海洋鉆井隔水管單根制造技術(shù)研究

呂拴明，覃　建，張　凱，劉志林，楊曉哲

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)

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海洋鉆井隔水管單根制造技術(shù)研究

呂拴明1，2，覃建1，張凱1，2，劉志林1，楊曉哲1

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)

摘要：針對國內(nèi)在隔水管制造技術(shù)方面的研究成果，結(jié)合隔水管單根實際生產(chǎn)制造的過程，分析了國內(nèi)在隔水管單根的制造過程中所需要的關(guān)鍵技術(shù)。通過對隔水管單根制造過程的探索與研究，以隔水管單根的組成和相關(guān)技術(shù)參數(shù)為起點，從隔水管的材料選擇、管體制造、接頭技術(shù)、焊接技術(shù)、加工與裝配、防腐處理和試驗驗證7個方面對隔水管目前的制造技術(shù)進行了分析研究。研究結(jié)果表明：我國已經(jīng)掌握了隔水管單根的制造技術(shù)，此項技術(shù)國產(chǎn)化的實現(xiàn)將對我國海洋石油裝備的國產(chǎn)化發(fā)展具有推動作用。

關(guān)鍵詞：隔水管；單根；制造

海洋鉆井隔水管是海洋深水油氣田開發(fā)的重要裝備，需滿足環(huán)境溫度-20～50 ℃的海洋工況，具有投資高、風險高，難度大，技術(shù)要求高的特點。隔水管制造技術(shù)一直被國外少數(shù)國家所壟斷。國內(nèi)很多機構(gòu)近年來針對隔水管系統(tǒng)進行了研究分析，特別是在隔水管使用強度方面做了大量的研究，并在隔水管技術(shù)研發(fā)方面取得了一定的研究成果，但國內(nèi)在隔水管產(chǎn)品的制造方面還處于探索階段。2007年，寶雞石油機械有限責任公司承擔國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究”課題，先后攻克了隔水管結(jié)構(gòu)設(shè)計，隔水管相關(guān)方案設(shè)計，隔水管連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計，對隔水管強度進行了理論計算，并對海洋油氣裝備的涂裝防腐技術(shù)做了研究，但是隔水管的自主生產(chǎn)制造技術(shù)還未取得較大進展。面對國內(nèi)現(xiàn)狀，寶雞石油機械有限責任公司經(jīng)多年的研究，已經(jīng)掌握了隔水管的制造技術(shù)，為實現(xiàn)我國在隔水管制造技術(shù)方面的自主生產(chǎn)、打破國外技術(shù)的壟斷邁進了重要的一步，隔水管的研發(fā)已經(jīng)從樣機制造及試驗驗證階段逐漸向產(chǎn)品制造階段過渡，正在積極籌建全國首套隔水管生產(chǎn)線，預(yù)計建成后將實現(xiàn)隔水管制造的國產(chǎn)化，達到批量生產(chǎn)。

近年來國內(nèi)機構(gòu)已經(jīng)研究出了隔水管的配套方法，結(jié)合國外隔水管使用、維修的經(jīng)驗，在海洋石油裝備研發(fā)方面取得了較大的成果；已經(jīng)通過樣機制造，掌握了隔水管單根的制造技術(shù)，且完成了隔水管疲勞性能試驗。在與隔水管相關(guān)的材料技術(shù)、焊接技術(shù)、裝配試驗和防腐處理技術(shù)上實現(xiàn)了突破。

1隔水管系統(tǒng)簡介

隔水管的作用是隔離油井與海水，形成鉆井液的循環(huán)通道，為鉆桿向海底井口下放提供通道，同時用以安裝水下防噴器，并具有支撐各種管線的能力。

隔水管組成主要包括：卡盤、萬向節(jié)、分流器、伸縮節(jié)、隔水管、填充閥、撓性接頭、終端接頭等，每個組成都有其特殊的作用，保證了海洋鉆井的順利進行。

隔水管由于其使用環(huán)境的特殊性與復雜性，為了使其達到良好的工作性能，對于制造過程就需嚴格的控制，最大限度地發(fā)揮材料的潛力，確?？煽啃浴Ｄ壳八媾R的技術(shù)挑戰(zhàn)主要為：原材料的性能要求、焊接過程中的質(zhì)量要求、加工尺寸及裝配精度的控制要求，可靠性驗證試驗和表面防腐處理的技術(shù)。隔水管單根作為隔水管系統(tǒng)中最主要的部分，其質(zhì)量直接影響到隔水管系統(tǒng)的使用壽命。

