海底柔性管骨架層生產過程中的質量控制

楊 曼，呂旭鵬，周培玉

[1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200000；2.中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300000]

1 海底柔性管及骨架層簡介

1.1 海底柔性管的定義和分類

海底柔性管骨架層是一種關鍵性的海洋設備，為管道提供徑向剛度，承受外壓載荷，主要抵抗靜水外壓載荷、環控壓力載荷引起非黏結柔性管道壓潰失效。在海洋工程中，按照制造工藝將海洋柔性管道分為黏結柔性管道和非黏結柔性管道。

柔性管的復合結構結合了提供流體完整性的低剛度聚合物密封層和提供強度的高剛度螺旋金屬鎧裝層。因而與軸向拉伸剛度相比，柔性管的抗彎剛度較低，其曲率半徑遠小于抗壓能力相同的均質管。其性能特點如下所示。

（1）彎曲半徑小（柔性）。非黏結柔性管道各層間相對獨立且各層之間可相對滑動，彎曲半徑較小，很好地貼合海床地形，可用于不平坦的海床環境，避免進行海床處理，也可降低因海底滑坡導致管道大幅位移和損壞的風險。

（2）運輸、安裝方便。非黏結柔性管道連續纏繞在立式大盤，每盤柔性管預制長度可達幾公里（6"約2.5 km/8"約2.2 km/10"約1.2 km）。可通過船舶將多盤柔性管運輸至碼頭進行倒駁，在碼頭可完成立式大盤柔性管與施工船上臥式大盤倒駁工作，使得海上連接工作量少，鋪設周期短，可降低管道鋪設成本，也可避免平臺端的膨脹彎安裝，降低管道末端法蘭連接成本。

（3）可回收和環保。非黏結柔性管道便于回收和重復利用，從而在整體上節約深海油田投資。

（4）深抗水和惡劣環境下，柔性管的安裝比鋼管更為經濟。

（5）抗腐蝕要求較低。非黏結柔性管道金屬鎧裝層并不會與輸送流體直接接觸，其抗腐蝕性能要求較低。但是，柔性管最內層的骨架層與輸送流體相接觸，要求其具有抗H2S/CO2等耐蝕性。

1.2 骨架層的作用和結構

柔性管骨架層作為海底管道的支架承重組件，其質量和性能的穩定性對于油氣輸送具有至關重要的意義。在海水環境中，海底柔性管骨架層不僅要承受深海水的壓力，還要抵御海中海流、海浪、海底巖石等外界因素的影響，因此在設計和生產中需要極高的技術含量。

骨架層為S 形截面鋼帶螺旋纏繞的互鎖結構，層間存在間隙，具備一定的彎曲能力，保證結構有足夠的柔性，通常作為非黏結柔性管道的最內層使用，以防止由于壓降、外壓、抗拉鎧裝層壓力和機械擠壓引起的內壓密封層壓潰。

1.3 材料選取和性能

為了保證柔性管骨架層的穩定性和可靠性，設計和生產過程中需要考慮多種因素。以下是其中一些重要的因素。

（1）海底環境：在海洋環境下運行的柔性管道必須能夠承受特殊的溫度、壓力和流動條件。這意味著在柔性管道的設計和生產過程中，必須考慮到這些因素，并確保材料能夠承受這些環境的影響。

（2）材料選擇：柔性管道的骨架層所使用的原材料決定了其在海底環境下的性能。例如，在選擇骨架層原材料時，應該考慮到管道安裝條件和管道內的海水等因素。鉬元素可以大幅提高不銹鋼的耐腐蝕性能，從而有效地提高了柔性管道對管內介質和海水的抵御能力，故常采用含有鉬元素的超低碳奧氏體不銹鋼鋼帶（316 L）作為優選材料。

1.4 骨架層的成形原理

骨架層的成形流程：鋼帶焊接→鋼帶儲料→鋼帶預成形→鋼帶互鎖成形→牽引機→立式大盤（收線）。

骨架層互鎖鎧裝機是同心旋轉體，儲帶盤上的不銹鋼帶通過其旋轉體轉盤上的6組呈一線式分布成形滾輪，逐漸將矩形橫截面鋼帶擠壓成形為近S 形橫截面的金屬型材，近S 形橫截面的金屬型材通過與管體軸線呈近88.5°的螺旋纏繞角度進入6組呈螺旋式均勻分布滾壓輪，逐漸滾壓互鎖成S 形橫截面的螺旋管。（根據所纏繞管的直徑和配置的管材模芯胎具，6組滾壓輪沿軸向形成一個完整的節距，旋轉體轉盤帶動6組滾壓輪對模芯圓周6點滾壓互鎖成形管材和推出）。

