鉆井船泥漿系統(tǒng)4130管材焊接工藝研究與PAUT應(yīng)用

王海晨， 丁斌福， 楊生賢， 陳曉俊

(上海船廠船舶有限公司， 上海 315211)

?

鉆井船泥漿系統(tǒng)4130管材焊接工藝研究與PAUT應(yīng)用

王海晨， 丁斌福， 楊生賢， 陳曉俊

(上海船廠船舶有限公司， 上海 315211)

摘要：該文通過對鉆井船泥漿系統(tǒng)管材焊縫力學(xué)性能和焊接性進行分析，總結(jié)出焊接工藝要點；通過對相控陣超聲檢測技術(shù)在鉆井船泥漿系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢進行闡述，指明 PAUT(相控陣超聲檢測技術(shù))具有相對方便、靈活、無輻射等技術(shù)特點，通過對泥漿管焊縫應(yīng)用PAUT檢測，驗證了4130管材焊接工藝研究的適用性，保障鉆井船泥漿管路施焊質(zhì)量的有效控制。

關(guān)鍵詞：焊接規(guī)范；熱處理組織與性能；相控陣超聲檢測；泥漿系統(tǒng)管路焊縫

0引言

鉆井船作為海洋石油勘探和開發(fā)的主要工具，泥漿管匯系統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)是否優(yōu)良關(guān)系到核心鉆井系統(tǒng)的實現(xiàn)。泥漿管匯的作用是傳遞、循環(huán)泥漿，其負載的泥漿液體介質(zhì)表壓區(qū)間為7 500 Psi～15 000 Psi，工作壓強較大，對焊縫質(zhì)量要求高。泥漿管材質(zhì)為ASTM A519 Gr4130，屬于Cr-Mo 系中碳調(diào)質(zhì)鋼，其碳當(dāng)量CEIIW高達0.73%，可焊性較差。該文通過管材焊縫力學(xué)性能和焊接性進行分析，總結(jié)出焊接工藝要點；通過對泥漿管焊縫應(yīng)用PAUT檢測的技術(shù)總結(jié)，保障鉆井船泥漿管路施焊質(zhì)量有效控制，有力驗證4130管材焊接工藝研究的適用性。

14130管材焊接工藝研究

1.1可焊性分析

試驗所用的母材為?88.9 mm×20 mm的ASTM 4130QT鋼管，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2，其組織主要為回火索氏體。

表1　ASTM 4130鋼管的化學(xué)成分

ASTM A519Gr4130屬于Cr-Mo系中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有很高的屈服強度和抗拉強度、良好的缺口韌性。該材料含碳量與合金含量較高，由國際焊接協(xié)會推薦的碳當(dāng)量公式計算：

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V/5)+(Ni+Cu/15)(1)

該材料的平均碳當(dāng)量為0.67，裂紋敏感指數(shù)Pcm為0.42，冷裂紋敏感性較高，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，且焊后不能進行調(diào)質(zhì)處理，焊接時易產(chǎn)生冷裂紋和熱影響脆化、軟化，所以在制定焊接工藝時，主要從防止冷裂紋和避免軟化出發(fā)。而根據(jù)高壓泥漿管的工作環(huán)境，接頭性能必須保證其抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的能力，因此對根部焊道中的Ni、S、P的含量要求嚴格控制。

根據(jù)海洋平臺建造規(guī)范規(guī)定，需要附加沖擊韌性規(guī)定，依據(jù)NORSOK規(guī)范，制定工藝時的沖擊韌性要求定在-30℃下，最小沖擊值為42J，最高硬度為22HR。同時在進行制定工藝時，最終的焊接接頭性能也應(yīng)滿足標準要求的最低機械性能，特別是焊后熱處理后的性能，包括屈服強度、抗拉強度和沖擊韌性、硬度等要求。

在制定工藝時，同時需要給現(xiàn)場施工留有一定的工藝裕度。通過以上分析及相關(guān)的試驗對比，最終選用氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)填充和蓋面。另外通過合理的工藝參數(shù)選定，保證焊后熱處理后的機械性能。選用焊絲為AWS A5.28 ER80S-Ni1, ?2.4 mm,焊條為AWS A5.5 11018G H4, ?3.2 mm。焊絲的化學(xué)成分見表3，焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見表4。

表3　焊絲的化學(xué)成分

表4　焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

1.2焊接試驗過程

采用機械切割方法，選用鋼管若干段(長度至少150 mm),開V形坡口，圖1為接頭的坡口示意圖及焊道布置圖，坡口角度α為55°～65°，鈍邊P為0 mm～1 mm,間隙C為2 mm～4 mm。焊接位置為傾斜45°固定對接(6G)，鎢極氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)填充和蓋面。裝配時，定位焊搭橋定位，盡量避免使用根部定位，焊接方法使用氬弧焊(GTAW)，裝配工藝與正式焊接工藝參數(shù)相同，裝配預(yù)熱溫度稍高于正式焊接預(yù)熱溫度，正式焊接參數(shù)見表5。

