鋼懸鏈立管管端機(jī)加工工藝改進(jìn)

尤學(xué)剛，王建華,黃兆力

(1. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南 海口 570100；2.衡陽鋼管有限公司 湖南 衡陽 421099)

0 引 言

隨著陸地油氣資源的枯竭，開發(fā)海洋油氣資源提上各國日程，特別是開發(fā)深海海底油氣。鋼懸鏈立管(簡稱SCR)連接海洋平臺和海底管線管，是各種立管中性價(jià)比較高的一種方案。此前，鋼懸鏈立管的開發(fā)、加工和使用被國外壟斷，我國一直未能突破該項(xiàng)技術(shù)。因鋼懸鏈立管一端連接海洋浮式平臺，另一端連接著海底管線管，受到海洋、浪涌等復(fù)雜應(yīng)力影響，所以管端尺寸尤為重要，管端尺寸精度差，焊接容易產(chǎn)生錯(cuò)邊[1]，易產(chǎn)生疲勞裂紋，危害服役安全。因其對管端尺寸精度要求高，常規(guī)的熱軋和冷拔均難以實(shí)現(xiàn)如此高的精度，常規(guī)采用內(nèi)鏜外扒工藝[2]，但是鋼懸鏈立管長度較長，內(nèi)鏜外扒工藝難以實(shí)現(xiàn)，并且效率低，金屬消耗高。此外，海洋浮式平臺承載重量有限[3]，對鋼管懸鏈立管的每米重量有限制要求。綜合平衡SCR立管長度、尺寸和重量的限制要求，某公司開發(fā)的鋼懸鏈立管SCR采用冷拔+管端機(jī)加工的工藝生產(chǎn)，其基本工藝路線為熱軋→冷拔→熱處理→管端內(nèi)孔機(jī)加工，此工藝國內(nèi)尚未見文公開報(bào)道。本文主要闡述鋼懸鏈立管管端機(jī)加工工藝遇到的問題以及改進(jìn)優(yōu)化。

1 管端尺寸技術(shù)要求

圖1 Φ323.90 mm×27.0 mm管端機(jī)加工圖

2 機(jī)加工過程問題

鋼懸鏈立管(SCR)經(jīng)過熱處理、矯直、水壓和探傷后，進(jìn)入管端機(jī)加工工序。管端機(jī)加工，僅加工鋼懸鏈立管的內(nèi)孔，外表不加工，因此，在機(jī)加工工序前，控制來料鋼管的幾何尺寸極為重要，其不僅影響加工后鋼管管端平行段壁厚尺寸，也影響鋼管的每米重量。此外機(jī)加工設(shè)備和工藝的選擇，對機(jī)加工質(zhì)量影響較大。

2.1 管端加工不完整

鋼懸鏈立管重量較重，長度12.2±0.1 m，在機(jī)械加工行業(yè)，屬于超長件加工[4]，對鋼管本身的幾何尺寸以及機(jī)加工工藝有嚴(yán)格要求。按照海底管線規(guī)范和API 5L 46th標(biāo)準(zhǔn)，鋼管管端外徑要求是±0.5%D，最大±1.6 mm，橢圓度小于1%。據(jù)此要求加工鋼管內(nèi)孔，部分加工后鋼管壁厚偏心，內(nèi)孔加工不完整，無法滿足加工區(qū)壁厚要求，如圖2(a)所示，測量管端外徑橢圓度3.1 mm，局部加工不完整。圖2(b)所示管端機(jī)加工不完整，測量尺寸，外徑橢圓度≤1.5 mm，但是加工不完整區(qū)域壁厚薄，檢驗(yàn)壁厚，該管端壁厚偏差3.36 mm，管端壁厚偏差過大導(dǎo)致加工不完整或者黑皮。

圖2 Φ323.90 mm×27.0 mm管端加工

2.2 加工波浪紋和車刀印

采用傳統(tǒng)臥式車床加工[5]鋼懸鏈立管，定心滾輪找正，定心找正慢，而且加工時(shí)，夾持加工端，中部懸空，鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)容易甩動，導(dǎo)致臥式車床定心滾輪易磨損，內(nèi)加工面有粗糙的車刀印和波浪紋[6]，不論是表面粗糙度還是尺寸精度，均無法滿足鋼懸鏈立管的要求，如圖3和圖4所示，而且加工后鋼管內(nèi)徑偏差較大，甚至超出技術(shù)規(guī)范要求。長軸類產(chǎn)品加工時(shí)一端振動會導(dǎo)致此種現(xiàn)象[7]，因此，減輕鋼管振動對改善管端機(jī)加工質(zhì)量有重要意義。

圖3 加工后表面比例紋路

圖4 車削后表面波浪紋

臥式車床加工鋼懸鏈立管管端，存在的主要問題是管端加工面存在著波浪形紋路和車刀印。車刀印深約0.2～0.4 mm，車刀印在反復(fù)受力的情況下，易產(chǎn)生疲勞裂紋，在嚴(yán)重的情況下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，貫穿鋼管壁厚，發(fā)生斷裂。除了影響服役安全，車刀印還影響內(nèi)徑精度。內(nèi)徑測量在車刀印的底部，內(nèi)徑偏大，測量在車刀印的頂部，內(nèi)徑偏小。

