石油天然氣用內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造及實(shí)踐

廖青云

（海隆管道工程技術(shù)服務(wù)有限公司，上海200949）

內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管是一種通過(guò)壓力擴(kuò)徑方式使內(nèi)層耐蝕合金管（下稱(chēng)襯管）緊密貼合到外層碳鋼管上（下稱(chēng)基管）的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，其兼具承壓能力和耐蝕性能，與316L、2205等耐蝕合金純材管相比具有很好的經(jīng)濟(jì)性，適用于輸送腐蝕性介質(zhì)的陸地和海洋油氣集輸管線(xiàn)。

相比陸地用管，海洋管道需要使用特殊施工船鋪設(shè)，以我國(guó)東海油氣田為例，水深約100 米左右，主要是S-Lay 鋪設(shè)方式。為了解決復(fù)合鋼管S-Lay 鋪設(shè)方式及鋪設(shè)過(guò)程中的安全及質(zhì)量問(wèn)題，需要對(duì)復(fù)合產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行技術(shù)改造和升級(jí)，現(xiàn)就生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造方案及改造后的效果驗(yàn)證進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明。

1 內(nèi)襯復(fù)合工序簡(jiǎn)介

美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5LD《內(nèi)覆或內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》將復(fù)合鋼管分為兩種結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)覆（Clad）和內(nèi)襯（Lined）。其中內(nèi)覆為基層和襯層之間是一種冶金結(jié)合，主要性能指標(biāo)為剪切強(qiáng)度；而內(nèi)襯為基管和襯管是一種機(jī)械復(fù)合，主要性能指標(biāo)為接觸應(yīng)力，即內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管。

內(nèi)襯機(jī)械復(fù)合工藝國(guó)內(nèi)主要有液壓擴(kuò)徑法、爆燃擴(kuò)徑法、拉拔擴(kuò)徑法、旋壓擴(kuò)徑法等，主要的復(fù)合原理為：襯管裝配到基管內(nèi)部，襯管內(nèi)部加壓后，讓襯管發(fā)生充分的屈服變形，襯管外壁受壓接觸基管內(nèi)壁，從而使基管發(fā)生彈性變形；隨后釋放壓力，基管回彈量大于襯管回彈量，基管和襯管之間形成接觸應(yīng)力實(shí)現(xiàn)復(fù)合。各種復(fù)合方法均有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，在此不累述，本文重點(diǎn)討論液壓擴(kuò)徑法復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)。

2 復(fù)合產(chǎn)線(xiàn)存在的問(wèn)題

改造前公司有一條液壓擴(kuò)徑法復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)，最大復(fù)合壓力為70MPa，適用的最大鋼管管徑為457mm，主要制造陸地油氣集輸管線(xiàn)用內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管。

生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榛苤乒芄に嚨木窒扌?，整根基管壁厚是不均勻的，為了保證基管能夠發(fā)生彈性形變，只能按照基管最大的壁厚計(jì)算復(fù)合水壓壓力。當(dāng)整個(gè)基管承載相同的水壓力時(shí)，基管壁厚偏小的位置可能會(huì)發(fā)生屈服，輕微時(shí)基管管體出現(xiàn)鼓包，嚴(yán)重時(shí)整根基管彎曲變形脫離安全鎖扣，造成重大設(shè)備損壞和人身安全事故。

另外，基管和襯管的接觸應(yīng)力已不能滿(mǎn)足現(xiàn)有客戶(hù)的需求，特別是海底用管的技術(shù)要求?，F(xiàn)有的液壓擴(kuò)徑法復(fù)合工藝，基管和襯管之間的接觸應(yīng)力偏小，再加上基管內(nèi)徑的不一致，相同的壓力下導(dǎo)致接觸應(yīng)力在基管的內(nèi)表面分布非常不均勻，海管S-Lay 鋪設(shè)過(guò)程中因?yàn)閺澢斐苫芎鸵r管分層，襯管會(huì)發(fā)生鼓包、褶皺、甚至斷裂而發(fā)生失效，對(duì)海洋管線(xiàn)運(yùn)行造成重大質(zhì)量事故和安全隱患。

根據(jù)規(guī)劃，通過(guò)此次復(fù)合產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造，首先消除鋼管加工過(guò)程的安全隱患，提高產(chǎn)品質(zhì)量，其次驗(yàn)證技改后復(fù)合鋼管的彎曲性能滿(mǎn)足鋪設(shè)要求，確保海洋用管質(zhì)量和安全。

