真空隔熱油管內外管環焊搭接接頭評價方法研究

鮮林云，張國超，畢宗岳，余 晗

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

真空隔熱油管內外管環焊搭接接頭評價方法研究

鮮林云1,2，張國超1,2，畢宗岳1,2，余 晗1,2

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

為了評價真空隔熱油管的內外管環焊縫性能，開發了一種新型環焊搭接試驗方法。該方法以N80－1隔熱管為試驗材料，采用CO2氣體保護焊進行環焊焊接，并對焊接接頭進行了拉伸試驗、DR檢測以及金相分析。試驗結果表明，在篩選出的最佳工藝下焊接的隔熱油管內外管封焊縫的平均抗拉強度大于700 MPa，接近管體的抗拉強度；內外管封焊縫金屬與母材熔合良好，表明所選工藝合理，且DR檢測結果表明焊縫沒有出現夾雜、氣孔等缺陷。

焊接；真空預應力隔熱油管；內外管封焊；CO2氣體保護焊；DR檢測

Abstract:In order to evaluate the circumferential weld performance of vacuum insulated tubing inside and outside pipe,anew type of circumferentialwelding lap test method was developed.This method took the N80-1 insulated pipe as the experimental material,using CO2gas shielded welding to conduct circumferential welding,and the tensile test,DR testing and metallographic analysis were carried out for welded joints.The results showed that under the selected optimum welding process,the average tensile strength of insulated tubing inside and outside pipe seal weld was higher than 700 MPa,close to the tensile strength of pipe body;the fusion of inside and outside pipe seal weld metal and base metal was good,showed that the selected process was reasonable.And DR testing results indicated that no defects appeared in the weld,such as inclusions,stoma etc.

Key words:welding;vacuum pre-stress insulated tubing；sealing welding of inside and outside pipe；CO2gas shielded arc welding；DR testing

1 隔熱油管概述

我國稠油儲量巨大，約占石油資源總量的20%以上，預測資源量198億t，主要集中在遼河油田、勝利油田、克拉瑪依油田及河南油田[1-2]。

隔熱油管是稠油熱采過程中的一個重要裝備，它是在雙層同心管的環形空間填充絕熱材料或惰性氣體的隔熱管柱，目的是減少熱量損失，提高可注入深度和注入油層的蒸汽干度，同時降低套管和水泥環的熱應力，防止套管高溫損壞[3-7]。在真空隔熱油管制造過程中，內管和外管之間需要通過環焊縫進行連接，以確保環中空的真空度，并承受內管上施加的預應力，因此對環焊縫的要求極高[8-9]。通常情況下，隔熱油管的橫截面及其內外管封焊環焊縫如圖1所示。由于該環焊縫距離管端的距離只有20～30 mm，目前還沒有試驗方法檢測環焊接頭的性能，通常只能通過管材強度、焊絲匹配、無損檢測等方法估計，而無法直接進行工藝評定[10-11]。本研究設計了一種搭接試驗方法，通過試驗優化了內外管封焊工藝，評價了內外管焊縫的性能，可為真空預應力隔熱油管的生產制造提供支持。

圖1 隔熱油管的橫截面及其內外管封焊環焊縫

2 試驗材料及檢測方法

2.1 試驗材料

試驗材料為低碳微合金管坯，牌號為N80-1，規格為Φ114.3mm×6.35mm和Φ73.02mm×5.51mm，試驗用管坯化學成分見表1。內管的屈服強度為560 MPa，抗拉強度為724 MPa；外管的屈服強度為558 MPa，抗拉強度為754 MPa。

表1 試驗用管坯的化學成分

2.2 檢測方法

對帶環焊縫的試樣打磨、拋光后再分別經4%硝酸酒精腐蝕采用Olympus GX71型光學顯微鏡進行金相組織分析，并對焊接接頭進行了DR無損檢測。

3 新型環焊搭接試驗方法

目前對板-板搭接焊接的報道較多，但板-板搭接焊與管-管搭接焊存在一定差異，而管-管搭接焊的報道較少[12-16]。為了研究隔熱管內外管封焊接頭的力學性能，基于真空隔熱油管的制造工藝，設計了一種管材環焊搭接試驗方法，研究其在軸向拉力作用下的力學性能和組織行為。

3.1 內管冷擴徑

取Φ73.02 mm×5.51 mm的N80-1油管管坯加工成500 mm長的管坯試樣，在ZIWICK1200試驗機上采用專門設計的60°錐頭，將管端直徑冷擴至105 mm，并將兩端平頭，再將翻邊的外徑加工到102 mm，并沿中心線一剖為二備用。

將Φ114.3 mm×6.35 mm的外管管端平頭后，沿中心線一剖為二，并將內壁打磨至金屬光澤。

3.2 內管與外管組對

將處理好的兩個外管半圓放置于水平狀態，并使其端部對正，必要時可對組對的管端進行點焊（檢測時需要打磨掉焊點）。將加工好的半圓內管管坯套裝到對正后的兩個外管中部，使其中部位于組對管端位置，將內外管搭接位置進行點焊加以固定，準備焊接。