隔水管由于其特殊的工作環(huán)境，對其產(chǎn)生影響的因素較多，主要可分為環(huán)境因素和作業(yè)因素2種，其中環(huán)境因素有：①水深。水深決定隔水管的長度、質(zhì)量，對船體或平臺帶來更高要求，同時使得隔水管結(jié)構(gòu)復雜，對材料提出了更高的要求，也增加了作業(yè)中的風險；②海浪。海浪對隔水管產(chǎn)生水平方向的載荷，從而影響平臺運動，造成隔水管的疲勞損傷；③海流。海流的增加導致平臺穩(wěn)定系統(tǒng)的載荷增加，同時增加了作業(yè)中的操作難度，容易導致鉆井事故。作業(yè)因素包括鉆井液密度、脫離后懸掛模式、浮力塊分布、壓井管線工作壓力、鉆井載荷等。這2個因素均直接影響隔水管的受力狀態(tài)，對隔水管的壽命產(chǎn)生較大的影響。

2隔水管單根技術(shù)分析

2.1隔水管單根組成

隔水管單根是隔水管系統(tǒng)的主要組成部分，如圖1所示。主要由隔水管單根主管(包括主管管體、主管公接頭及主管母接頭)、節(jié)流壓井管線、鎖塊總成、支架與調(diào)節(jié)螺母等組成。

圖1　隔水管單根結(jié)構(gòu)

2.2結(jié)構(gòu)形式與特點

隔水管單根作為隔水管系統(tǒng)的主體，管體是大直徑直縫焊管或無縫管，兩端焊接高強度接頭，輔助管線固定與主管線上，按照管壁外徑、壁厚、材料等級區(qū)分，隨鉆井水深的增加而其壁厚也增加。

2.3隔水管單根尺寸參數(shù)

隔水管單根根據(jù)其使用可分為帶浮箱與不帶浮箱2種形式，而帶浮箱的形式又可分為所有隔水管單根均布浮力塊和下部不配浮力塊2種形式。

隔水管單根長度有15.24 (50英寸)、19.81 (65英寸)、21.34 (70英寸)、22.86 (75英寸)、27.43m(90英寸)等規(guī)格。根據(jù)海水深度可選擇不同長度的隔水管，一般淺水(水深小于500m)和深水(水深500～1 000m)使用15.24m與19.81m長度的隔水管；超深水(水深大于1 500m)一般選用22.86m與27.43m隔水管。

3關(guān)鍵制造技術(shù)

3.1管體材料

隔水管材料需要足夠的力學性能、韌性、疲勞強度、腐蝕性及耐磨性，可選用鈦、鎳合金等。通常管體選用X80鋼，其最小屈服強度551.6MPa，最大可達705MPa，可以滿足隔水管的使用。X80材料目前國內(nèi)已經(jīng)研制成功，并逐步研制了X100或X120等材料。其力學性能、化學成分、焊接質(zhì)量、以及焊縫的強度、韌性、硬度、金相組織、均需達到相關(guān)標準的要求[1]。

隔水管原材料在確定選用前需通過試驗驗證材料的性能，要滿足沖擊強度、硬度(包括焊縫材料硬度)、屈服強度、極限強度伸長率等力學性能要求。隔水管材料選用已制定了相關(guān)標準，國產(chǎn)材料已逐漸接近國外的材料性能[2]。在達到材料選用標準要求的基礎(chǔ)上，可以選用國產(chǎn)材料。

3.2管體工藝技術(shù)

根據(jù)經(jīng)驗，隔水管管體為焊接成形，一般用UOE或JCOE成型工藝的直縫埋弧焊接方法[3]，鋼材用吹氧轉(zhuǎn)爐或冶煉并經(jīng)真空脫氣、脫鈣和微鈦處理細晶粒純凈鋼，管體用鋼板采用熱機械控扎工藝生產(chǎn)[4]。

1)UOE成形直縫埋弧焊接，如圖2所示。焊接后能較好滿足深海環(huán)境的要求，可保證管徑、壁厚的精確性，具有使用可靠、焊接質(zhì)量高，焊接速度快的優(yōu)點。

2)JCOE成形直縫埋弧焊接，如圖3所示。具有較高的生產(chǎn)作業(yè)效率，經(jīng)過后續(xù)的雙面埋弧焊接，機械擴孔工藝，無損檢測，防腐涂裝即可完成管體制作。工藝流程如圖4所示。

