海洋鉆井隔水管張緊環(huán)上殼體焊接工藝研究*

柳鎖賢，張小龍，鄭家偉，王耀鋒，楊 艷，鄧 榮，王紫怡

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 前 言

面對陸上石油日益枯竭的窘境，為了掌握能源命脈，海上鉆井采油成為保障國家能源安全的重要一環(huán)。海洋石油能源戰(zhàn)略目標能否實現(xiàn)，鉆采裝備起到了關鍵作用[1]。海洋立管系統(tǒng)是海洋鉆采作業(yè)的重要組成裝備，張緊環(huán)是海洋立管系統(tǒng)的關鍵裝備，工作時分別連接在伸縮裝置和張緊器上，承擔整個立管系統(tǒng)管串的張緊力，此裝備處于腐蝕嚴重的海洋飛濺區(qū)，是海洋立管系統(tǒng)重要的承載設備[2-8]。對于淺水鉆井作業(yè)，張緊環(huán)結構簡單，可直接作為立管系統(tǒng)伸縮裝置的部件；對于深水鉆井作業(yè)，張緊環(huán)與伸縮裝置獨立設計。張緊環(huán)一般由上殼體、本體、軸承、懸掛銷軸、邊管終端組成。

為適應深水鉆井作業(yè)，國內首次研發(fā)整體式張緊環(huán)。本次開發(fā)的張緊環(huán)上殼體整體呈圓環(huán)狀、工件厚壁較大、支撐塊局部形狀不連續(xù)。如采用整體鍛造加工，不僅本體取樣力學性能難以達到標準要求，并且因機加工不連續(xù)、加工工序復雜等導致加工精度低而難以滿足產品要求。為了解決以上難題，提出張緊環(huán)上殼體以焊接件代替整體鍛件的思路。其上殼體采用厚板焊接結構，承載的上環(huán)板與平板焊縫、下環(huán)板與平板焊縫均采用全熔透焊縫（CJP 焊縫），并進行超聲波檢測（UT）和磁粉檢測（MT）。通過開展張緊環(huán)上殼體焊接可行性研究和焊接工藝驗證，開發(fā)的張緊環(huán)上殼體滿足設計要求，為海洋隔水管整體式張緊環(huán)研發(fā)奠定了良好的技術基礎。。

1 張緊環(huán)上殼體結構

張緊環(huán)上殼體結構如圖1所示，其結構由平板、下環(huán)板、上環(huán)板及6件支撐塊構成。主焊縫是上環(huán)板、下環(huán)板與平板之間的焊縫，其中6件支撐塊將上環(huán)板分割為6塊，支撐塊與平板、相鄰的上環(huán)板焊接在一起。

圖1 張緊環(huán)上殼體結構示意圖

2 工藝方案

2.1 組焊順序

從結構分析，平板與上環(huán)板、6 件支撐塊的焊縫組成1個完整的圓環(huán)焊縫。如果將上環(huán)板組焊成1個完整的圓環(huán)，先與平板焊接，焊完后加工掉需要組合支撐塊處的局部上環(huán)板，可以使上環(huán)板與平板焊縫、下環(huán)板與平板焊縫均形成完整的兩條圓環(huán)形焊縫，如圖2所示，這樣就可以采用高效率、高質量的自動焊進行上、下環(huán)板與平板焊縫的焊接。

圖2 張緊環(huán)研制方案及焊縫示意圖

2.2 焊接方法

根據(jù)設計要求，平板與上環(huán)板、下環(huán)板焊縫均為K形坡口的全熔透焊縫；上環(huán)板、下環(huán)板的厚度均為70 mm，單面坡口深度大于30 mm；上環(huán)板、下環(huán)板各自形成的筒體內徑均大于2 500 mm。按上述組焊順序執(zhí)行時，上環(huán)板與平板焊縫、下環(huán)板與平板焊縫都將成為非常完整的環(huán)形焊縫，其特點是坡口角度、深度完全一致，且坡口深度較大，焊縫全熔透。這樣的焊縫特別適合自動化焊接。通過對比常用的自動氣體保護焊、氬弧焊、埋弧焊的適用性和效率，首選設備簡單、焊接效率較高的埋弧自動焊來完成該焊縫的焊接。