3.3 內外管環焊

將套裝好的內外管在搭接位置采用CO2氣體保護焊方法進行焊接，經多次工藝摸索，確定的焊接工藝參數見表2，焊接完成的試樣如圖2所示。

表2 N80－1真空隔熱油管焊接工藝參數

圖2 焊接完成的試樣

4 結果與分析

4.1 對接接頭拉伸性能分析

將焊接好的管坯根據試驗要求加工成拉伸試樣，如圖3所示，將兩端加持部位展平，在萬能試驗機ZIWICK1200上進行拉伸試驗，評價對接接頭的拉伸性能。試驗結果見表3。由表3可見，焊接接頭的抗拉強度大于687 MPa，最大拉伸性能達到747 MPa，平均值大于700 MPa。試驗結果表明，焊接的管-管接頭的抗拉強度接近管材的抗拉強度（內管的屈服強度為560 MPa，抗拉強度為724 MPa），拉斷后的帶對接接頭的拉伸試樣形貌如圖4所示，表明該接頭具有良好的拉伸性能。

圖3 對接接頭的拉伸試樣

表3 對接接頭拉伸性能

圖4 拉斷后的對接接頭拉伸試樣形貌

4.2 焊縫無損檢測

對管端環焊縫進行DR成像檢測，檢測結果如圖5所示。由圖5可知，環焊縫沒有出現氣孔、夾渣等影響焊接接頭性能的缺陷。

圖5 對接接頭的DR成像檢測照片

4.3 焊接接頭金相分析

對焊接接頭的宏觀形貌和微觀組織形貌進行了分析，結果如圖6所示。由圖6可見，焊接后內外管之間熔合較好，未出現焊接不良，熔合深度大于2 mm。在500倍視野中觀察到冶金結合的熔合線，表明焊接的內外管結合良好。

通過對比圖 6（a）和圖6（b）可以看出， 較大的焊接熱輸入可以增大N80－1隔熱油管焊接接頭的熔合深度；對比圖6（c）和圖6（d）可以看出，較大的焊接熱輸入所焊接頭的熔合線組織明顯優于較小焊接熱輸入的組織，從而獲得較好的拉伸性能。

圖6 焊接接頭組織形貌

5 結 論

（1）開發了一種專門的搭接試驗方法，篩選了內外管環焊工藝參數。

（2）在最佳焊接工藝下，焊接處的內外管封焊焊縫的平均抗拉強度大于700 MPa，接近管體的抗拉強度。

（3）環焊縫沒有出現氣孔、夾渣等缺陷。金相試驗結果表明，內外管封焊焊縫金屬與母材充分熔合，表明所選工藝合理。

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編輯：黃蔚莉

中俄原油管道二線工程管道建設過半

2017年1月3日，隨著中俄原油管道黑龍江漠河段第39 456道焊口的焊接完成，總焊接長度達到470.5 km，標志著中俄原油管道二線工程管道建設過半。國家重點工程中俄原油管道二線工程，在極寒條件下施工，多項國內首創先進技術在工程中成功應用。

中俄原油管道二線全線大部分分布在北緯52度以上的高寒帶地區，經過460 km永凍土區，240 km爆破段，還有將近60 km的沼澤地。極端寒冷的天氣和復雜的地質條件，對工程進度和施工人員都造成了極大的阻礙。為了確保工程質量、安全和如期投產，多項創新技術在中俄二線上率先使用。

在中俄管線上首次大批量使用的我國自主研發的全自動焊接機，不僅打破了國外的技術壟斷，在極寒條件下一次焊接合格率達到95%以上，推動了我國管道建設設備國產化進程。

作為國內迄今為止采用全自動焊比例最高的長輸管道，中俄管線80%的主體焊接工程量使用全自動焊設備完成。我國自主研制的高精密、數字化的CPP900全自動焊機首次在極寒地區大規模使用。

此外，中俄二線原油管道項目首次全面推行全自動超聲波檢測工藝，還應用了我國自主研發的機械化補口設備及“大型施工設備遠程監控管理系統”等一系列科技創新成果，大幅提升我國智能化管道建設的水平。

中俄原油管道二線工程所有大中型河流穿越，都采用非開挖方式進行，降低對生態環境的擾動。嫩江穿越工程和額木爾河穿越工程是中俄原油管道二線工程關鍵控制性穿越工程，為保障工程安全、環保、按期完工，首次在國內極寒條件下采用了泥水加壓平衡式盾構工法施工。這一工法有效打通中俄原油管道二線工程關鍵控制點，填補了盾構施工法在極寒地區施工的國內空白。

中俄原油管道工程是我國構建的東北、西北、西南和海上四大能源戰略通道之一。2017年年底建成后，將具備每年接收1500萬t俄油能力。對完善我國東北油氣戰略通道、優化國內油品供需格局、提振東北工業經濟有巨大作用。

（李 超摘自中石油集團網）

Evaluation Method Research on Circumferential Welding Lap Joints of Vacuum Insulated Tubing Inside and Outside Pipe

XIAN Linyun1,2,ZHANG Guochao1,2,BI Zongyue1,2,YU Han1,2
（1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE931.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.005

2017-04-27

鮮林云（1983—），男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現主要從事管材制造技術研究工作。