Tangdu,LI Yuexin,WANG Hongchuan,ZHANG Youfeng
（Baoji Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721000,Shaanxi,China）

TG444.74,TG444.4

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.009

2016-10-19

編輯：謝淑霞

孫 博（1985—），男，國際焊接工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)制作及焊接工藝研究工作。