基于風(fēng)險評估方法的雙金屬復(fù)合海管應(yīng)用技術(shù)

朱曉林

摘 要：從國內(nèi)某海工領(lǐng)域雙金屬復(fù)合海管制造的實際問題出發(fā)，對復(fù)合海管的技術(shù)現(xiàn)狀及成型原理進行介紹；從實際案例的角度，將風(fēng)險評估技術(shù)在雙金屬復(fù)合管領(lǐng)域的應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：雙合金復(fù)合管 FMEA 塑性脹接成型技術(shù) 水壓復(fù)合

1.雙合金復(fù)合管技術(shù)現(xiàn)狀及成型原理

1.1研究進展及技術(shù)現(xiàn)狀

雙金屬復(fù)合管的液壓成型理論最早由H.Krips等提出，其對換熱管與管板的脹接過程進行力學(xué)分析并提出了限制壓力的概念，得到了脹接成型殘余接觸壓力的解析解。奠定了雙金屬復(fù)合管的液壓成型理論的基礎(chǔ)。日本的竹本昌史在此基礎(chǔ)上假設(shè)管材為理想彈塑性材料，屈服強度為材料的實際屈服強度，根據(jù) Tresca 屈服準則得到了脹接過程中，接觸壓力與脹接內(nèi)壓力的關(guān)系。顏惠庚在假設(shè)換熱管為理想彈塑性材料，屈服強度為材料的實際屈服強度，得到了殘余接觸壓力的解析解。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域雙金屬復(fù)合管的主流生產(chǎn)技術(shù)包括液壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法、復(fù)合板焊接法、粉末冶金法、離心鑄造或離心鋁熱法、噴射成型法、堆焊法。雙金屬復(fù)合管自1991年投入使用以來，得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在石化行業(yè)的應(yīng)用更是取得了顯著業(yè)績。德國的Butting公司是世界上最早開發(fā)雙金屬復(fù)合管制造企業(yè)，其管線90%應(yīng)用于海底管線。目前，國內(nèi)雙金屬復(fù)合管主要應(yīng)用于低含量CO2地面集輸管線和污水管線，主要以316L為內(nèi)襯材料，塔里木、長慶、吉林、大慶等油田均有小批量應(yīng)用。國內(nèi)制造的雙金屬復(fù)合管于2014年才首次應(yīng)用于我國東海。

1.2成型原理及工藝流程

雙金屬復(fù)合管的塑性脹接成型技術(shù)，就是對襯管施加脹接內(nèi)壓力，然后卸載內(nèi)壓力，利用襯管與基管產(chǎn)生不同程度的變形，在管層間就會存在一定的殘余接觸壓力，從而緊密結(jié)合在一起。水壓復(fù)合成型技術(shù)是以打壓水為傳壓介質(zhì)，利用材料的彈塑性，使基管與襯管接觸并緊密結(jié)合。其復(fù)合過程可以分為以下三個階段（如圖1所示）：

（1）襯管變形階段（消除間隙）

（2）水壓復(fù)合階段（內(nèi)外管同步膨脹）

（3）卸載階段

在整個塑性復(fù)合過程中， 內(nèi)管完全發(fā)生了塑性變形， 而外管則處于彈性變形狀態(tài)， 在卸載時由于外管回彈量大于內(nèi)管回彈量， 外管緊箍內(nèi)管， 兩管間形成殘余接觸壓力，達到緊密的機械結(jié)合，其殘余接觸應(yīng)力大小取決于材料的回彈能力大小。

主要工藝階段如下：（1）襯里裝配階段；（2）水壓復(fù)合階段；（3）管端堆焊階段；（4）管端加工階段。

2.風(fēng)險評估技術(shù)在雙金屬復(fù)合管領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1風(fēng)險評估的方法

風(fēng)險評估分析方法通常使用潛在失效模式效應(yīng)分析（Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）及危害性和可操作性研究（HAZOP）。在實際的工程應(yīng)用中，所有的標準都給出了缺陷的可接受尺度，應(yīng)用與一般的服役條件下具有普適性。但其普適性又很大程度的制約了工程應(yīng)用的發(fā)展。比如，水深1000米的海管和水深100米的海管的要求是不一樣的。諸如環(huán)境條件、材料條件、設(shè)備條件的不同也會有一定的偏差。而在工程的實際應(yīng)用中，一些規(guī)范中沒有界定的缺陷如何判定也是工程應(yīng)用中的難題?；诖耍藗儗L(fēng)險評估分析方法引入到工程實踐中。而我們下面要分享的案例，就是典型的后者。