3 復(fù)合產(chǎn)線(xiàn)改造措施

如前文分析，根據(jù)計(jì)算和可行性論證，創(chuàng)新性提出了整管全抱持液壓擴(kuò)徑的內(nèi)襯復(fù)合鋼管制造工藝，具體實(shí)施方案如下。

3.1 新工藝設(shè)計(jì)方案

根據(jù)常規(guī)最大制造管徑、鋼級(jí)、壁厚等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)制造一套基管外模具，外模具保證能夠在承受最大設(shè)計(jì)壓力情況下，模具不發(fā)生變形；而且考慮合模和分模的方便，在上模具上設(shè)計(jì)油缸提升支座；下模具由于固定不動(dòng)設(shè)計(jì)為坐臺(tái)。不同規(guī)格的基管外模具只需要一套，材料以鍛鋼為主。

同樣，根據(jù)管徑、壁厚、鋼級(jí)等參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)模具，內(nèi)模具的內(nèi)徑必須以基管外徑為基準(zhǔn)，保留一定的正公差。為了能夠使不同規(guī)格的基管都能適應(yīng)模具抱持裝置，內(nèi)模要做成套圈式結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)圖1（1- 卡瓦油缸系統(tǒng)、2- 卡瓦、3- 上外模具、4- 上模提升油缸系統(tǒng)、5- 鋼管、6- 上內(nèi)模具、7- 下內(nèi)模具、8- 下外磨具、9- 卡瓦滑軌系統(tǒng)、10- 模具運(yùn)行系統(tǒng)、11- 進(jìn)管滾道系統(tǒng)、12- 挑管系統(tǒng)）。根據(jù)API Spec 5L《管線(xiàn)鋼管規(guī)范》所規(guī)定的通用管徑，確保拆掉一組內(nèi)模后，其余內(nèi)模的內(nèi)徑適用其它基管的標(biāo)準(zhǔn)外徑，內(nèi)模材料一般以球墨鑄鐵為主。

內(nèi)外模具之外還需要卡瓦夾持，便于與動(dòng)力系統(tǒng)連接，通過(guò)油缸力量夾持。除了內(nèi)外夾持模具，配合水壓復(fù)合的工序要求還要附加模具提升系統(tǒng)、卡瓦油缸系統(tǒng)、卡瓦滑軌系統(tǒng)、模具運(yùn)行系統(tǒng)、進(jìn)管滾道系統(tǒng)、挑管系統(tǒng)等配合完成水壓復(fù)合過(guò)程。

圖1 端部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 新工藝運(yùn)行過(guò)程

先啟動(dòng)卡瓦油缸系統(tǒng)，將左右兩片卡瓦在卡瓦滑軌系統(tǒng)上滑動(dòng)松開(kāi)，啟動(dòng)上模提升油缸系統(tǒng)提升上模具（內(nèi)外模具組合件），通過(guò)模具運(yùn)行系統(tǒng)將下半模具（內(nèi)外模具組合件）向右運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)水壓機(jī)架體，利用挑管系統(tǒng)將裝配好的鋼管從進(jìn)管滾道上挑起，然后放置在下半模具內(nèi)，如圖2。

春·達(dá)拉表示，柬埔寨成為亞投行創(chuàng)始成員國(guó)，得到了中國(guó)在多方面的幫助。瀾湄合作是“一帶一路”倡議的重要舉措，希望柬埔寨的企業(yè)能在瀾湄合作發(fā)揮重要作用。此次論壇相信會(huì)為雙邊文旅產(chǎn)業(yè)合作創(chuàng)造更多機(jī)會(huì)。

兩端尺寸定位采用激光定位系統(tǒng)，然后再次啟動(dòng)模具運(yùn)行系統(tǒng)向左運(yùn)動(dòng)至水壓機(jī)內(nèi)，基管中心與水壓機(jī)機(jī)頭中心通過(guò)光電系統(tǒng)定位，通過(guò)油缸提升系統(tǒng)落下上半模具，上下合模，再次通過(guò)卡瓦油缸系統(tǒng)通過(guò)左右兩片卡瓦將上下兩外模夾緊，隨后開(kāi)始進(jìn)行水壓擴(kuò)徑。

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

整管全抱持液壓擴(kuò)徑的復(fù)合工藝，充分利用液壓擴(kuò)徑原理，但因?yàn)榛芡饷婕恿巳荏w抱持裝置，可以增大復(fù)合壓力，在基管不會(huì)發(fā)生屈服變形的前提下，提高復(fù)合壓力，有利于襯管充分發(fā)生屈服變形，基管全管體都可以發(fā)生彈性變形；釋放壓力后，基管和襯管之間將產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力。

