加膠內(nèi)襯復(fù)合鋼管制造工藝探索及質(zhì)量評(píng)價(jià)

楊勤祥，廖青云

（上海海隆復(fù)合鋼管制造有限公司，上海 200949）

二十年來，內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合鋼管由于具有較高的耐蝕性和較強(qiáng)的機(jī)械性能，一直被應(yīng)用于石油領(lǐng)域的陸上和海上管道和天然氣運(yùn)輸。我國(guó)從2005年在陸地第一次使用內(nèi)襯復(fù)合鋼管之后，在2012年，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中海油）在崖城3-4 項(xiàng)目首次在海洋工程中設(shè)計(jì)和使用了雙金屬內(nèi)襯復(fù)合鋼管。經(jīng)過多年的使用，隨著海上使用數(shù)量的增加，為了節(jié)省鋪管費(fèi)用，國(guó)外已經(jīng)逐步探索采用Reel-Lay 鋪設(shè)方法代替S-Lay、J-Lay[1-8]。根據(jù)文獻(xiàn)［9］，中海油“海洋石油286”鋪管船已經(jīng)配備直徑為20.4 m 的轉(zhuǎn)盤，說明我國(guó)已經(jīng)具備了卷曲鋪設(shè)復(fù)合鋼管的條件。但是，普通內(nèi)襯管的彎曲能力是有限的，在彎曲時(shí)襯里管會(huì)起皺。雙金屬?gòu)?fù)合管的內(nèi)襯塌陷屈曲問題一直困擾著工程界和學(xué)術(shù)界。根據(jù)相關(guān)資料[10-11]，2010年開始，挪威Statoil、總部在英國(guó)的Subsea7、英國(guó)Technip 和德國(guó)BUTTING 等公司通過增加內(nèi)襯層厚度和采用內(nèi)壓法來解決內(nèi)襯層卷管起皺的問題，取得了一定的成果。但是，無論增加襯管壁厚還是水壓法，都會(huì)造成制造成本大幅度增加。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，2019年，德國(guó)BUTTING公司另辟蹊徑，推出了新型膠結(jié)型機(jī)械復(fù)合管GLUEBI，并取得了挪威船級(jí)社（DNVGL-RP-A203《新技術(shù)的鑒定程序》）認(rèn)證，該技術(shù)比上述安裝方法更有效、更經(jīng)濟(jì)。據(jù)稱，這種新型復(fù)合管能夠解決卷管鋪設(shè)過程中的內(nèi)襯失效問題，在2022年挪威的Akerbp Hod 項(xiàng)目中得到世界首次應(yīng)用。該公司采用鋼級(jí)L450、內(nèi)徑266.8 mm、壁厚19.7 mm 的無縫管作為基管，以UNS S31603作襯管進(jìn)行試制，在復(fù)合鋼管兩層之間采用加膠技術(shù)，黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到30 MPa。本文以內(nèi)襯雙金屬?gòu)?fù)合管為例，探索了加膠內(nèi)襯復(fù)合鋼管制造工藝及質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，研究結(jié)果以期有助于復(fù)合管的發(fā)展和工程應(yīng)用。

1 產(chǎn)品試制

1.1 加膠復(fù)合管結(jié)構(gòu)及試制目標(biāo)

加膠復(fù)合管的制造工藝是基于機(jī)械內(nèi)襯管的工藝，采用水壓成形工藝，使CRA（抗腐蝕合金管）在碳鋼管內(nèi)膨脹，CRA 管發(fā)生塑性變形，碳鋼管發(fā)生彈性變形。與普通復(fù)合管不同的是碳鋼基襯管之間有一種膠體以產(chǎn)生附著力，加膠復(fù)合管結(jié)構(gòu)如圖1 所示。管端采用堆焊的方法進(jìn)行焊接。

圖1 加膠復(fù)合管結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)德國(guó)BUTTING 公司的經(jīng)驗(yàn)，這種加膠復(fù)合鋼管需要滿足復(fù)合后在260 ℃保溫15 min 時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度≥30 MPa。而根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)復(fù)合鋼管標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)內(nèi)襯復(fù)合鋼管的黏結(jié)強(qiáng)度或根據(jù)MPQT（制造工藝評(píng)定試驗(yàn)）確定，或指標(biāo)要求很低[14]，比如，GB/T 37701—2019《石油天然氣工業(yè)用內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管》規(guī)定管徑D≤273.1 mm時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度不低于0.2 MPa（采用推出法）。顯然，提高黏結(jié)強(qiáng)度和通過彎曲試驗(yàn)后襯管不起皺為試驗(yàn)的主要目標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)材料及膠體選擇

