深海臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼盤管的研制

杜興吉,王 坤,夏正文,沈 赟

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

0 引 言

臍帶纜一般由電纜、光纖、輸送化學(xué)制劑和液壓流體的鋼管、外部保護(hù)層（鋼管和復(fù)合材料）等組成，短則幾百米，長(zhǎng)則上萬(wàn)米。主要用于輸送化學(xué)制劑、液壓流體、電及信號(hào)等，是海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的生命線。一旦臍帶纜受到損壞將會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的影響，而臍帶纜內(nèi)部部件的損壞將會(huì)使通信中斷并影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。

深海臍帶纜由許多管組成。通常最里面的管（內(nèi)管）為液壓流體輸送管，內(nèi)管和外部保護(hù)層（外管）之間為電纜和光纖。臍帶纜中的鋼管一般是S32750（SAF2507）超級(jí)雙相不銹鋼管，規(guī)格為φ6.3~φ50.8 mm，S32750不銹鋼的最小屈服強(qiáng)度是550 MPa，抗拉強(qiáng)度800～1 000 MPa。在制造臍帶纜前首先需要將每根十幾米的無(wú)縫鋼管對(duì)焊后盤成一卷，每卷長(zhǎng)度一般幾千米，最長(zhǎng)20多千米，以便運(yùn)輸?shù)诫娎|生產(chǎn)廠家。

臍帶纜一旦安裝在水下，有時(shí)深達(dá)2 000多米，這些臍帶纜維修困難，因此其質(zhì)量尤為重要。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)使用的臍帶纜全部依賴進(jìn)口，對(duì)這一產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)研究尚屬空白，且不具備臍帶纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和制造等能力，這些都在一定程度上制約了我國(guó)深海油氣田的開(kāi)發(fā)。我國(guó)在臍帶纜鋼管的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和制造上也尚屬空白。本研究將填補(bǔ)我國(guó)臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼盤管生產(chǎn)的空白，替代進(jìn)口。

1 不銹鋼盤管生產(chǎn)線基本要求

深海臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼盤管生產(chǎn)線必須滿足以下基本要求：產(chǎn)品表面無(wú)缺陷；質(zhì)量穩(wěn)定；整卷性能一致；便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和開(kāi)卷的緊湊式均勻卷取技術(shù)，并具有一定的生產(chǎn)能力、較高的生產(chǎn)效率以及靈活性。

因此高的生產(chǎn)效率必須與較大的生產(chǎn)靈活性相結(jié)合，以減少維修和換輥所引起的停車時(shí)間。另外，無(wú)表面缺陷產(chǎn)品也是盤卷生產(chǎn)中一項(xiàng)必不可少的基本條件。

2 生產(chǎn)線主要組成

深海臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼盤管生產(chǎn)線主要由管-管全位置對(duì)焊裝置、拋光裝置、X射線平板數(shù)字成像檢測(cè)裝置、收卷裝置、水壓試驗(yàn)裝置等組成。

2.1 管-管對(duì)焊機(jī)構(gòu)

由于臍帶纜鋼管在深海下使用，且工作條件復(fù)雜，因此，對(duì)其焊接接頭質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。在實(shí)際生產(chǎn)中焊接缺陷將嚴(yán)重影響盤管性能，尤其是降低疲勞壽命。

兩根鋼管的對(duì)接，由于兩端的鋼管都有數(shù)十米長(zhǎng)，而且鋼管的一頭連著盤管機(jī)，所以焊接過(guò)程中管子不能轉(zhuǎn)動(dòng)，須靠焊頭帶動(dòng)鎢極的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)全位置焊接。對(duì)于這類高精度和高要求的鋼管焊接設(shè)備基本都是從德國(guó)、法國(guó)和美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口。管-管焊接具有以下特殊性：①全位置焊接，對(duì)兩管端校直、管口整圓以及對(duì)中等焊接前工作要求很高，對(duì)工裝的要求很高；②管-管焊接無(wú)論從焊接精度、焊接性能上都要求很高，屬于精密焊接；③焊接工藝復(fù)雜，對(duì)焊接操作技術(shù)要求高。

