鐘雪泉

（浙江金洲管道科技股份有限公司，浙江 湖州 313000）

隨著海洋油氣開(kāi)采逐步向深海發(fā)展，輸送壓力不斷提高，鋼管的壁厚和鋼級(jí)也相應(yīng)地增大［1-6］。HFW鋼管越來(lái)越多地在海洋工程中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)焊管廠家已經(jīng)具備生產(chǎn)X65MO鋼級(jí)，最大壁厚為19.1 mm的HFW海底管線鋼管（簡(jiǎn)稱HFW海管）［7］。中海石油金洲管道有限公司（簡(jiǎn)稱中海金洲）生產(chǎn)的Φ406.4 mm×19.1 mm規(guī)格X65MO鋼級(jí)HFW海管也已經(jīng)批量應(yīng)用于渤海海底管道工程。2017年中海金洲克服現(xiàn)有生產(chǎn)線的技術(shù)能力“瓶頸”，經(jīng)過(guò)多次試制后成功開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)最大壁厚HFW海管［8］，規(guī)格為Φ610 mm×20.6 mm，鋼級(jí)X65MO，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某海洋氣田開(kāi)發(fā)工程大批量生產(chǎn)應(yīng)用。著重介紹在厚壁HFW鋼管開(kāi)發(fā)過(guò)程中碰到的技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)的解決措施，包括板材工作寬度的設(shè)計(jì)、成型及焊接穩(wěn)定性的保證和焊縫熱處理工藝的制定。

1 板材工作寬度的設(shè)計(jì)

板材工作寬度直接決定了鋼管的管徑。厚壁鋼管由于其板材變形難度大，幾何尺寸也相對(duì)較難控制。只有精確合理設(shè)計(jì)板材工作寬度，才能使下線鋼管滿足嚴(yán)格的海管管徑要求。板材工作寬度由鋼管規(guī)格、壁厚和材質(zhì)決定［9］，并且每個(gè)機(jī)組的工作寬度隨著機(jī)組的形式不同而不同。因此，需要結(jié)合機(jī)組自身特點(diǎn)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，充分考慮成型過(guò)程的板材延展量、精成型減徑量、焊接擠壓量和鋼管定（減）徑量等因素。同時(shí)，還需考慮機(jī)組設(shè)備的負(fù)荷，適當(dāng)?shù)販p少精成型和定（減）徑的減徑量。Φ610 mm×20.6 mm規(guī)格X65MO鋼級(jí)鋼管的板材工作寬度及相關(guān)工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Φ610 mm×20.6 mm規(guī)格X65MO鋼級(jí)鋼管的板材工作寬度及相關(guān)工藝參數(shù)mm

2 成型及焊接穩(wěn)定性的保證

成型及焊接能力是制約厚壁HFW鋼管生產(chǎn)的主要技術(shù)“瓶頸”。解決這個(gè)技術(shù)“瓶頸”的關(guān)鍵在于能否保證成型及焊接的穩(wěn)定性，其中對(duì)接形狀、焊接擠壓力和焊接熱輸入是影響鋼管成型及焊接穩(wěn)定性的3個(gè)主要因素。

2.1 對(duì)接形狀

高頻焊接是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使電流高度集中在管坯待焊邊緣，并迅速將其加熱到焊接溫度，然后在擠壓輥的作用下進(jìn)行壓力焊接［10］。焊接時(shí)管坯的成型斷面形狀，即對(duì)接形狀對(duì)坡口面加熱的均勻程度和焊接質(zhì)量的影響非常大，合適的對(duì)接形狀是高頻焊接的前提條件［11］。對(duì)接形狀有3種型式，即I型、V型和倒V型［12-16］。3種不同焊接對(duì)接形狀如圖1所示。

圖1 3種不同焊接對(duì)接形狀

I型對(duì)接是板邊平行對(duì)接，內(nèi)外壁同時(shí)接觸，溫度比較均勻，是最有利于壓力焊接的，在擠壓輥?zhàn)饔孟?，整個(gè)端面受力均勻，因而焊接質(zhì)量較好，焊接強(qiáng)度較高。目前普遍認(rèn)為I型對(duì)接對(duì)高頻焊接是最有利的。