2.2 問題的評估

在本次雙金屬復(fù)合管生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)部分復(fù)合管內(nèi)壁有凸起現(xiàn)象，如圖2所示。通過對典型的凸起復(fù)合管的解剖結(jié)果顯示：基管與襯管間存在顆粒狀的金屬屑。被解剖基管內(nèi)表面劃痕深度0.12mm-0.22mm（圖3），襯管外表面有明顯凹坑但未見明顯劃痕（圖4）。金屬碎屑長度約2-4mm寬度約1.5-2mm（圖5）。

經(jīng)過排查后發(fā)現(xiàn)：凸起管比例較大，占總生產(chǎn)數(shù)量的10%左右，對復(fù)合海管的如期交付有較大影響，且此類凸起在技術(shù)規(guī)格書以及相關(guān)規(guī)范中沒有明確界定。鑒于此，產(chǎn)品制造廠提出將此類問題歸屬于外觀質(zhì)量范疇，按API 5LD的局部不規(guī)整度的條款（≤0.5%D）作為標準驗收。由于該問題在國內(nèi)尚屬首次，也沒有國外類似的經(jīng)驗可以借鑒，在咨詢過各方的專家后，項目組各方代表與產(chǎn)品制造廠就這一問題開會進行討論，決定對這一問題進行技術(shù)評定，具體評估方案如下：

（1）評估凸起產(chǎn)生的原因

對金屬屑進行化學(xué)成分分析，確定金屬屑的來源，排除噴砂工藝中清掃不徹底或其他外部因素造成金屬屑的產(chǎn)生。

（2）評估凸起對復(fù)合管性能的影響

在凸起管中抽取兩支凸起復(fù)合管（一支為凸起較輕微，一支凸起較明顯），對這兩根管進行試驗，試驗方案如下：

坍塌試驗：排除金屬屑周圍間隙有水氣進入的可能，確定其對后續(xù)的防腐環(huán)節(jié)不造成影響；

通球試驗：確認這種凸起對后續(xù)現(xiàn)場的通球不會產(chǎn)生不利影響；

四點彎曲試驗：確定凸起對復(fù)合管的海上鋪設(shè)不會產(chǎn)生不利影響；

鉆孔試驗：由于管線使用過程中晝夜溫差大，基管與襯管間有發(fā)生串動的可能，有出現(xiàn)再次劃傷的風(fēng)險。故通過鉆孔試驗排除此風(fēng)險。

（3）召開專家會對這一問題的風(fēng)險進行評估

由業(yè)主項目組邀請石油管道專家，工程院院士擔任專家組組長，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院、中海油研究總院、CCS、BV、DNVGL多方技術(shù)力量共同參與，對該問題進行風(fēng)險評估并形成專家意見。

2.3 評估的結(jié)果

（1）凸起產(chǎn)生的原因

通過對金屬屑的化學(xué)成分分析并與基管材料化學(xué)成份進行對比顯示：金屬屑與基管的成分一致。與此同時，補充采用54MPa的下限復(fù)合壓力（本次Φ273.1規(guī)格的復(fù)合管極限復(fù)合壓力一般超過60MPa），未發(fā)現(xiàn)凸起現(xiàn)象，繼續(xù)加壓至62MPa，發(fā)現(xiàn)輕微凸起。

綜上，可以肯定金屬屑是由裝配過程中襯管與基管的摩擦、刮擦而產(chǎn)生的淺表性基層金屬碎屑堆積而成。在較大的水壓力的作用下，襯管在金屬屑周圍發(fā)生局部的塑形彎曲變形，造成了內(nèi)壁的凸起。

（2）凸起對復(fù)合管性能的影響

塌陷試驗：與襯管基管間間隙存在水氣的復(fù)合管在塌陷試驗后產(chǎn)生鼓包（圖6 左1）不同，存在內(nèi)壁凸起的復(fù)合管在塌陷試驗前（圖6左2）和坍塌試驗后（圖6左3）后凸起的形狀、位置、大小沒有發(fā)生改變，說明后續(xù)防腐環(huán)節(jié)的高溫環(huán)境不會對凸起復(fù)合管造成不利影響。