2.1.1 精密組對(duì)夾具

管子對(duì)接組對(duì)時(shí)，兩端應(yīng)平齊，無(wú)間隙，錯(cuò)邊量不宜超過(guò)管壁厚度的10%，且控制在±0.2 mm。為降低應(yīng)力，對(duì)中時(shí)應(yīng)盡可能使對(duì)焊兩管處于自由狀態(tài)，嚴(yán)禁在管子拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)對(duì)中固定。

從工藝角度看，對(duì)焊焊件的要求通常以沿軸線全長(zhǎng)的直線度、焊縫處的圓度、錯(cuò)邊等要素來(lái)評(píng)價(jià)。通常焊件軸線的直線度是最基本的要求，由對(duì)焊兩管件的同軸度來(lái)實(shí)現(xiàn)，裝配所能達(dá)到的同軸度決定了焊件軸線所能達(dá)到的直線度和焊前加工尺寸在焊后的同軸度。因此裝夾系統(tǒng)必須在定位夾緊時(shí)保證相應(yīng)的位置公差—同軸度。

對(duì)于全位置管道焊接而言，工件的組對(duì)精度對(duì)焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性起著決定性作用。全位置管道自動(dòng)焊要保證焊接工藝的重現(xiàn)性，焊接組對(duì)是焊前準(zhǔn)備工作中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。不銹鋼管的品質(zhì)對(duì)對(duì)接焊質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為：①管子壁厚誤差和管徑誤差應(yīng)分別嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。壁厚誤差和管徑誤差的大小影響管子的組對(duì)精度，誤差過(guò)大，管子組對(duì)時(shí)的錯(cuò)邊量也大，從而影響焊接質(zhì)量。②管子的直線度。管子切割后應(yīng)進(jìn)行斷面加工，并采用專用工具去除毛刺。在對(duì)管口兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)的管壁內(nèi)外表面清理后進(jìn)行組對(duì)。

在試驗(yàn)中，主要出現(xiàn)的缺陷有焊偏、錯(cuò)邊及未熔合等。究其原因，主要是組對(duì)裝夾的問(wèn)題。由于管子壁薄，外徑小，接口處很窄，對(duì)中很難保證。所以，在焊接小管徑鋼管時(shí)必須設(shè)計(jì)一套專門的高精度工裝夾具以保證對(duì)中。

2.1.2 全位置焊機(jī)

對(duì)于直徑5～58 mm，壁厚≤1.5 mm的薄壁鋼管之間的對(duì)焊，一般采用密封式機(jī)頭。但為了焊縫的良好成型，臍帶纜鋼管對(duì)接焊一般采用加絲的開(kāi)放式全位置TIG焊機(jī)，使焊縫可獲得幾乎均勻無(wú)異的成形和接頭質(zhì)量。與手工氬弧焊相比，減少了許多人為因素，保證了焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性。

焊接試驗(yàn)設(shè)備為法國(guó)寶利蘇迪全位置焊管機(jī)，主要組成部分包括：PS164-2便攜式電源、MUIV8/38P焊接機(jī)頭 （適用φ8～φ38 mm鋼管）和Polyfil-3送絲機(jī)等。內(nèi)置保存有60個(gè)預(yù)置程序，基本涵蓋了常用的多種不同材料、不同管徑和厚度焊管的焊接應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)內(nèi)置打印機(jī)打印出焊接實(shí)時(shí)參數(shù)，可通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)程序，并可通過(guò)遙控器直接調(diào)用內(nèi)存中的16個(gè)程序，從而大大降低了對(duì)操作人員的技術(shù)要求，保證了焊縫質(zhì)量。

全位置自動(dòng)焊接機(jī)頭上的鎢極在齒條的驅(qū)動(dòng)下沿管子外壁連續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接。通過(guò)對(duì)各焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化配置，可獲得非常理想的薄壁不銹鋼管件焊縫質(zhì)量和外觀成形。

2.2 拋光裝置

由于對(duì)焊后可能出現(xiàn)焊縫余高過(guò)高、過(guò)寬或有不清晰回波產(chǎn)生的地方，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修磨，使之滿足檢驗(yàn)的要求。

拋光裝置有升降功能，以便鋼管直徑不同時(shí)，調(diào)整拋光裝置的中心線高度。對(duì)焊縫進(jìn)行拋光時(shí)，左右?jiàn)A緊裝置夾緊鋼管。

