深水鉆井隔水管環(huán)焊縫組焊試驗(yàn)裝置研制

肖 虎，付 堃，李曉康，張林森，張小龍

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)①

鉆井隔水管是深海油氣鉆井作業(yè)中連通水下防噴器組(BOP)和海面鉆井平臺(tái)(船)的通道[1]。隔水管單根是隔水管系統(tǒng)的主要零部件，主要由主管(由主管管體及法蘭接頭全熔透焊接而成)、節(jié)流/壓井管線、輔助管線、支架與調(diào)節(jié)螺母等組成[2-3]。由于隔水管單根主管體焊縫處于隔水管系統(tǒng)主承載路徑上，受到浪涌、渦激振動(dòng)、深水壓力、洋流環(huán)境及海水腐蝕等因素的影響，復(fù)雜多變的服役條件要求其環(huán)焊縫具有高強(qiáng)度及長(zhǎng)疲勞壽命[4-5]。選擇合理的接頭形式、焊接方法、焊接材料及焊接參數(shù)，才能獲得良好的焊接質(zhì)量[6]。筆者針對(duì)隔水管使用工況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及全尺寸疲勞試樣尺寸要求[7]，研制了隔水管環(huán)焊縫組焊試驗(yàn)裝置，旨在探索最佳的接頭坡口尺寸及不同材料下最優(yōu)的焊接工藝，確保其在深水海洋環(huán)境下隔水管的安全性和可靠性。

a 主視圖

b 側(cè)視圖

1 結(jié)構(gòu)功能

1.1 總體方案

試驗(yàn)裝置主要由頭部變位機(jī)、輪式從動(dòng)變位機(jī)、輪式主動(dòng)變位機(jī)、尾部變位機(jī)、外焊操作機(jī)、內(nèi)焊操作機(jī)(位于頭部變位機(jī)端部)、變位機(jī)軌道、焊機(jī)軌道以及焊接設(shè)備等組成，如圖1所示。變位機(jī)軌道與焊機(jī)軌道并行布置。

1.2 試驗(yàn)裝置功能

1) 法蘭接頭水平位置裝夾后翻轉(zhuǎn)至豎直位置，完成與主管體的組對(duì)后，保證兩端法蘭接頭上的安裝孔同軸。

2) 輪式變位機(jī)與頭尾變位機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，配合外(內(nèi))焊操作機(jī)完成環(huán)焊縫的焊接。

3) 能夠完成多種方法的焊接試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝的研究及焊接參數(shù)的優(yōu)化。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

焊接管徑 ≤610 mm

內(nèi)焊深度 ≤6 000 mm

工件長(zhǎng)度 2 000～12 000 mm

焊接方法 MIG焊、熱絲TIG焊、埋弧焊

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輪式變位機(jī)

輪式主動(dòng)變位機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上下齒面導(dǎo)軌、壓緊機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、開合臂、電液推桿、支座及伺服電機(jī)等組成，主要完成對(duì)管體的夾持和變位。變位機(jī)采用半開口結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)軌可通過電液推桿打開，管體安裝后通過壓緊機(jī)構(gòu)壓緊，合攏后通過鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊上導(dǎo)軌；由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密減速機(jī)帶動(dòng)齒輪副完成齒面導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)管體旋轉(zhuǎn)。輪式從動(dòng)變位機(jī)與輪式主動(dòng)變位機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，導(dǎo)軌為光面設(shè)計(jì)。

1—齒面下導(dǎo)軌；2—鎖緊機(jī)構(gòu)；3—齒面上導(dǎo)軌；4—壓緊機(jī)構(gòu)；5—開合臂；6—電液推桿；7—支座。

2.2 頭尾變位機(jī)

頭尾變位機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、頂緊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等組成。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用交流變頻制動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)扇形齒輪帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)0～90°的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可與輪式變位機(jī)保持同步。必要時(shí)通過電磁離合器失電斷開，轉(zhuǎn)為從動(dòng)工作方式?；剞D(zhuǎn)盤上設(shè)有法蘭安裝孔輔助定位裝置，定位機(jī)構(gòu)用于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的圓周定位，多措施保證法蘭接頭上的安裝孔同軸；行走機(jī)構(gòu)通過變頻制動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及軌道齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)在軌道上的直線移動(dòng)。