圖1　坡口示意圖及焊道布置圖

表5　主要焊接工藝參數(shù)

圖2　焊接接頭宏觀試樣

焊后外觀檢查合格，焊后無損檢測選用PAUT(相控陣超聲檢測技術(shù))，檢測結(jié)果良好。在破壞性試驗中，橫向拉伸及側(cè)彎試驗均合格，宏觀試驗顯示焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合、未焊透等焊接缺陷，焊接接頭宏觀試樣如圖2所示。

硬度測試位置如圖3所示，對焊縫區(qū)域進行硬度測試，測試點硬度值均低于250 Hv(22HRC)，滿足技術(shù)要求。

圖3　硬度測試位置示意圖

對試樣進行微觀試驗分析，發(fā)現(xiàn)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材組織均為回火索氏體，焊縫組織晶粒細小沿柱狀晶分布，這種組織結(jié)構(gòu)有力的驗證了工藝的合理性。

以上檢測數(shù)據(jù)顯示，各項試驗結(jié)果均符合美國船級社的規(guī)范要求，該焊接工藝評定獲得美國船級社資質(zhì)認可。

1.3焊接工藝要點總結(jié)

焊前和每次焊道焊后嚴格清除坡口內(nèi)雜質(zhì)、焊渣等缺陷，若焊口當(dāng)天不能焊接完工，應(yīng)使用膠帶封閉保護。焊條使用前應(yīng)在350℃～400℃下烘干1 h，隨后放入100℃～150℃的焊條保溫箱內(nèi)，隨用隨取。由于材料的裂紋傾向性較大，焊接中必須使用較高的預(yù)熱及控制最高層間溫度，焊前采用氧乙炔火焰或電加熱方式對焊件進行預(yù)熱，嚴格控制層間溫度，將預(yù)熱和層間溫度控制在180℃～250℃；根據(jù)材料的特性，焊后對接頭進行焊后熱處理(PWHT)以進一步完善接頭組織的性能及消除殘余應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)讓焊縫完全冷卻，溫度低于馬氏體終點溫度(Mf)，確保熱處理前沒有殘余奧氏體；微觀組織為回火索氏體(即緩冷卻至預(yù)熱溫度以下再進行PWHT), PWHT溫度為610℃～630℃之間，保溫時間最低為2 h，升溫和降溫速度≤150℃/h,300℃以下不控制。

2PAUT檢測技術(shù)應(yīng)用

鉆井船對泥漿系統(tǒng)管壁厚均在15 mm以上，一般采用γ射線檢測居多。γ射線檢測方法具有檢測效率低、現(xiàn)場射線輻射大、γ射線源申請流程復(fù)雜等劣勢，而PAUT(相控陣超聲檢測技術(shù))則具有相對方便、靈活、無輻射等特點[7]。

2.1泥漿系統(tǒng)管路焊縫PAUT檢測過程

先對被檢焊縫區(qū)域表面進行預(yù)處理，確保無飛濺、油漆、氧化皮等，使用油漆筆標記檢測起始點及檢測方向，以保證檢測結(jié)果在之后缺陷定位時的可重復(fù)性。為方便被檢工件做好零位標記，箭頭一般為逆時針方向(一般逆時針旋轉(zhuǎn)掃查)；調(diào)整探頭及掃查器位置，使探頭位于檢測0 點并能沿檢測參考線運動；打開耦合水供應(yīng)裝置；點擊開始檢測和移動掃查器，對焊縫及熱影響區(qū)進行檢測，探頭的移動軌跡與參考線之間的誤差應(yīng)不大于±1 mm，且探頭移動速度不大于100 mm/s；當(dāng)檢測完成后，凍結(jié)數(shù)據(jù)并評估數(shù)據(jù)的有效性；關(guān)掉水源。

2.2分析和缺陷處理

數(shù)據(jù)分析及缺陷評估方法如下：

數(shù)據(jù)分析軟件使用奧林巴斯公司的Tomoview2.10，分析界面如圖4所示。所有波幅信號超過20%參考線(16%FSH)的信號均進行分析，以判斷其為缺陷信號或幾何結(jié)構(gòu)反射；來源于結(jié)構(gòu)表面或材料內(nèi)部晶粒顯示可判斷為幾何結(jié)構(gòu)反射[8]。這些信號不需要進行定量及評估，但是需要記錄它的位置及波幅信息。