砂帶行星系統(tǒng)在鋼管對(duì)接焊縫表面進(jìn)行360°精確拋光且鋼管本身不能旋轉(zhuǎn) （鋼管一端連著盤管裝置），拋光帶運(yùn)轉(zhuǎn)直線速度為8～25 m/s，拋光區(qū)域?qū)捈s20 mm。拋光后緊貼鋼管的砂帶 （大圓盤）都停在一個(gè)固定的位置，然后使砂帶離開(kāi)鋼管約20～30 mm，使砂帶遠(yuǎn)離鋼管，這樣可以避免鋼管向前輸送進(jìn)行盤管時(shí)被砂帶損傷表面。

2.3 X射線平板數(shù)字成像檢測(cè)裝置

數(shù)字平板X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)裝置的鉛房?jī)?nèi)裝有環(huán)繞式檢測(cè)裝置，對(duì)鋼管的對(duì)接焊縫進(jìn)行高效率的X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)。X射線檢測(cè)鉛房由X射線探傷機(jī)、數(shù)字平板、防護(hù)鉛板和機(jī)械檢測(cè)平臺(tái)組成。

X射線管安裝在可繞鋼管中心線旋轉(zhuǎn)的行程300°的環(huán)形運(yùn)動(dòng)裝置上。在盤管機(jī)盤卷過(guò)程中，當(dāng)環(huán)焊縫傳送進(jìn)入檢測(cè)鉛房，置于檢測(cè)平臺(tái)時(shí)，使X射線焦點(diǎn)、被檢環(huán)焊縫和平板探測(cè)器中心處于同一直線上。

X射線穿透被檢工件后被平板探測(cè)器吸收轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)中完成圖像顯示，并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。檢測(cè)人員利用計(jì)算機(jī)提供的先進(jìn)的圖像處理手段和圖像測(cè)量工具對(duì)缺陷的性質(zhì)、大小、位置等信息做定性、定量判定，并對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，自動(dòng)生成可打印輸出的檢測(cè)報(bào)告。

經(jīng)檢測(cè)的焊縫合格后，由操作人員通知收線機(jī)進(jìn)行盤卷。

2.4 牽引機(jī)構(gòu)

為了使鋼管盤卷整齊、緊湊，應(yīng)該使鋼管盤管過(guò)程中張力恒定并接近0，防止被拉斷或松馳。

系統(tǒng)在聯(lián)動(dòng)控制狀態(tài)下，牽引機(jī)和盤卷機(jī)的運(yùn)行速度能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以達(dá)到張力很小并恒定，從而穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

離合器采用磁粉離合器，能方便快捷地進(jìn)行離合操作，斷電時(shí)為脫開(kāi)狀態(tài)，通電時(shí)磁粉離合器可以通過(guò)PLC預(yù)先設(shè)定值傳遞扭矩，當(dāng)鋼管承受載荷超過(guò)設(shè)定扭矩時(shí)，磁粉離合器將自動(dòng)打滑保護(hù)鋼管；當(dāng)鋼管承受載荷小于設(shè)定扭矩時(shí)，磁粉離合器將自動(dòng)吸合繼續(xù)進(jìn)行鋼管收放動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)鋼管的張力保護(hù)控制。

2.5 盤卷機(jī)構(gòu)

卷筒是鋼管的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，用以均勻地纏繞鋼管。它由筒芯和邊凸緣組成，是焊接的鋼結(jié)構(gòu)。卷筒采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，通過(guò)鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷筒正反轉(zhuǎn)，使鋼管保持一定的拉力，使其緊繞在卷筒上。

卷筒所能纏繞鋼管的長(zhǎng)度和直徑的大小，主要取決于卷筒的外徑、寬度和筒芯的直徑。例如，對(duì)于φ12.7 mm的鋼管，若纏繞在筒芯直徑1.5 m、卷筒外徑2.5 m、寬度1.5 m的卷筒上，可卷長(zhǎng)度達(dá)20 km以上。

工字輪式卷取機(jī)組，工字輪的邊緣部分沿圓周方向有一錐形通孔，錐形通孔的小端直徑應(yīng)大于最大的鋼管直徑，用于容納鋼管的初始端。

把鋼管的初始端插入收線機(jī)的工字輪的邊緣部分的錐形通孔中，使得在工字輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可以自動(dòng)支撐初始端。整個(gè)卷取工藝采用智能控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，特別用于監(jiān)控鋼管在工字輪式卷取轉(zhuǎn)筒上一層層整齊卷取，直至盤卷卷取結(jié)束。

