水下采油樹本體制造過程關(guān)鍵點質(zhì)量分析與控制

黃施蓬，程銳，范海濤，許洋，毛冠煜(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

我國深海海域蘊藏著豐富的油氣資源，但深水區(qū)域特殊的自然環(huán)境和復(fù)雜的油氣儲藏條件將使我國深水油氣田開發(fā)在鉆探、開發(fā)工程、建造等方面面臨諸多技術(shù)難題，其中水下采油樹是海洋油氣田生產(chǎn)和井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。1 500米水下智能井口生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計、制造、測試與安裝關(guān)鍵技術(shù)的研究是參照API 17D標準，將工程實踐與智能水下采油樹的研制、測試結(jié)合，建立的一整套完整的智能水下采油樹生產(chǎn)和監(jiān)督控制體系，突破了智能水下采油樹工程建設(shè)過程中的技術(shù)難點和關(guān)鍵點，為深海油氣開發(fā)設(shè)備的研發(fā)制造積累了經(jīng)驗。

1 采油樹本體工作環(huán)境及其功能

本水下采油樹長期工作于深水、海水近于0 ℃的酸性環(huán)境中，內(nèi)部承受高溫高壓的油氣環(huán)境，其中該采油樹本體為防噴器、采油樹帽、油管懸掛器、H-4連接器提供合理的安裝平臺，為生產(chǎn)組合閥、化學藥劑注入閥、環(huán)空翼閥、環(huán)空監(jiān)控閥提供接口。采油樹本體需達到承受高溫、高壓、耐強酸性腐蝕的能力以及良好的密封效果，且需滿足15年的設(shè)計壽命，因此采油樹本體的生產(chǎn)制造至關(guān)重要。

2 本體制造的質(zhì)量控制

本體的制造過程主要控制點如下：鍛件原材料的控制-熱處理-本體端部取樣-機械性能和化學分析檢測-UT探傷-粗加工-堆焊-半精加工-精加工-尺寸測量-表面磁粉探傷-表面涂層-裝配-測試。其中關(guān)鍵節(jié)點主要為：鍛件質(zhì)量控制、堆焊加工質(zhì)量控制、精加工完成后尺寸測量的質(zhì)量控制、表面涂層質(zhì)量控制。

2.1 鍛件的質(zhì)量控制

由于采油樹本體在高溫高壓及強酸高腐蝕的環(huán)境下工作，因此母材的選材也尤為重要。為滿足其生產(chǎn)要求，根據(jù)API 17D的設(shè)計規(guī)范，流道浸潤面的材料需達到HH-NL級別，壓強達到68.95 MPa等級。

達到此條件的材料有：AISI4130+堆焊Inconel625、A182-F22+堆焊Inconel625、AISI8630+堆焊Inconel625，通過設(shè)計計算，只要三種材料的強度達到517 MPa，就能滿足流道浸潤面的材料等級。在材料選取之時，需考慮母材的關(guān)鍵因素，如表1所示。

表1 不同母材特性對比

由表1可知，母材AISI4130的淬透性不如A182-F22和AISI8630材料，但是如果機械性能測試結(jié)果得當，母材的強度不高于517 MPa時，對于三種材料的淬透性并無影響[2]，既能滿足流道浸潤面的材料選擇，又考慮到AISI4130材料成本相比A182-F22和AISI8630較低，最終選取了AISI4130 +堆焊Inconel625方式。

在鍛件粗加工完成的生產(chǎn)階段，需要控制以下環(huán)節(jié)：

(1)母材總重量為8 t，尺寸2.1 m×1.2 m，由于鋼釘外形尺寸較大，為了確保本體內(nèi)部夾渣物、樹枝狀結(jié)晶組織有效去除，本體關(guān)鍵部位后期與625鎳基合金應(yīng)有效焊合，使之成為內(nèi)部密實、均勻、細微、綜合性能良好的鍛件。同時根據(jù)API 6A 5.4.3要求產(chǎn)品材料規(guī)范等級為PSL 3G的產(chǎn)品應(yīng)使用鍛件，因此應(yīng)對母材采取高溫鍛造的工藝。母材AISI4130鋼錠化學成分需滿足ASTM A29/A29M-05標準要求，鍛造比滿足API 20B標準要求，晶粒度及夾渣通過晶像分析測試，結(jié)果需滿足ASTM E45—2018＆ASTM E112—2013標準要求。

(2)根據(jù)API 6A 5.4.3工藝要求，需使其母材機械性能、硬度達到要求，對鍛后母材進行熱處理(正火+淬火+回火的方式),根據(jù)ASTM A370在熱處理控制階段，淬火、回火加熱時，嚴格控制入爐爐溫和升溫的速率；根據(jù)API RP6HT要求控制工件淬火出爐后轉(zhuǎn)移的時間、入水水溫、水冷時間、出水水溫以及出水時工件溫度；嚴格控制保溫的時間、冷卻的方式。待熱處理完成，本體完全冷卻后，對于質(zhì)量鑒定式樣(QTC),嚴格按照API 6A 5.7條款要求在本體的延伸段1/2和1/4處劃線取樣。在延長段(QTC取樣端，后續(xù)測試用)進行硬度測試，硬度測試結(jié)果(詳見表2)滿足ASTM E10要求；樣品經(jīng)實驗室試驗，機械性能結(jié)果(詳見表2)滿足ASTM A370標準要求。