2 海底柔性管骨架層生產過程中的質量控制

柔性管骨架層的生產過程一直是一個復雜而困難的任務。這個過程需要多種工藝、材料和設備的配合，才能制造出高質量、耐用的產品。然而，由于較低的生產效率和可能出現的各種質量問題，嚴格控制每個環節的品質和耐久性問題非常必要。在柔性管骨架層的生產過程中，會發生多種問題，如生產周期過長、不穩定的產品質量、成本高昂等。在柔性管骨架層的生產過程中，生產周期是一個問題。由于其復雜性，整個生產周期可能會非常漫長。另一個問題是產品質量的不穩定性。由于柔性管骨架層采用的是復雜的生產工藝和材料，因此產品的質量可能會受到各種外部因素的影響。為了解決這個問題，生產過程中應該嚴格控制每個環節的品質問題，同時進行嚴格的產品質量控制。

2.1 骨架層截面變形

骨架層截面變形是骨架層生產過程中的一個主要問題。這種變形可能是由于生產設備的裝配精度不高、操作不當或其他原因引起的。這種變形會導致骨架層的截面結構不符合設計要求，使骨架層失去了原本的抗壓潰的能力，從而影響骨架層產品的質量和可靠性。

為了解決這個問題，可以采取多種措施。首先，需要對生產設備進行定期維護、更新和調試，以確保設備的穩定性和準確性。同時，骨架層的生產速度也需要加以控制，骨架層生產速度越快，骨架層設備旋轉體轉速也越高，旋轉體帶動6組滾壓輪加快對骨架層1個節距內的滾壓互鎖及推出過程，生產穩定性降低。因此，在設計骨架層生產線時，應該考慮到這個問題，設置適當的生產速度，以保證骨架層的截面結構符合設計要求。其次，通過調整骨架層設備旋轉體轉速可以達到減緩變形的目的，數據顯示速度由0.1~0.12 m/min 降至0.08~0.06 m/min，截距大小由20.4 mm 降至 16.32 mm。可以通過降低骨架層的生產速度，以彌補設備的不穩定性，從而達到減緩變形的目的。可以通過數據分析來確認最優旋轉體轉速以加強操作和提高生產效率。此外，生產過程中還需要注意精細化操作，盡量避免外力的影響，以確保骨架層的截面結構符合設計要求。

2.2 骨架層邊緣變形

骨架層變形問題可能會導致外觀變化和邊緣尖銳、毛刺產生的情況。這種變形通常由于被滾壓輪擠壓導致表面局部壓扁，輪廓發生變化等原因引起。這不僅會影響骨架層的外觀質量，還會影響其整體結構和穩定性。為了解決這個問題，可以采取多種措施來確保骨架層的質量。

首先，需要質量控制團隊對生產過程進行全面檢查，每6h 需對機器進行一次校核，并形成記錄，及時發現和處理問題。同時，也需要制定出符合骨架層特點的檢驗方法和標準，確保所有骨架層產品都符合質量要求。

其次，在生產過程中，應加強工人的效率和技術水平培訓，保證生產操作的標準化和精細化。此外，也可以對生產設備進行適當的改進和升級，提高生產效率和準確性，減少骨架層變形的可能性。

2.3 成形滾輪中鋼帶壓裂

未成形鋼帶縱向撕裂是骨架層生產過程中的另一個常見問題。該問題通常由于導向滾輪與鋼帶尺寸不匹配造成，導致鋼帶在滾壓過程中無法正常成形，從而出現縱向撕裂的情況。

為了解決這個問題，應首先確保生產設備的調試工作得到充分、專業的確認。需要有專業人員對各方面進行認真調試，確保調試工作的各個環節都能得到妥善的關注。同時，還需要制定詳細的骨架層調試文件，包括調試過程中的各種參數、程序和流程等信息，以確保調試工作的規范性、透明度和可追溯性。這對于保證生產質量和進度具有重要的意義。除了上述措施外，還可以通過一些技術手段來防止鋼帶縱向撕裂的問題。例如，可以通過使用精密加工的導向滾輪和準確的鋼帶尺寸來減少不匹配的問題。此外，還可以采用改進后的生產工藝和設備，提高生產效率和精度，減少鋼帶縱向撕裂的發生。

2.4 鋼帶尺寸

鋼帶寬度偏差是骨架層生產過程中的另一個常見問題。這種偏差可能會影響鋼帶的成形和壓制，導致骨架層產品的質量不穩定。為了解決這個問題，可以采取多種措施。

首先，需要質檢團隊對傳送至骨架層設備儲帶盤的每盤鋼帶首尾端的寬度進行檢驗，并形成檢驗記錄。在檢驗過程中，特別需要對鋼帶組前后的鋼帶寬度進行檢查，以避免出現寬度不一致的鋼帶被焊接在一起的情況。