3 工藝改進(jìn)

3.1 對來料進(jìn)行規(guī)范

針對部分管端加工不完整現(xiàn)象，對來料鋼管的尺寸進(jìn)行限定，將Φ323.90 mm×27.0 mm規(guī)格外徑偏差設(shè)定在目標(biāo)外徑±0.7 mm，管端彎曲度限定在2.5 mm/1.5 m，管端壁厚偏差限定在目標(biāo)壁厚±3%S。通過上述限定，基本杜絕了因來料鋼管幾何尺寸原因?qū)е录庸げ煌暾那闆r，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 設(shè)備和工藝改進(jìn)

SCR立管加工面出現(xiàn)波浪形，如前所述為鋼管夾持時(shí)，中部懸空，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)時(shí)抖動。針對此原因，選擇帶有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心架的重型臥式車床來加工，其優(yōu)勢可以多處夾持，減少鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)甩動和振動，并且旋轉(zhuǎn)中心架有4個(gè)精確定位可獨(dú)立調(diào)節(jié)螺桿，用于定正不同外徑鋼懸鏈立管中心，此調(diào)節(jié)定心對于車削SCR立管非常重要，鋼懸鏈立管外表并非正圓，帶一定橢圓度，通過調(diào)節(jié)不同的螺桿深度，找正鋼管圓心，保證內(nèi)孔加工后，加工端壁厚均勻。

在加工Φ323.90 mm×27.0 mm長SCR立管管端前，需要做好裝夾準(zhǔn)備，采用端頭卡爪、環(huán)形中心架分別夾持SCR立管的端頭、中部和立管另一端約300～500 mm處，裝夾完畢后，調(diào)整旋轉(zhuǎn)中心架的定位螺桿，定心找正，至此，裝夾準(zhǔn)備完畢。裝夾加工示意圖如圖5所示。

圖5 裝夾加工示意圖

裝夾定心找正后，開始鋼懸鏈立管內(nèi)孔加工。采用先粗加工，后精加工原則。粗車時(shí)，采用普通尖角硬質(zhì)合金刀具加工[8]，以0.45～0.55 mm/r進(jìn)給量進(jìn)刀，車床轉(zhuǎn)速控制在50～80 r/min；精車時(shí)，使用R5 mm半圓形刀具以0.35～0.45 mm/r 進(jìn)給量進(jìn)刀，車床轉(zhuǎn)速為30～50 r/min，用較慢的轉(zhuǎn)速保證過渡圓弧以及加工面光潔度。

高效率的加工出鋼懸鏈立管的管端，主要采取了以下3項(xiàng)措施：

1)限定規(guī)范來料鋼管的尺寸；

2)采用兩個(gè)環(huán)形中心架夾持鋼懸鏈立管，一個(gè)環(huán)形中心架夾持在管端300～500 mm位置，夾持部位距離管端越短，加工質(zhì)量愈佳。

3)在車削加工時(shí)，采用較慢的轉(zhuǎn)速以及較小的進(jìn)刀量。

4 加工效果

加工完成后對鋼管逐支兩端的內(nèi)孔尺寸進(jìn)行測量，每端同一截面等間距測量8個(gè)位置壁厚，每端同一截面等間距測量4個(gè)位置，其余指標(biāo)按照技術(shù)要求測量。抽取前后各5支合計(jì)10支鋼管兩端數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 Φ323.90 mm×27.0 mm一端機(jī)加工數(shù)據(jù)

續(xù)表

表2 Φ323.9 mm×27.0 mm另一端機(jī)加工數(shù)據(jù)

采用本文第3部分的3項(xiàng)措施，有效地解決了鋼懸鏈立管管端加工的車刀印和波浪紋問題。首先是限定規(guī)范來料鋼管的尺寸和彎曲度，通過限定來料鋼管的尺寸和彎曲度，解決了部分鋼管內(nèi)徑大、壁厚薄，導(dǎo)致的加工不完整或者黑皮現(xiàn)象，或者是加工后，加工區(qū)壁厚薄，不能滿足合同要求；其次是采用兩個(gè)環(huán)形中心架夾持鋼懸鏈立管，一個(gè)環(huán)形中心架夾持在管端300～500 mm位置，通過多處夾持，減緩了鋼管旋轉(zhuǎn)帶來的甩動和振動；最后，減慢加工轉(zhuǎn)速，可以進(jìn)一步減緩鋼管旋轉(zhuǎn)帶來的甩動和振動，減小進(jìn)刀量，有效提高加工面光潔度。

5 結(jié)束語

通過對來料鋼管尺寸進(jìn)行限定，基本杜絕了鋼懸鏈立管內(nèi)孔加工不完整的問題。針對傳統(tǒng)臥式車床加工鋼懸鏈立管管端出現(xiàn)的波浪抖紋，通過在車床上增加兩組環(huán)形中心架，多個(gè)部位夾持鋼管，并減慢機(jī)加工轉(zhuǎn)速和減小進(jìn)刀量，有效的解決了鋼管波浪紋和車刀印問題。車削后管端幾何尺寸優(yōu)良，滿足技術(shù)協(xié)議和合同要求。