全管體抱持裝置的加載，既可以防止基管彎曲變形造成的基管報(bào)廢、設(shè)備損壞或人身安全事故，還可以增大復(fù)合壓力，提高內(nèi)外兩層鋼管之間的接觸應(yīng)力。

4 產(chǎn)線(xiàn)改造效果驗(yàn)證

如圖3 所示，由于海洋施工環(huán)境的限制，海底管道鋪設(shè)時(shí)鋼管需承受一定的彎曲應(yīng)變，而內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管由于基管和襯管之間處于機(jī)械結(jié)合狀態(tài)，當(dāng)彎曲過(guò)大時(shí)可能會(huì)造成襯管鼓包、起皺、斷裂等失效現(xiàn)象。

圖3 S-Lay 管道鋪設(shè)示意圖

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)單一材料管道和小尺寸復(fù)合鋼管的彎曲性能研究較多。如胡艷華等采用四點(diǎn)彎曲方法對(duì)X65 鋼級(jí)海洋管道全尺寸疲勞性能進(jìn)行了研究；E.S.Focke 等對(duì)小尺寸雙金屬?gòu)?fù)合管的盤(pán)卷試驗(yàn)進(jìn)行了研究。借鑒和參考上述研究，本次效果驗(yàn)證將采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)M工況條件，對(duì)技改后試制的φ457×(15.9+3)mm 的材質(zhì)X65MO+316L 全尺寸內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管進(jìn)行了彎曲性能試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)裝置

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖4 所示，將全尺寸復(fù)合鋼管（12.19m）放在有一定距離的兩個(gè)支撐點(diǎn)上，在離兩個(gè)支撐點(diǎn)的中點(diǎn)相同距離上對(duì)試樣施加向下的載荷。復(fù)合鋼管在4 個(gè)接觸點(diǎn)的作用下發(fā)生四點(diǎn)彎曲，且在中點(diǎn)處的彎曲半徑最小。該裝置包括測(cè)力系統(tǒng)、垂直位移測(cè)量系統(tǒng)和靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)，在整個(gè)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)控制應(yīng)變量和垂直位移量來(lái)控制加載載荷，達(dá)到模擬工況所需的試驗(yàn)條件。

圖4 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置示意圖

4.2 試驗(yàn)原理

如圖5 所示為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)原理示意圖，在試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量弦長(zhǎng)Lcd 與弦高Ho-cd，利用弦長(zhǎng)分割定理可計(jì)算出彎曲半徑。彎曲半徑R 的計(jì)算公式為：

圖5 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)原理示意圖

4.3 試驗(yàn)過(guò)程和分析

最大應(yīng)力87%SMYS 條件下，復(fù)合鋼管處于彈性形變階段，由胡克定律知：

取σ=87%SMYS；對(duì)于復(fù)合鋼管，其力學(xué)性能主要由基管提供，由X65 基管的最小規(guī)定屈服強(qiáng)度為450Mpa，彈性模量為2.06×105Mpa，由公式（2）可計(jì)算出彈性應(yīng)變?chǔ)?0.190%。試驗(yàn)步驟如表1 所示。

表1 復(fù)合鋼管全尺寸彎曲疲勞試驗(yàn)步驟

1#復(fù)合鋼管首次正彎達(dá)到0.190%應(yīng)變時(shí)，根據(jù)中心點(diǎn)位移值，由公式（1）可計(jì)算出彎曲半徑R=356D；正反彎循環(huán)30 次后使用內(nèi)窺鏡觀(guān)察復(fù)合鋼管內(nèi)表面，襯管未出現(xiàn)鼓包或褶皺；卸載后復(fù)合鋼管基本回復(fù)到初始狀態(tài)，證明彎曲應(yīng)變未超過(guò)彈性極限。

4.3.2 最大應(yīng)變0.305%彎曲試驗(yàn)

取2#復(fù)合鋼管，裝配在四點(diǎn)彎曲試裝置上；在復(fù)合鋼管中點(diǎn)和夾具點(diǎn)各貼兩片應(yīng)變片（6 點(diǎn)鐘和12 點(diǎn)鐘位置），并在復(fù)合鋼管中點(diǎn)放置位移計(jì)；控制應(yīng)變，使復(fù)合鋼管逐步正彎（向下）至最大應(yīng)變0.305%，記錄應(yīng)變值、液壓值和位移值；使用內(nèi)窺鏡觀(guān)察襯管是否出現(xiàn)鼓包、褶皺、斷裂等。