其次，需要加強生產工人的培訓和質量意識，確保生產過程中所有環節都符合相應的要求和標準。同時，應制定出針對鋼帶寬度偏差的相應工藝和控制措施，以最大限度地減少該問題的發生。

2.5 毛刺

骨架層毛刺的產生是骨架層生產過程中的一大難題。根據實踐經驗，骨架層毛刺主要產生在兩個位置，并由不同的原因所致。

第一個位置是鋼帶經過成形滾輪后，不銹鋼帶邊緣產生毛刺，經過圓盤縱剪的鋼帶本身有尖銳邊緣，再與成形滾輪接觸后，形成毛刺。為避免這種情況的發生，建議在生產過程中對鋼帶兩側邊緣進行倒圓角處理（如R0.27 mm），以防止毛刺的產生。

第二個位置是截面為緊S 形的鋼帶經過滾壓輪互鎖成形后，骨架層邊緣受到6組滾壓輪擠壓，形成毛刺。要解決這個問題，應當及時觀察6組滾壓輪與骨架層接觸情況，如果可能的話微調滾壓輪的位置并適當降低其轉速，以避免毛刺的產生和骨架層的變形。

由于目前還無法完全避免骨架層毛刺的產生，生產線上的質檢人員需要加強跟蹤檢驗和及時處理骨架層毛刺，并形成相應的檢驗記錄，以保證內壓密封層的生產不受影響。

在處理骨架層毛刺時，骨架層生產速度較慢，有利于進行清理。因此，在內壓密封層生產之前，應將骨架層上的毛刺全部清理干凈，以保證產品的質量和穩定性。

3 案例分析

骨架層是海底柔性管的關鍵部件，但是在某些生產項目中，骨架層質量不良的情況也時有發生。以一個實際案例為基礎，深入探討骨架層質量不良的原因、影響及對策措施。

在本案例中，某一海底柔性管生產項目出現了6次骨架層質量不合格的情況，包括2次截面變形、2次邊緣變形、1次鋼帶壓裂和1次毛刺問題。這些問題的出現給項目的進度和成本帶來了不良影響，也引發了對骨架層質量控制的深入思考。

在2次骨架層截面變形中，發現截面形狀和互鎖度都不符合設計要求。根據經驗，這種質量問題的根本原因通常是由于生產速度過快，而未及時采取相應措施來避免截面變形。因此，立即采取了相應的措施來解決這個問題。對設備進行了重新調試，切除了變形區域，并按照工廠出具的處理措施，將成形鋼帶重新焊接、重新互鎖成形、與已生產的完好骨架層重新連接，并檢驗連接位置骨架層外觀、尺寸，檢驗結果符合技術要求，處理一次骨架層截面變形，需占用6d生產時間。

2次骨架層邊緣變形的問題是由于生產速度過快，滾壓輪將焊縫之后的骨架層輕微壓制變形所致。同時這個問題的間接原因是質檢人員的漏檢。因此，工廠將邊緣變形位置進行修模拋光處理，將此位置圓滑過渡，并去除因骨架層邊緣變形產生的毛刺，并檢驗連接位置骨架層外觀、尺寸，檢驗結果符合技術要求，處理一次邊緣變形需占用2h 生產時間。

1次鋼帶壓裂的問題，直接原因是當鋼帶通過一線式分布的成形滾輪時，鋼帶邊緣被滾輪壓裂。為了解決這個問題，更換了與鋼帶寬度相匹配的設備導向滾輪，重新調試了設備，并重新生產了骨架層。處理一次鋼帶壓裂問題，需占用2d 生產時間。

由此可見，骨架層的質量是極其重要的。質量不合格不僅會影響生產效率和生產時間，還會對工廠的信譽和聲譽帶來不良影響。因此，在骨架層的生產過程中，質量控制是一個非常必要的環節。必須在每個環節嚴格檢查，確保每個環節都符合生產標準，從而保證生產出高質量的骨架層產品，并避免返工和損失。通過質量控制，可以確保骨架層產品的質量穩定，并提高產品的質量水平，從而提高整個工廠的競爭力和地位。

4 結論

海底柔性管是一種復雜的海洋設備產品，其在海洋深水環境下具有非常重要的功能。在海底柔性管骨架層的生產過程中，可能會面臨多種問題，這些問題可能會影響柔性管骨架層的穩定性、可靠性和性能，從而影響到整個柔性管產品的品質和使用效果。

為了確保海底柔性管骨架層的品質和性能，需要采取適當的處理措施進行質量管控。這些措施應該注重技術含量和制造工藝的純熟，包括對骨架層生產設備的調試和維護，對原材料的選擇和質量控制，以及對生產過程中各個環節的監控和管理。

總之，海底柔性管骨架層的生產過程需要嚴格的質量管控和細致的管理，以確保其性能和品質符合要求，并促進該產品的快速發展和經濟效益的增長。