2.3 焊接試板接頭設計

上環(huán)板、下環(huán)板及平板材料均為Q460MD。焊縫形式為T 型接頭的K 形坡口全熔透焊縫。Q460MD 材料化學成分和力學性能分別見表1和表2[9]。

表1 Q460MD材料化學成分 %

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)計算，可知Q460MD 的碳當量CEV≤ 0.48%，焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm≤ 0.22%[9]。因此Q460MD材料的焊接性相對較差。又由于工件厚度大，剛性大，焊縫是一條閉環(huán)焊縫，拘束度大，所以工件焊接前必須采取預熱措施。

為了得到真實可信、完全可用的焊接工藝參數(shù)，焊接工藝評定試驗完全模擬實際產品生產。采用ASMEIX—2019 《焊接、釬焊和粘接評定》[10]作為焊接工藝評定規(guī)范。采用K 形坡口對接試板，在坡口邊沿增加限位板，平焊位置（1G）焊接。焊接試板規(guī)格及坡口尺寸、各層焊道示意圖如圖3所示。

圖3 焊接工藝評定試板規(guī)格、坡口及各層焊道示意圖

2.4 焊接材料及工藝

埋弧自動焊用焊材牌號和執(zhí)行標準及熔敷金屬力學性能見表3。

表3 焊材及熔敷金屬力學性能

對比表3 和表2 可知，焊材的選取符合ASMEIX—2019 標準母材與焊材等強匹配的原則。

焊接試板焊接順序按圖3（b）進行。第四層焊接前，用碳弧氣刨清根。每層均采用直流反接（DCEP）進行焊接。在第1 次焊接完成后，雖然進行了碳弧氣刨清根，但探傷還是發(fā)現(xiàn)了缺陷，腐蝕試驗后在試樣焊縫根部發(fā)現(xiàn)未熔合，焊縫根部宏觀腐蝕形貌如圖4所示。對焊縫根部未熔合處進行分析，認為是由于清根后，試板第4層采用Φ4.0 mm 焊絲焊接，焊接電流大小適宜，但電弧挺度小，且焊絲截面較粗，電弧不能熔化焊縫根部，從而使根部焊道產生未熔合[11]。

圖4 焊接工藝評定根部未熔合

通常采用增大焊接電流的方法消除焊道未熔合。但焊接電流過大時，會使熱輸入過大，會使工件產生較大的焊接變形和殘余應力，特別會對焊縫力學性能產生不利影響，如沖擊吸收功的降低、抗拉強度的減小。

綜合以上原因，對該工件可采用Φ2.5 mm焊絲進行打底及根部填充焊道，保證焊道根部完全熔合，采用該焊絲的焊道根部宏觀形貌如圖5所示，其余焊道采用Φ4.0 mm焊絲進行焊接，從而保證焊接效率。按這種要求進行了第2次焊接，焊后對工件進行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。宏觀腐蝕試驗也未發(fā)現(xiàn)缺陷，根部及各層焊道熔合良好。第2次焊接試板各層焊道焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 第2次焊接試板各層焊道焊接工藝參數(shù)

圖5 Φ2.5 mm焊絲焊道根部宏觀形貌

在焊接過程中，需注意5個方面的施焊技巧：①采用K形埋弧焊接時必須采用窄間隙焊槍；②坡口角度≥ 50°，焊縫成形系數(shù)大于1.3；③打底、填充焊接時焊槍應傾斜10°～15°，蓋面層焊接應傾斜8°～10°；④清根后，打磨、修理、碳弧氣刨焊道至光滑；⑤背面焊接用Φ2.5 mm焊絲打底、填充各焊接一層，確保焊縫根部熔合良好。

2.5 性能檢測

根據(jù)ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評定》對拉伸試樣、橫向側彎試樣的截取位置和數(shù)量的要求，在試件相應位置上分別截取了2件拉伸試樣、4 件橫向側彎試樣。同樣依據(jù)此標準的要求分別進行拉伸試驗、橫向側彎試驗，拉伸試驗結果見表5，橫向側彎試驗結果見表6。

表5 拉伸試驗結果

表6 彎曲試驗結果

據(jù)表5可知，2件拉伸試樣抗拉強度604 MPa和586 MPa 都處于母材抗拉強度510～690 MPa、熔敷金屬抗拉強度550～700 MPa區(qū)間之內，符合ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評定》中拉伸試驗合格標準，證明了試件拉伸強度是合格的。

