隔水管張緊器承壓環(huán)焊接工藝的研究

孫博， 賀繼有， 臧百興， 劉宏亮， 李月星

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721000）

0 引言

目前，國際上眾多石油公司已將開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至深水領(lǐng)域（如墨西哥灣、巴西、西非、我國南海等），鑒于深海油氣田開采環(huán)境惡劣，開采難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、海水腐蝕、浪涌、洋流及深水壓力等，對深海設(shè)備提出嚴(yán)格要求。而海洋鉆井隔水管系統(tǒng)是浮式海洋鉆井平臺的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前成熟技術(shù)僅掌握在美國、挪威、日本等國，我國研究開發(fā)僅處于起步階段，因此開發(fā)隔水管具有重要戰(zhàn)略意義及廣闊市場前景。

隔水管張緊器（圖1）[1-3,7]位于鉆臺面以下，與伸縮裝置外筒連接，起到承載整個隔水管管柱重力的作用，同時(shí)作為節(jié)流壓井管線、泥漿增壓管線及液壓管線的終端，該部件極為重要。承壓環(huán)作為張緊器關(guān)鍵承壓部件，焊接過程由于雙耳板間隙較窄、焊接圓弧區(qū)域、位置立向焊接等諸多難點(diǎn)，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過現(xiàn)場制備相應(yīng)工裝及工藝改進(jìn)，解決了大厚板窄間隙全熔透焊接難題，突破技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)工藝可行性。

圖1 張緊器簡圖

1 焊接工藝試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)材料及方法

1）試驗(yàn)材料。承壓環(huán)本體與周圈吊耳母材為X80鍛件[4]，化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1；通過對X80J鍛件材料匹配性問題，分析焊材選取規(guī)范、焊接工裝制備、焊前焊后熱處理、返修方法等對焊接接頭的質(zhì)量影響，并研究焊接接頭的力學(xué)性能。

表1 X80的化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖2 耳板位置圖

2）試驗(yàn)方法。a.坡口型式：采用K型坡口保證耳板焊縫（60 mm）對稱施焊，預(yù)防焊接變形，鈍邊尺寸1 ～2 mm便于全熔透，詳見圖2。b.焊接方法：由于耳板中間距離較短（130 mm），同時(shí)為保證焊縫根部全熔透，達(dá)到內(nèi)部無損檢測要求，采取手工電弧焊的形式，打底焊及填充蓋面焊采用φ3.2 mm以及φ4.0 mm，手工電弧焊焊條化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2所示。

表2 試驗(yàn)用CHE707焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.2 焊接工藝的分析

1）制備旋轉(zhuǎn)工裝[8-9]，實(shí)現(xiàn)焊接方式轉(zhuǎn)變。承壓環(huán)由本體與周圈8組耳板焊接而成，耳板為全熔透焊縫，即采取正面施焊、背面清根的方法施焊。工件由于形狀要求，只能采取立焊形式，不僅影響焊接質(zhì)量，同時(shí)焊接效率也大幅下降。采用前后兩端鏤空板通過3組螺栓加套管形式進(jìn)行固定，中部通過旋轉(zhuǎn)軸帶動工件整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件大坡口焊縫的立焊位置向平焊位置的轉(zhuǎn)變，保證質(zhì)量的同時(shí)減少了天車翻轉(zhuǎn)工件的時(shí)間，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率（見圖3）。

圖3 工裝圖

2）配備電加熱設(shè)備，消除內(nèi)用力。由于隔水管承壓環(huán)及吊耳厚度較厚（70 mm，120 mm），且焊接區(qū)域?yàn)閳A弧面，使得圓弧兩端端面填充量很大，焊接的全熔透特點(diǎn)又使得焊縫需內(nèi)部施焊加外部刨磨的方式消除中間缺陷，上述情況對母材內(nèi)部產(chǎn)生極大的焊接應(yīng)力，容易造成層狀撕裂。在承壓環(huán)本體內(nèi)部加裝加熱片，并控制層間溫度，使得整個焊接過程收縮同步，減少層狀撕裂傾向（如圖4）。

圖4 內(nèi)部固定加熱帶

1.3 現(xiàn)場工藝確定

承壓環(huán)裝置中雙耳板、窄間隙（130 mm）、小坡口角度以及全熔透圓弧面焊縫特點(diǎn)，正規(guī)施焊，根本無法實(shí)現(xiàn)超聲波探傷要求，保證焊縫質(zhì)量。通過多種改進(jìn)措施，保證焊縫成型，實(shí)現(xiàn)超聲波檢測探傷合格，為圓弧厚板焊接提供經(jīng)驗(yàn)。