龍門行走式盤管機(jī)具有自動(dòng)排線功能，其下裝有導(dǎo)軌，在文本顯示器中輸入鋼管的直徑，每盤好一圈，龍門行走式盤管機(jī)就會(huì)在盤管機(jī)導(dǎo)軌上移動(dòng)相應(yīng)的距離，以保證盤管排列整齊。

收盤機(jī)為卷取張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，卷盤的自動(dòng)排線系統(tǒng)采用線速度、卷徑、線徑作為變量控制電機(jī)。電機(jī)經(jīng)減速器減速，減速器輸出端與離合器輸入端聯(lián)接，離合器輸出端與鏈輪傳動(dòng)裝置聯(lián)接。

2.6 水壓試驗(yàn)裝置

需要將盤完的盤管放入試壓房中，用水壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行最高100 MPa的水壓試驗(yàn)。

在封閉的試壓房中，首先排盡盤管里面空氣并注滿水，封住盤管的兩端管口后進(jìn)行增壓，管內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值后封閉增壓口，進(jìn)行靜態(tài)保壓，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)壓降小于允許值 （或壓降為零），則盤管合格。

如壓降大于允許值，則盤管要進(jìn)行氣密試驗(yàn)，找出泄漏點(diǎn)并進(jìn)行修補(bǔ)。氣密試驗(yàn)時(shí)，將不合格盤管放到放線機(jī)上，將盤管兩頭密封并充氣，在牽引機(jī)的作用下經(jīng)矯直機(jī)矯直后，通過(guò)氣密試驗(yàn)水箱找到不合格處，并加以處理，然后用龍門行走式盤管機(jī)進(jìn)行重新盤管。修補(bǔ)后再進(jìn)行水壓試驗(yàn)，直至壓降符合要求。

3 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)論

在所研制的深海臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼盤管生產(chǎn)線上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)采用S32750（SAF2507）超級(jí)雙相不銹鋼管，規(guī)格為φ14.7 mm×1 mm，直管長(zhǎng)度12 m；用幾十根鋼管經(jīng)對(duì)焊、拋光、檢測(cè)等多道工序盤成幾百米長(zhǎng)的盤管。

質(zhì)量控制程序證明，所有測(cè)試的卷取盤卷的力學(xué)性能完全符合ISO 13628-5—2009等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，所研制的生產(chǎn)線能夠滿足生產(chǎn)的需要。

［1］李清泉，楊和振.深海臍帶纜內(nèi)套管間相互作用的研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25（06）： 28－32.

［2］陳凱，夏峰，葉信紅，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜試制關(guān)鍵工藝介紹［J］.電線電纜，2012（02）： 11－13.

［3］黃紹平，蓋玉先，劉會(huì)英.全位置密封式管焊頭關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（08）： 104－109.

［4］劉秀春，亓安芳，李忠杰.全位置TIG對(duì)接焊機(jī)工藝試驗(yàn)研究［J］.鍋爐技術(shù)，2006，37（05）：52－54.

［5］方俊，常立寒.DR實(shí)時(shí)成像技術(shù)在封頭焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備，2013，42（03）：87－89.

［6］張龍，高速線材軋線夾送輥工作過(guò)程分析及其參數(shù)設(shè)置［J］.治金叢刊，2010，187（03）：24－26.

［7］REDOLFI N，SALVADOR G，F(xiàn)ERRIERE NORD. 棒卷生產(chǎn)線：工業(yè)化運(yùn)行中的第一臺(tái)工字輪式卷取設(shè)備［J］.鋼鐵，2005，40（01）：77－79.

［8］吳金輝，梁根選，王樹(shù)人，等.平板X射線成像技術(shù)在螺旋埋弧焊管檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.焊管，2011，34（04）：29－31.

［9］武立倉(cāng).大盤卷生產(chǎn)線加勒特和工字輪式卷取設(shè)備特點(diǎn)［J］.安徽冶金，2009（01）：25－27.

［10］奚運(yùn)濤，樊明鋒，張振永.小口徑鋼管全位置脈沖TIG多層焊的組織分析[J].焊接，2005（08）：32－34.