據(jù)表6可知，4件橫向側彎試樣彎曲180°后，試樣完好，符合ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評定》中橫向側彎試驗合格標準，證明了試件橫向側彎是合格的。

根據(jù)ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評定》對沖擊試樣截取位置和數(shù)量的要求，以及ASMEⅧ—2019《壓力容器建造規(guī)則》第一卷[12]對沖擊試樣的缺口位置和取向的要求，在試件相應位置上分別截取了4 組沖擊試樣。每組3 件試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，對每件試樣依據(jù)以上兩個標準要求進行了沖擊試驗，沖擊試驗結果見表7。

表7 焊縫沖擊試驗結果

據(jù)表7 可知，12 件沖擊試樣焊縫-20 ℃沖擊功均≥ 104 J，均遠遠大于母材沖擊功最低值（42 J）和熔敷金屬沖擊功最低值（27 J），證明了試件沖擊性能是合格的。

依據(jù)以上試驗結果及其分析，焊接工藝評定試驗是成功的。經過焊接工藝評定，也驗證了焊接工藝方案及工藝參數(shù)的合理性。

3 工件研制實施情況

施焊前，工件整體預熱100 ℃。施焊過程中，采用局部氧乙炔火焰加熱保持待焊處溫度不低于100 ℃。窄間隙埋弧焊焊接時，利用焊接變位機，將待焊焊縫變?yōu)槠胶肝恢茫瑥埦o環(huán)上殼體每條K形焊縫的內側焊縫距離平板內孔邊緣較近，外側焊縫距離平板外側邊緣較遠，導致外側清根操作難度較大。為了提高了焊縫清根質量，保證焊縫熔透效果，選擇以下焊接順序：先焊外側焊縫，內側清根后，再焊接內側焊縫，內側焊接如圖6所示。打底和根部填充均采用Φ2.5 mm 焊絲焊接，其余各層或各道焊縫均采用Φ4 mm焊絲進行焊接，焊槍傾斜角度10°～20°。打底和第一層填充時，焊絲對準焊縫根部，保證根部熔深焊透。

圖6 張緊環(huán)上殼體內側焊縫焊接

執(zhí)行以上焊接工藝參數(shù)及工藝措施成功生產出了張緊環(huán)上殼體，其成品外觀如圖7 所示。雖然產生了5～6 mm 焊接變形，但在機加工余量范圍內，通過機加工方式可以去除焊接變形。所有工件完成加工和組裝后，按照隔水管張緊環(huán)試驗大綱要求，對隔水管張緊環(huán)進行了樣機試驗、驗證載荷試驗、液壓系統(tǒng)壓力試驗及功能試驗，試驗結果均符合設計要求。試驗完畢后，未發(fā)現(xiàn)目視可辨認的變形和壓痕，工件無屈服現(xiàn)象，焊縫無損檢測符合標準要求，液壓系統(tǒng)無壓降、無滲漏油現(xiàn)象。通過以上試驗，證明焊接工藝方案和工藝措施是合理的。

圖7 張緊環(huán)上殼體成品

4 結 論

（1）提出張緊環(huán)上殼體以焊接件代替整體鍛件思路，解決了上殼體整體鍛造加工存在的本體取樣力學性能難以達到標準要求、機加工不連續(xù)、加工工序復雜等導致加工精度低的技術難題，研究成果為相關海洋水下裝備復雜結構零件的“以焊代鍛”工藝提供有益參考。

（2）通過合理設計海洋隔水管張緊環(huán)焊接方案，保證了焊縫質量，提高了焊接效率。焊接工藝評定施加的限位板很好地模擬了產品的實際情況，使焊接工藝評定能真正指導生產。

（3）采用細絲埋弧焊進行打底及根部填充焊接，既改善了焊道根部熔合情況，又能保證焊縫合理的成形系數(shù)，避免了焊縫產生裂紋缺陷；粗絲埋弧焊填充焊接，保證了埋弧焊高效的優(yōu)勢。

（4）現(xiàn)場采用先焊外側、再內側清根、最后焊接內側的施焊順序，可降低清根難度，提高焊縫清根質量，從而保證了焊縫熔透效果。