圖4　相控陣掃查數(shù)據(jù)分析界面

在進行數(shù)據(jù)分析前，應(yīng)再次確認數(shù)據(jù)的有效性，數(shù)據(jù)分析的屏幕布局應(yīng)包含A 掃描，B 掃描，C 掃描及S 掃描；焊縫覆蓋必須設(shè)置為實際的焊縫尺寸；B 掃描圖像應(yīng)被放大到合適的大小，屏幕最大顯示范圍不應(yīng)超過150 mm(這樣可以保證指針沿焊縫圖像運動時顯示較小的截面步進)；使用鍵盤上的箭頭鍵或鼠標移動指針，從S 掃描上尋找可能存在的缺陷信號，如圖5所示；將S 掃描上的角度指針移動至缺陷顯示的中心位置，同時在A掃描中找到最高波，如圖6所示，并使用B 掃描或C掃描對缺陷進行測長；需要時，在S 掃描上使用6 dB 法或尖端衍射法對缺陷進行測高；使用S 掃描對缺陷在焊縫截面上的位置進行測量。

圖5　缺陷的初步確認

圖6　缺陷最高波位置

2.3缺陷定量方法

平行于檢測面的缺陷長度可以通過編碼B掃描或C掃描記錄進行測量，測量時采用6 dB法在B掃描或C掃描上使用測量指針進行；垂直于檢測面的缺陷高度可在E掃描或S掃描上進行測量，測量時可采用6 dB法或尖端衍射法[9]。對不同的缺陷，應(yīng)選用適合的測量方法，評為不合格的缺陷按照檢測前做好的相應(yīng)焊縫編號和零位標記標出缺陷位置，方便焊工按照修補工藝處理。

鉆井船泥漿系統(tǒng)相控陣超聲波檢測工藝已通過美國船級社的審核，PAUT具有檢測速度快、對缺陷的檢出率高、對缺陷定量定位精確等優(yōu)勢，同時，也存在一定的不足之處，例如：檢測設(shè)備的操作和數(shù)據(jù)判讀，對人員的要求比較高；儀器調(diào)節(jié)過程復(fù)雜，調(diào)節(jié)的準確度對檢測結(jié)果影響較大。通過相關(guān)檢測培訓(xùn)，對用相控陣超聲波檢測的泥漿系統(tǒng)管路焊縫采取30%～50%射線檢測覆蓋、復(fù)核，一定程度上保障PAUT檢測的有效性，相控陣超聲波檢測和射線檢測對比數(shù)據(jù)見表6。

表6　相控陣超聲波檢測和射線檢測對比數(shù)據(jù)表(部分)

3結(jié)語

在1 500 m作業(yè)水深鉆井船建造過程中，通過對泥漿系統(tǒng)焊接工藝研究和焊縫相控陣超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用，總結(jié)出焊接工藝要點，同時，利用檢測信息大數(shù)據(jù)的積累、采集和研究，促進相控陣超聲波檢測在焊縫檢測應(yīng)用范圍的逐步擴展，保障鉆井船泥漿管路施焊質(zhì)量有效控制。

參考文獻

[1]錢旭瑞.海洋平臺30CrMo調(diào)質(zhì)鋼管的焊接[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2010，46(6):29-30.

[2]薄國公.焊后熱處理對ASTM 4130鋼焊接接頭組織和性能的影響[J]. 壓力容器，2011，28(2)：16-21.

[3]ASME IX-2013.ASME Boiler and Pressure Vessel Code IX[S]. 2013.

[4]NACE MR0175/ISO 15156-2. Petroleum and natural gas industries material for use in H2S-containing environments in oil and gas production[S]. 2009.

[5]NORSOK M-630. Material date sheets for piping[S]. 2003.

[6]ASTM A519-06. Standard Specification for seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical Tubing[S]. 2006.

[7]江運喜，單聯(lián)祺. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接件超聲相控陣檢測的數(shù)據(jù)仿真[J]. 無損檢測，2010，32(9)：661-663.

[8]黃江中.焊接缺陷的超聲衍射信號分析與圖像處理[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[9]孫正.基于圖像的焊接缺陷提取與識別方法研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué),2010.

Welding Technology Research and PAUT Application of 4130 pipe for Drilling Mud System

WANG Hai-chen, DING Bin-fu, YANG Sheng-xian, CHEN Xiao-jun

(Shanghai Shipyard Shipping Co., Ltd, Shanghai 315211)

Abstract：The purpose of this paper is to summarize welding procedure by analysis the mechanical properties and welding properties of ASTM A519 Gr 4130 pipe in the system of mud.It is also generalizing that technical characteristic of PAUT(Phased Array Ultrasonic Test) for mud system in drilling vessel in which set forth and point out that PAUT is convenient, agility, no radiation and so on other technical characteristic. It is intending to improve it that carry out PAUT in weld seam of mud pipe, meanwhile, the accumulation , collection and research of test information data is used for promoting PAUT is widely increasing application range and extending for the welding procedure and PAUT to marine project in company.

Keywords：drilling vessel; welding specification；heat treatment；microstructures and properties；PAUT(Phased Array Ultrasonic Test)； pipe weld seam in the system of mud

中圖分類號:U692

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0090-06

作者簡介：王海晨(1969-)，男，高級工程師。

收稿日期：2015-09-16