1—翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2—頂緊機(jī)構(gòu)；3—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；4—定位機(jī)構(gòu)；5—行走機(jī)構(gòu)。

2.3 焊接操作機(jī)

外焊操作機(jī)由立柱、雙橫臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)等組成。雙橫臂攜帶有MIG焊、熱絲TIG焊及埋弧焊機(jī)頭，通過滑動(dòng)座架與立柱導(dǎo)軌相連。采用制動(dòng)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)橫臂升降，采用滑動(dòng)座架上的步進(jìn)電機(jī)+精密減速機(jī)及橫臂齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)橫臂水平移動(dòng)。

內(nèi)焊操作機(jī)通過橫臂的伸縮及行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程焊接，具有占地面積小的特點(diǎn)。橫臂前端攜帶有熱絲TIG焊接機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部打底焊接。機(jī)頭前端帶攝像裝置，實(shí)現(xiàn)內(nèi)視功能。

2.4 焊接方法多樣化

與傳統(tǒng)TIG焊相比，熱絲TIG焊不僅加快了焊絲的熔化速度，提高了熔敷效率，并且調(diào)整了熔池的熱輸入量，降低了母材的稀釋率，具有高速高效的焊接特點(diǎn)[8]。

該試驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)MIG焊、熱絲TIG外(內(nèi))焊、埋弧焊以及組合式焊接方法，可以針對(duì)隔水管單根主管進(jìn)行多種焊接方法的研究以及焊接工藝的優(yōu)化，同時(shí)能夠完成類似產(chǎn)品的焊接，應(yīng)用范圍廣泛。

2.5 焊道跟蹤功能設(shè)計(jì)

橢圓度和直線度好、壁厚和管徑誤差小的鋼管是隔水管焊縫質(zhì)量和疲勞壽命的重要保障[9]。由于鋼管存在幾何尺寸的偏差，為減小其對(duì)焊接質(zhì)量的影響，熱絲TIG焊機(jī)頭配備了AVC跟蹤系統(tǒng)(跟蹤精度±0.1 V)，通過弧壓反饋，弧長(zhǎng)控制器控制焊槍適時(shí)調(diào)整，準(zhǔn)確控制電弧電壓，從而保證焊接質(zhì)量[10]。MIG焊機(jī)頭配備了機(jī)械式跟蹤裝置，可精確實(shí)現(xiàn)焊道的上下、左右兩維跟蹤。

3 試驗(yàn)及應(yīng)用

該組焊試驗(yàn)裝置(如圖4)于2014年完成安裝，并完成了熱絲TIG焊接、熱絲TIG打底焊接+埋弧焊接等方法的試件試制，焊縫經(jīng)表面磁粉探傷和內(nèi)部射線探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；在全尺寸疲勞試驗(yàn)中，焊縫經(jīng)受住了上百萬次的疲勞加載試驗(yàn)，焊接接頭未出現(xiàn)疲勞裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的組焊試驗(yàn)裝置能夠滿足隔水管環(huán)焊縫的試驗(yàn)研究需要。

圖4 隔水管環(huán)焊縫組焊試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)示意

利用該組焊試驗(yàn)裝置，經(jīng)過多次試驗(yàn)及優(yōu)化，得到隔水管主管最佳接頭坡口尺寸[11-12](如圖5)，并形成了X80-X80、X80-X80J、X80-30CrMoA、X80-4130等材料的熱絲TIG打底焊接+埋弧焊填充、蓋面焊接的組合式焊接工藝規(guī)程。

圖5 接頭坡口尺寸示意

4 結(jié)論

1) 隔水管環(huán)焊縫組焊試驗(yàn)裝置解決了大型管件組對(duì)難度大、焊縫質(zhì)量難于控制的問題。

2) 組焊試驗(yàn)裝置有助于隔水管材料的焊接工藝研究，推進(jìn)隔水管國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。同時(shí)也適用于其他類似產(chǎn)品的組焊生產(chǎn)。