試制Φ273 mm×（12.7+3）mm 的X65（L450）+316L復(fù)合鋼管，按照API Spec 5LD—2015《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》進(jìn)行試驗(yàn)。基管（外層鋼管）和襯管（內(nèi)層鋼管）分別采用API Spec 5L—2018（2019）《管線鋼管規(guī)范》、API Spec 5LC—2015《耐腐蝕合金（CRA）管線鋼管》。試樣長(zhǎng)度3 m。

根據(jù)文獻(xiàn)，要求膠體的耐熱溫度達(dá)240 ℃（短時(shí)間溫度峰值高達(dá)260 ℃），剪切強(qiáng)度 20 MPa。經(jīng)過分析，確定液體膠，并且膠體要符合以下條件：依據(jù)EN 1465 ∶2009《粘合劑粘合組件的拉伸搭接剪切強(qiáng)度的測(cè)定》或ISO 4587 ∶2003《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》，搭接剪切強(qiáng)度≥30 MPa（22℃）；經(jīng)過防腐生產(chǎn)后（240 ℃，5 min），搭接剪切強(qiáng)度≥20 MPa（22 ℃）；經(jīng)過塌陷試驗(yàn)后（240 ℃，15 min），搭接剪切強(qiáng)度≥20 MPa（22 ℃）；0.1～0.5 mm 間隙下，固化后搭接剪切強(qiáng)度≥30 MPa（22℃）；固化反應(yīng)啟動(dòng)條件為加熱控制，固化溫度200 ℃以下；能夠涂刷在不銹鋼管外表面，推薦的膜厚下不發(fā)生流淌；涂層作廢未固化前應(yīng)容易清洗。從工藝可行性方面考慮，確定膠的種類為一種熱固型液體膠，再根據(jù)膠的性能及產(chǎn)地、價(jià)格、質(zhì)量等各方面綜合比較考量，最終選擇了一種加熱型膠F1312 進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試制工藝流程

加膠復(fù)合管的制造工藝流程如圖2 所示。

圖2 加膠復(fù)合管制造工藝流程示意

1.4 關(guān)鍵工藝

（1） 基管內(nèi)表面打砂，除銹等級(jí)達(dá)到ISO 8501.1—2007《涂裝油漆和有關(guān)產(chǎn)品前鋼材預(yù)處理表面清潔度的目視評(píng)定》Sa2.5 等級(jí)（非常徹底的噴砂清理），錨紋度71 μm，灰塵度2 級(jí)。

（2） 通過涂膠設(shè)備自動(dòng)在襯管外表面涂膠，涂膠厚度0.1～0.5 mm，涂膠部位應(yīng)無漏涂點(diǎn)。兩端不涂膠。不涂膠部位的尺寸根據(jù)堆焊長(zhǎng)度及加工余量確定。

（3） 裝配前，采用工裝對(duì)基管管端內(nèi)壁和襯管管端外壁進(jìn)行保護(hù)，防止基管端部?jī)?nèi)表面黏膠，裝配間隙大于3 mm。裝配環(huán)境相對(duì)濕度 80%，基管和襯管的表面溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度5 ℃以上。裝配時(shí)畫線定位或設(shè)置限位，保證兩端襯管露出基管的距離相等，裝配完畢后不允許基襯管再次發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

（4） 按照水壓復(fù)合工藝進(jìn)行復(fù)合。水壓工藝與普通內(nèi)襯復(fù)合管的相同。

（5） 采用中頻加熱進(jìn)行固化（120 ℃/45 min 或150℃/30 min）。

1.5 工藝難點(diǎn)及探索

（1） 管端無膠區(qū)域保證。目前內(nèi)襯復(fù)合鋼管普遍采用的是管端堆焊工藝。如果堆焊部位黏膠或清理不干凈，堆焊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，導(dǎo)致探傷不合格。因此，管體涂膠時(shí)必須控制管端無膠面積和長(zhǎng)度，保證復(fù)合后堆焊處無膠體。據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，堆焊時(shí)第一道焊縫距離膠體層端面的無膠區(qū)域達(dá)到20～30 mm 時(shí)，焊接溫度可以降低到膠的燃燒溫度，從而有效防止焊接根部時(shí)焊接缺陷的產(chǎn)生。為此，專門設(shè)計(jì)了一種管端防黏膠裝置。它既可以有效防止基管管端堆焊部位涂膠，還可以結(jié)合復(fù)合后膠的擠壓長(zhǎng)度，有效控制管端涂覆余量，保證堆焊根部至涂膠面起始端有20～30 mm 的無膠區(qū)域。工裝設(shè)置在加膠復(fù)合鋼管的管端，基管套筒安裝在基管的始端，通過頂絲調(diào)整套筒的長(zhǎng)度。襯管套筒在其表面涂膠之前就套在襯管的末端。套筒和套筒通過連板和擋板連接。通過套筒上中間管型拉手，裝配后可以同時(shí)拉出套筒和套筒。套筒的圓筒采用0.3～0.6 mm 的不銹鋼制作。管端保護(hù)工裝如圖3 所示。