隔水管管體按照長度要求下料后直接與隔水管接頭焊接，目前管體采用國內(nèi)某鋼管廠生產(chǎn)的鋼管，其各項指標均符合標準的要求[5]。

圖2　UOE工藝示意

圖3　JCOE工藝示意

圖4　隔水管管體成形過程

3.3隔水管單根接頭技術(shù)

隔水管接頭一般采用X80J鍛件材料，國內(nèi)通常采用30CrMo，對于選用材料的力學性能與冶煉方法有嚴格規(guī)定，鋼材為經(jīng)鍛造后成型的高強度鋼，接頭尺寸需與防噴器組相匹配，并保證接頭之間連接的互換性。

根據(jù)API相關(guān)要求，隔水管接頭需通過以下性能試驗方可用于制造：接頭應(yīng)力分布驗證試驗(首臺或樣機貼片測試應(yīng)力試驗)、接頭額定載荷試驗、接頭連接互換試驗、額定壓力密封試驗。對于首臺驗證試驗還需進行循環(huán)載荷(疲勞)試驗。接頭在加工完成后與隔水管主管體焊接，形成隔水管單根主體，主焊縫需在焊接過程中、焊接后和再次加工后采用射線與超聲波方法進行檢測，并對焊縫與焊縫影響區(qū)進行硬度測試，以確認其可靠性。

3.4管體組焊技術(shù)

管體組焊是隔水管單根制造中的關(guān)鍵步驟，組焊主要是隔水管主管體與兩端接頭之間的焊接，焊接質(zhì)量對隔水管的強度產(chǎn)生影響，其可靠性直接影響隔水管的壽命。據(jù)有關(guān)分析，在使用過程中，隔水管接頭周圍由于存在焊縫和連接，且存在尺寸變化，周圍容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中，進而影響隔水管的疲勞特性[6]，因此管體組焊后的焊接質(zhì)量可直接影響隔水管單根的使用強度。

管體組焊需按照特定的工藝執(zhí)行，一般情況下主管采用X80鋼，接頭采用30CrMo材料，2種材料的力學性能與化學成分如表1～2所示。

表1　X80與30CrMo鋼的化學成分　wB%

表2　X80與30CrMo鋼的力學性能

根據(jù)試驗研究結(jié)果可選用BOHLEREML5氬弧焊打底，采用FOXBVD90堿性低氫焊絲填充、蓋面[7]，焊接破口形式如圖4所示，焊接后其力學性能、金相組織、硬度分析與韌性分析均滿足規(guī)范要求。

圖5　焊縫結(jié)構(gòu)

3.5加工與裝配

隔水管單根屬于大型構(gòu)件，長度和直徑相對一般構(gòu)件較大，加工設(shè)備需滿足足夠的工作空間，同時要求具有較高的加工精度，對于隔水管單根需保證接頭或法蘭具有互換性。

密封性是隔水管接頭加工過程中的一個重要技術(shù)要求，根據(jù)密封要求，隔水管接頭相互連接后需保證一定壓力下的密封效果，要求工作可靠，壽命長，耐高溫、耐腐蝕等。以MR-6E型隔水管為例，公接頭與母接頭相連接，長期在海水與鉆井液的腐蝕環(huán)境中工作，這就要求隔水管在接頭加工技術(shù)方面需考慮其密封性，在加工過程中充分考慮加工精度，需滿足設(shè)計要求的配合尺寸，達到可靠的強度與密封。

3.6防腐處理技術(shù)

海洋屬于高腐蝕性環(huán)境，從某種意義上講，防腐技術(shù)的可靠性決定隔水管在海水中的使用壽命。隔水管單根在使用中一直處在海水全浸區(qū)，海水中隔水管的腐蝕速度要比大氣中迅速，且隨著海水深度增加，海水溫度溫度接近0 ℃，其腐蝕速度也在變化，同時隔水管在海水中的材料抗疲勞性能力比大氣中的抗疲勞性能明顯降低[8]。為了滿足隔水管在海水中的使用性能要求，需對隔水管表面進行防腐處理。在實際應(yīng)用中，依據(jù)隔水管部件的結(jié)構(gòu)形式進行不同的防腐處理：隔水管單根主體防腐、緊固件與密封連接件防腐。