2#復(fù)合鋼管正彎達(dá)到0.305%應(yīng)變時(shí)，根據(jù)中心點(diǎn)位移值，由公式（1）可計(jì)算出彎曲半徑R=178D；彎曲應(yīng)變達(dá)到0.305%后使用內(nèi)窺鏡觀(guān)察襯管未出現(xiàn)鼓包或褶皺；卸載后復(fù)合鋼管存在殘余應(yīng)變，不能回復(fù)到初始狀態(tài)，證明彎曲應(yīng)變超過(guò)彈性極限，復(fù)合鋼管產(chǎn)生了塑性形變。

4.3.3 軸向拉力下的彎曲失效試驗(yàn)

實(shí)際鋪管過(guò)程中，由于復(fù)合鋼管的自身重量，除受彎曲應(yīng)力外，復(fù)合鋼管還受到沿管線(xiàn)方向的拉力。取完成上述試驗(yàn)的2#復(fù)合鋼管，一端固定，一端施加40 噸的軸向拉伸載荷；為了控制變量，選取兩端固定點(diǎn)間距為弦長(zhǎng)，此時(shí)復(fù)合鋼管中點(diǎn)的位移量即為弦高，根據(jù)公式（1）計(jì)算出指定曲率半徑下位移量并以此控制彎曲試驗(yàn)過(guò)程，逐步加載至復(fù)合鋼管失效，記錄應(yīng)變值、液壓值和位移值，如表2 所示。

表2 軸向拉力下的彎曲失效試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

當(dāng)2#復(fù)合鋼管在40 噸的軸向拉力下彎曲至曲率半徑為70D 時(shí)，襯管內(nèi)表面在兩加載點(diǎn)中點(diǎn)位置受壓應(yīng)力一側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)環(huán)狀褶皺，復(fù)合鋼管發(fā)生失效。

表2 中曲率半徑與位移量相對(duì)應(yīng)的前提是以復(fù)合鋼管兩端固定點(diǎn)間距為弦長(zhǎng)，但實(shí)際上在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，復(fù)合鋼管的彎曲程度在整管長(zhǎng)度上是不均勻的，在中點(diǎn)處的曲率最大，因此，選取中點(diǎn)和兩加載點(diǎn)的實(shí)際位移值，由公式（1）計(jì)算出不同應(yīng)變下的R 實(shí)并與理想狀態(tài)下的R 值作對(duì)比。由圖6 可知，相同應(yīng)變下，兩加載點(diǎn)之間的復(fù)合鋼管曲率半徑更接近于真實(shí)極限值，R 極限約為44D。

4.4 試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)對(duì)φ457×（15.9+3）mm 的X65MO+316L 的內(nèi)襯耐蝕合金復(fù)合鋼管進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，綜合分析數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1） 在最大應(yīng)力87%SMYS 循環(huán)30 次和最大彎曲應(yīng)變0.305%條件下，復(fù)合鋼管襯管未發(fā)生鼓包、褶皺或斷裂，滿(mǎn)足海洋管道S-Lay 施工的彎曲變形要求。

（2）對(duì)復(fù)合鋼管進(jìn)行40 噸軸向拉力下的彎曲失效試驗(yàn)，復(fù)合鋼管在彎曲半徑大于70D 且極限彎曲應(yīng)變小于1.209%的情況下不會(huì)發(fā)生失效，其極限彎曲半徑可達(dá)到44D。

圖6 不同計(jì)算模型下曲率半徑與應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

5 結(jié)論

綜合上述，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)此次產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造，采用全新的整管全抱持液壓擴(kuò)徑的復(fù)合工藝，能夠消除以往復(fù)合過(guò)程出現(xiàn)的基管管體局部鼓包、整根基管彎曲變形脫離安全鎖扣造成重大設(shè)備損壞和人身傷害事故的安全隱患。

（2）同時(shí)，整管全抱持液壓擴(kuò)徑的復(fù)合工藝適用于海洋用復(fù)合鋼管的生產(chǎn)，滿(mǎn)足海洋管道S-Lay 施工的彎曲變形要求，鋪設(shè)過(guò)程復(fù)合鋼管襯管不會(huì)發(fā)生鼓包、褶皺或斷裂等失效現(xiàn)象，消除了管道運(yùn)行的安全隱患。

（3）本次產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造，既達(dá)到技術(shù)改造的目的和實(shí)用價(jià)值，也有利于降低我國(guó)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)和建設(shè)成本，對(duì)于今后復(fù)合鋼管的工藝改進(jìn)也提供了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。