1.3.1 焊前準(zhǔn)備

1）焊前、焊后、焊接過程熱處理。焊前通過內(nèi)部加電熱片形式，對焊縫周圍（200 mm以上）加熱至200℃±20℃，焊后石棉被保溫緩冷，焊接過程中持續(xù)加熱且層間溫度要求控制在250℃以內(nèi)，保證焊接本體及焊縫均勻受熱，減少應(yīng)力應(yīng)變，防止層間撕裂的產(chǎn)生。

2）變形考慮。耳板厚度較厚，焊接過程中收縮應(yīng)力大，易引起變形，焊前加裝工藝撐進(jìn)行保證（如圖5）。

3）坡口清理。清除坡口面及其它待焊接部位及兩側(cè)70 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物，直至露出金屬光澤。

圖5 加裝工藝撐

1.3.2 焊接工藝參數(shù)

1）焊前預(yù)熱200℃±20℃；2）焊接過程保持層間溫度在250℃以內(nèi)，保證焊接本體及焊縫均勻受熱，減少應(yīng)力應(yīng)變，防止層間撕裂的產(chǎn)生，焊接規(guī)范參數(shù)如表3所示；3）焊接過程采取正面施焊，背面碳弧氣爆清根后進(jìn)行雙面施焊，8組耳板采取對稱施焊方式，防止內(nèi)應(yīng)力造成的變形；4）焊后及時(shí)用石棉被保溫，防止冷速過快，保證氫及時(shí)逸出；5）工件整體焊后回火至380℃保溫2 h，爐冷至室溫，去除焊接殘余應(yīng)力。

表3 X80J承壓環(huán)焊接工藝規(guī)范

1.3.3 返修要求

現(xiàn)場施焊過程中，由于內(nèi)部間隙太窄，容易形成焊接缺陷，加之背面清根不徹底，在大坡口焊接后容易形成較強(qiáng)的焊接應(yīng)力及裂紋傾向，若探傷不合格返修，需清理至焊縫根部，在清根過程及二次施焊后，裂紋容易迅速擴(kuò)展，且由于收縮應(yīng)力大，清根部位與周圍焊縫容易形成橫向裂紋且具備很強(qiáng)的延展性，嚴(yán)重可導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，如圖6所示。

圖6 返修裂紋

解決方式：通過焊縫區(qū)域引入止裂孔防止裂紋延展；焊接過程中旋轉(zhuǎn)對稱施焊；焊后如存在缺陷需返修焊縫，在返修前進(jìn)行整體去應(yīng)力處理；防止二次返修的加熱收縮過程引起裂紋延展，同時(shí)擴(kuò)大返修區(qū)域，嚴(yán)格控制層間溫度，防止產(chǎn)生橫向裂紋。以上改進(jìn)措施的實(shí)施，可靠實(shí)現(xiàn)了焊接修復(fù)，提升了焊接質(zhì)量。

表4 X80承壓環(huán)焊縫力學(xué)性能和宏觀腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過以上工藝保障，焊后按API Spec 16R（第1版）第七章標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行MT、UT探傷及驗(yàn)收，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，同時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)及宏觀腐蝕[5-6]，結(jié)果顯示良好（如表4）。

3 結(jié)論

通過對承壓環(huán)張緊器承壓環(huán)的焊接工藝研究，解決了新材料X80大厚板圓弧面的全熔透焊接技術(shù)難題，經(jīng)過總結(jié)，得出以下結(jié)論：1）制作旋轉(zhuǎn)工裝，解決由于耳板厚度較大及間隙過小所帶來的焊接缺陷，實(shí)現(xiàn)全熔透焊接要求，達(dá)到承載能力；2）焊接過程配備電加熱貼片，并控制焊接過程中本體的溫度，減少層狀撕裂傾向，減少焊后收縮內(nèi)應(yīng)力；3）焊前布置工藝撐，防止耳板變形，同時(shí)清除工件周邊30 mm范圍內(nèi)油污，保證焊縫質(zhì)量；4）采用以上焊接方法及工藝參數(shù)，可充分保證焊縫質(zhì)量，同時(shí)滿足力學(xué)性能要求，特別說明，由于耳板中間間隙較窄，建議采用小型焊把進(jìn)行清根后施焊，便于運(yùn)條和保證質(zhì)量；5）按照上述規(guī)范進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接過程控制層間溫度，焊后加蓋石棉被緩冷，以及工件熱處理要求，減少大厚板內(nèi)應(yīng)力及層狀撕裂傾向；6）如出現(xiàn)焊接缺陷，建議工件進(jìn)行整體去應(yīng)力后再返修施焊，同時(shí)嚴(yán)格遵守返修工藝要求，避免裂紋擴(kuò)展。