單根主體防腐采用熱噴涂防腐技術(shù)，表面熱噴涂鋅、鋁或其他合金層，為母材提供一層屏蔽層，并在涂層上涂覆封閉涂料，可延長涂層使用壽命。目前我國的熱噴涂防腐技術(shù)已經(jīng)在海洋裝備中有較大范圍應(yīng)用。根據(jù)研究結(jié)果，在鋁涂層下隔水管的防腐疲勞壽命明顯的提高[9]，可適應(yīng)深水環(huán)境與循環(huán)載荷下的工作要求，大幅減少海水的腐蝕，提高隔水管的使用壽命，降低了作業(yè)的安全風險。建議使用方案：管體表面噴砂后熱噴涂99.5%純鋁(TSA)，厚度0.178～0.356mm，噴鋁后表面涂封孔劑涂層，厚度≤0.03mm，此涂裝方案可適應(yīng)海洋隔水管的防腐性要求。

緊固件與密封連接件防腐：緊固件防腐與主管體有所不同，根據(jù)實驗分析及研究，螺栓等緊固件適合采用電鍍鋅+Xylan涂料復合涂層，由于Xylan獅隆的復合材料的干膜層具有較強的自潤滑性能，因此安裝后的緊固件可準確達到所要求的安裝預(yù)緊轉(zhuǎn)矩[10]，而且涂層具有較高的抗腐蝕性、高耐磨性和高附著力的特點，適用于海洋水域的緊固件防腐處理。由于隔水管密封連接件具有密封性要求，根據(jù)海洋環(huán)境中的使用，可采用噴焊合金涂層的方法進行防腐，特點是噴焊合金涂層有高抗腐蝕性、高耐磨性的優(yōu)點。

3.7試驗與出廠要求

根據(jù)API要求，隔水管需完成循環(huán)載荷試驗(疲勞試驗)，由于無法直接在海水中完成，需選用專用的試驗裝置[11]。試驗裝置需模擬海水工況，能有效預(yù)測隔水管在循環(huán)載荷中材料的抗疲勞性能。

出廠試驗為設(shè)備量產(chǎn)后的試驗，需完成以下試驗。

1)材料拉力試驗。按照材料性能要求對管體材料進行機械拉伸試驗，驗證材料的力學性能。

2)接頭連接密封試驗。用以驗證隔水管接頭互換后能否達到密封效果。

3)其他用戶要求或規(guī)范要求的試驗。

4結(jié)論

1)我國在隔水管單根國產(chǎn)化制造方面取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破，已經(jīng)掌握了隔水管單根的制造技術(shù)。

2)隔水管單根生產(chǎn)制造是一個復雜的系統(tǒng)工程，要繼續(xù)加大研究力度，加快產(chǎn)品產(chǎn)出，提高工藝技術(shù)，投入專業(yè)設(shè)備，攻克隔水管制造技術(shù)上的各個難點，盡快產(chǎn)出具有作業(yè)經(jīng)驗的隔水管，使一部分產(chǎn)品投入市場，并在使用中改進、積累經(jīng)驗。并加快相關(guān)輔助產(chǎn)品研發(fā)，拓展產(chǎn)品范圍。

3)以隔水管技術(shù)改造為起點，加快隔水管單根和其他配套件的生產(chǎn)，逐漸實現(xiàn)隔水管系統(tǒng)的全配套能力，最終實現(xiàn)國產(chǎn)化。

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ManufacturingTechniqueResearchofOffshoreDrillingRiserSingle

LYUShuanming1，2，QINJian1，ZHANGKai1，2，LIUZhilin1，YANGXiaozhe1

(1.CNPC Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.College of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China)

Abstract：According to the domestic technology in the research results of the studies on the riser，combined with the actual production of the riser single manufacturing process，the key technology needed in riser single manufacturing was analyzed.In view of the riser localization of manufacturing technical exploration and research，according to the composition of riser single and related technical parameters as a starting point，seven aspects were analyzed，that is material selection，pipe system to build，combination of welding technology，joint technical，processing and assembly，anti-corrosion treatment，and test validation.The results show that our country has mastered the manufacture technology of riser single，the realization of the localization in riser single manufacturing technology will play an important role in promoting the localization of development of China's offshore oil equipment.

Keywords：drilling riser；single；manufacturing

文章編號：1001-3482(2016)06-0076-05

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：呂拴明(1982-)，男，陜西扶風人，工程師，碩士，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備的制造工作，E-mail：lvshuanming@126.com。

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.017