通球試驗：試驗合格，確認這種凸起不會影響后續(xù)現(xiàn)場的通球。

四點彎曲試驗：取兩種規(guī)格（Φ273.1和Φ219.1）的凸起復(fù)合管各一支進行四點彎曲試驗。Φ219.1規(guī)格凸起試驗管在應(yīng)變0.305%和80噸軸向拉力下，襯管層無皺折和搭扣現(xiàn)象出現(xiàn)，試驗結(jié)果合格，繼續(xù)形變至0.72%，彎曲半徑為39D的狀態(tài)下，襯管層出現(xiàn)皺折。Φ219.1規(guī)格凸起試驗管在應(yīng)變0.305%和80噸軸向拉力下，襯管層無皺折和搭扣現(xiàn)象出現(xiàn)，試驗結(jié)果合格，繼續(xù)形變至1.20%，彎曲半徑為41D的狀態(tài)下，襯管層出現(xiàn)皺折。在這兩組試驗中，襯管內(nèi)壁凸起在試驗前后無明顯變化。確定了凸起對復(fù)合管的海上鋪設(shè)不會產(chǎn)生不利影響。

鉆孔試驗：在凸起復(fù)合管管體上沿鋼管母線每隔2m打一個通孔，共計4個孔。用中頻加熱到100℃左右后，檢查發(fā)現(xiàn)4個通孔在加熱和冷卻過程中未出現(xiàn)通孔錯位（圖7），表明在晝夜溫差環(huán)境下運行時，凸起復(fù)合管不會發(fā)生串動問題。

（3）專家組對這一問題的意見

以中國工程院院士以及中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院、中海油研究總院、CCS、BV、DNV-GL各方專家的專家組對評估試驗結(jié)果進行了論證，對該問題的風(fēng)險進行了評估。專家組一致認為此類凸起屬于技術(shù)規(guī)范界定的盲區(qū)，與鼓包等產(chǎn)品缺陷有本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)已有的試驗結(jié)果，凸起對復(fù)合管的涂敷、配重、海上安裝以及投入使用沒有影響，但考慮到該復(fù)合管的服役期限為20年，對耐蝕層的要求較高，而連續(xù)凸起的復(fù)合管有劃傷襯層的情況，建議拒收。

根據(jù)專家會討論意見，項目組協(xié)調(diào)業(yè)主代表、CCS、監(jiān)理方以及各生產(chǎn)廠方代表一起對內(nèi)壁有凸起的復(fù)合管進行驗收。由于現(xiàn)有的技術(shù)還不能對凸起的尺寸進行測量，故通過通球、內(nèi)窺以及光影法對凸起的數(shù)量和大小進行界定。驗收按照A、B、C三個等級劃分（圖8），A類、B類作為合格品驗收，A類直接使用，B類作備用管，C類為不合格管處理。

A類特征：凸起數(shù)量少，單個存在，無明顯尖銳狀：現(xiàn)場以單根管（12192mm）內(nèi)壁存在一個凸起且不尖銳為判定標準；

B類特征：單個凸起呈尖銳狀或多個凸起但無明顯尖銳狀：現(xiàn)場以單根管（12192mm）內(nèi)壁存在一個尖銳凸起或間隔大于3000mm的2到3個非尖銳凸起為判定標準；

C類特征：凸起數(shù)量較多，雜散分布，凸起呈現(xiàn)尖銳狀，凸起成直線排列；凸起雜散分布，數(shù)量眾多，呈尖銳狀：現(xiàn)場以單根管（12192mm）內(nèi)壁存在多于一個尖銳凸起或多于3個非尖銳凸起為判定標準。

3.結(jié)語

雙金屬復(fù)合管制造是一個生產(chǎn)工藝復(fù)雜、過程控制嚴格、技術(shù)要求高的過程。國內(nèi)的復(fù)合海管生產(chǎn)和應(yīng)用還處于起步階段，從生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理上仍存在許多待改進的地方。希望風(fēng)險評估方法的雙金屬復(fù)合海管應(yīng)用技術(shù)探討對以后類似項目的開展有所幫助。

參考文獻：

[1]H. Krips，M. Podhorsky.Method of hermetically swaging tubes into tube plates.US；1976.

[2]竹本昌史，王玨.列管式換熱器的強度——液壓脹管接頭的拉脫緊固力[J].壓力容器.1984（2）.

[3]顏惠庚.換熱管液袋式液壓脹接裝備與技術(shù)[D].華東理工大學(xué)，1998.

[4]趙衛(wèi)民.金屬復(fù)合管生產(chǎn)技術(shù)綜述[J].焊管.2003.26（03），10-14.

[5]孫育祿，白真權(quán)，張國超，等.油氣田防腐用雙金屬復(fù)合管研究現(xiàn)狀[J].全面腐蝕控制，2011，25（05），10-13.

[6]X.Wang， P.Li， R.Wang.Study on hydroforming technology of manufacturing bimetallic CRA-lined pipe[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture.2005，45（4-5）：373-8.