(3)為了避免本體內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，可采取內(nèi)部UT探傷或RT探傷的方式，由于RT不適用于厚壁工件的檢測，且對人體和周圍環(huán)境有危害，維護成本較高；但UT探傷穿透能力強，適用于厚壁工件，定位準確，對環(huán)境和人體無害。因此最終選擇UT探傷，探傷結(jié)果需滿足ASTM A388標準要求。

表2 AISI4130熱處理后機械性能

2.2 堆焊的質(zhì)量控制

由于采油樹本體選擇了AISI4130母材，在其關(guān)鍵部位(密封面)不能達到高耐蝕要求，API 6A HH材料級別為設(shè)備接觸流體的浸潤面且為耐腐蝕合金[4]，故采取對關(guān)鍵密封面AISI4130堆焊Inconel625的方式，Inconel 625合金屬于鎳-鉻-鉬合金，其合金組成中有較高的鉻和鉬，所以具有各類介質(zhì)(還原性和氧化鋅介質(zhì))的腐蝕，而且在還原-氧化的復(fù)合介質(zhì)中其耐蝕性也非常出色[3],因此作為本體密封面的堆焊材料。通過此堆焊方式增強基體表面的耐腐蝕、耐高溫氧化性能。

焊接完成后，焊后尺寸需滿足圖紙要求；通過目視和焊縫規(guī)的測量，完成焊縫的外觀檢測(詳細參數(shù)見表3)；液體滲透探傷、焊后母材和堆焊層硬度滿足API 17D標準要求。

表3 焊縫外觀檢測

2.3 精加工完成后尺寸測量的質(zhì)量控制

采油樹本體的鋼圈槽是整個采油樹密封的關(guān)鍵部位，其錐面角度、鋼圈槽密封外徑的尺寸具有以下關(guān)鍵作用：

(1)和鋼圈的尺寸匹配。

(2)金屬鋼圈錐面和本體密封錐面形成的密封曲線(密封面)應(yīng)盡可能和中軸線精確垂直。

(3)確保金屬密封鋼圈和采油樹本體密封面存在恰當?shù)倪^盈量，保證密封的實現(xiàn)。

錐面角度、鋼圈槽密封外徑尺寸精度要求較高，普通的量具不易測量。且一旦尺寸有偏差，就會出現(xiàn)密封失效的風險。在本體鋼圈槽關(guān)鍵部位之前采取球徑規(guī)復(fù)驗方式，但此法存在局限性，最終的測量的尺寸也容易出現(xiàn)偏差。最終采用三坐標測量儀來測量此處的形位尺寸公差。三坐標測量儀精度為±0.023 mm，遠高于本體鋼圈槽密封外徑的尺寸要求公差(0+0.13) mm，但由于三坐標測量儀的精度也會受到操作者的影響，這里采取通過多次測量復(fù)驗和最終測試一次通過的方式來減小誤差，以驗證尺寸的可靠性。

三坐標測量儀的準確使用對測繪工作有著重大影響，解決了之前精度要求高、測量范圍狹窄、尺寸偏差大、測量范圍廣的難題。通過此次測量方式的轉(zhuǎn)變，避免了以往互配方式容易產(chǎn)生損壞的問題，提高了工時工效。

2.4 表面涂層(XYLAN)的質(zhì)量控制

采油樹本體的工作環(huán)境溫度在2～121 ℃間，且長期處于酸性腐蝕性環(huán)境中，因此對于本體表面涂層要求極高，此處采取XYLAN作為涂層的方式。XYLAN是由美國Whitford認證的一種PTFE防腐涂層，具有優(yōu)異的防腐蝕性能[5]。

由于之前水下采油樹表面涂層在使用過程中存在脫落現(xiàn)象，針對該采油樹本體，對涂層工藝采取全過程跟蹤再驗證的方式。根據(jù)XYLAN的技術(shù)協(xié)議，編制了XYLAN的測試方案并對樣塊進行了測試，確保其質(zhì)量滿足要求。XYLAN涂層包括磷化底涂及XYLAN面涂，需分別展開測試。

3 結(jié)語

本文就采油樹本體制造過程，以API SPEC 17D和API 6A標準為指導，以API SPEC Q1質(zhì)量體系標準作為基礎(chǔ)，對水下采油樹本體制造關(guān)鍵過程進行準確又嚴謹?shù)馁|(zhì)量控制，形成了一套完整的水下采油樹本體制造的質(zhì)量管理體系，為后續(xù)水下采油樹本體制造過程控制提供豐富的經(jīng)驗參考和驗證依據(jù)。