圖3 管端保護(hù)工裝示意

（2） 涂膠效率問題。如果批量生產(chǎn)，采用手工涂膠效率很低，生產(chǎn)成本太高。所以，專門開發(fā)了一種自動(dòng)涂膠設(shè)備，如圖4 所示。整套設(shè)備由夾持和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、噴膠系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、刮平系統(tǒng)等組成。采用滑軌伺服行走平臺(tái)，行走速度平穩(wěn)且能無極調(diào)速，保證不同管徑的內(nèi)管刮膠均勻；膠頭上下通過伺服調(diào)整，系統(tǒng)能根據(jù)管徑自動(dòng)選擇膠嘴高度，無需人工調(diào)整；刮膠臂采用汽缸壓緊，可保證刮板與管道外表面時(shí)刻貼合，刮膠厚度通過汽缸的氣壓調(diào)整；供膠系統(tǒng)采用業(yè)界成熟應(yīng)用的美國(guó)固瑞克GRACO 氣動(dòng)柱塞泵產(chǎn)品，特別使用高黏度物料輸送，涂膠閥帶有自吸功能，保證不滴膠。穩(wěn)壓閥能保證出膠量均勻穩(wěn)定，提高刮膠效果，降低膠水浪費(fèi)。每根Φ273 mm 鋼管的刮膠時(shí)間需要20 min 左右，比手工涂膠效率提高3 倍以上。

（3） 切斷后的管端焊接試驗(yàn)。通過進(jìn)行加膠復(fù)合管切斷后的封焊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)常規(guī)焊接很容易出現(xiàn)氣孔。制取Φ168 mm×（11+2）mm 試樣5 件，管端加工V 形坡口，通過火焰加熱到700 ℃以上，膠被燒化，然后采用手工氬弧焊封焊，焊后進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。碳鋼管和襯管的拉伸試驗(yàn)也合格。管端切斷后的堆焊問題作為現(xiàn)場(chǎng)施工的棘手問題，后期需要進(jìn)一步探索更合理的解決辦法。

2 質(zhì)量評(píng)價(jià)及結(jié)果

2.1 評(píng)價(jià)方法

采用推出法測(cè)量復(fù)合后樣品層間的黏結(jié)強(qiáng)度，試樣高度為（25±2）mm；檢查兩層之間膠黏情況；模擬鋪管船卷曲半徑的彎曲試驗(yàn)。

2.2 黏結(jié)力試驗(yàn)結(jié)果

黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)參考DNV-ST-F101—2017《海底管道系統(tǒng)》進(jìn)行。取2 根Φ273.1 mm×（12.7+3）mm 復(fù)合管進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，長(zhǎng)度分別為11.12 m 和11.11 m，基管材質(zhì)L450，襯管材質(zhì)S31603，外壁無防腐層。彎曲半徑R為8 190 mm（30 倍鋼管直徑）、直管段2 m、彎曲角度46°和彎曲半徑R為9 555 mm（35 倍鋼管直徑）、直管段1.5 m、彎曲角度41°時(shí)，均沒有起皺，橢圓度增大1%，但不超過2.5%。

2.4 斷面情況

通過將試樣切成管環(huán)后鋸開檢查膠的均勻性和黏結(jié)性等，發(fā)現(xiàn)樣品上膠體涂覆基本均勻，沒有流淌痕跡，膠體試樣結(jié)合緊密，人力幾乎無法撬開。涂膠后基襯管裝配和試樣破開情況如圖5 所示。

2.5 后續(xù)研發(fā)方向

通過試制和產(chǎn)品評(píng)價(jià)，加膠工藝是可行的，但是還有以下問題需要不斷探索和改進(jìn)：堆焊管端切斷后的堆焊問題，管體夾膠結(jié)合面的無損探傷，疲勞試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。

3 結(jié) 語

經(jīng)過試制并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)采用合適的方法，基襯管之間的加膠工藝是可行的。特殊膠黏劑的內(nèi)襯復(fù)合鋼管最關(guān)鍵的是選擇合適的膠體。正確選擇膠黏劑后，采用合適的涂膠工藝、裝配間隙，采用常規(guī)水壓復(fù)合工藝和適當(dāng)?shù)墓袒に嚕瑥?fù)合管黏結(jié)強(qiáng)度可以達(dá)到30 MPa 以上，耐熱溫度達(dá)到260 ℃，彎曲半徑達(dá)到8 190 mm 時(shí)襯管沒有起皺，可以滿足海底管線在Reel-Lay 鋪設(shè)安裝條件。復(fù)合后管體的無損探傷，切斷后管端堆焊等問題還需要進(jìn)一步探索更好的解決方法。