V型對(duì)接是對(duì)接板邊朝鋼管外表面張開(kāi)。由于鋼管內(nèi)表面先接觸焊合，內(nèi)部焊接電流高于外部焊接電流，使得內(nèi)部溫度高于外部溫度［12］。如果內(nèi)外部溫度差異大，容易造成焊接缺陷；而且，熱影響區(qū)形態(tài)上下不對(duì)稱，金屬流動(dòng)也不對(duì)稱，使焊接強(qiáng)度下降。

倒V型對(duì)接是對(duì)接板邊朝著鋼管內(nèi)側(cè)張開(kāi)。與V型相反，鋼管外壁先接觸焊合，外部焊接電流高于內(nèi)部焊接電流，使得外部溫度高于內(nèi)部［12］。

對(duì)于厚壁鋼管，應(yīng)盡可能控制成I型或小V型對(duì)接形狀。因?yàn)槿绻谴骎型對(duì)接形狀，內(nèi)外壁焊接溫度差異較大，一方面造成外部未焊合，另一方面，內(nèi)壁焊接溫度高造成較大的內(nèi)毛刺，難以清除，而且還容易造成焊瘤［17］。

厚壁鋼管在實(shí)際成型過(guò)程中往往很難得到I型對(duì)接形狀，焊接時(shí)的管坯斷面不是近似圓筒狀，而是“桃形”，焊縫部位突起像桃尖，“桃形”管坯斷面如圖2所示，對(duì)接處是較大的V型［18］。在鋼管試制時(shí)，對(duì)焊縫對(duì)接位置進(jìn)行“切片”，然后觀察接觸焊合時(shí)兩板邊的對(duì)接形狀，如圖3～4所示。從圖3～4可以看出鋼管內(nèi)壁先接觸焊合，進(jìn)一步證實(shí)了鋼管在焊接時(shí)不是I型對(duì)接，而是V型對(duì)接，其主要原因是在初成型時(shí)厚壁板材邊緣成型困難，成型不充分，邊緣的曲率比中間部位的曲率小，回彈量又大；另外，厚壁鋼管內(nèi)外周長(zhǎng)相差較大，成型過(guò)程中鋼管外壁拉伸、內(nèi)壁壓縮，也會(huì)造成V型對(duì)接。雖然銑邊時(shí)對(duì)兩側(cè)板邊預(yù)制5°的斜邊，但對(duì)于壁厚為20.6 mm的板材起不到較好的效果。

圖2 “桃形”管坯斷面

圖3 接觸焊合“切片”位置示意

圖4 接觸焊合過(guò)程“切片”照片（上部為鋼管外壁，下部為鋼管內(nèi)壁）

圖5 五輥式焊接擠壓輥示意

2.2 焊接擠壓力

焊接擠壓力在高頻焊接中起著十分重要的作用，擠壓力的大小對(duì)焊縫質(zhì)量有著直接的影響。實(shí)際生產(chǎn)中的焊接擠壓力很難準(zhǔn)確測(cè)量，通常用測(cè)量擠壓量的大小來(lái)衡量擠壓力的大小［20］。一般用擠壓輥前后管材的周長(zhǎng)差來(lái)表示焊接擠壓量。如果擠壓量不夠，熔融金屬及其氧化物不能完全被排出或熔融金屬冷卻后形成的縮孔及夾雜物可能遺留在焊縫中，即使毛刺清除后也不能除去縮孔或夾雜［17］。因此鋼管焊接必須保證足夠的擠壓力以實(shí)現(xiàn)“鍛造焊接”，從而保障焊縫內(nèi)在質(zhì)量。

鋼管壁厚越大需要的擠壓力也越大。五輥式焊接擠壓輥中左右側(cè)擠壓輥承受了大部分鋼管的回彈力。由于左右側(cè)擠壓輥組件的結(jié)構(gòu)是在其主軸的一端和中間部位各安裝一套雙列圓錐滾子軸承，用于整體結(jié)構(gòu)的固定和承受擠壓力，軸的另一端伸出用來(lái)安裝擠壓輥，該結(jié)構(gòu)屬于典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是伸出部分受力后容易傾斜。因此，在厚壁鋼管焊接時(shí)側(cè)擠壓輥軸由于受力較大而向外傾斜，并形成了一定的仰角。用吊線墜測(cè)量側(cè)擠壓輥邊部后證實(shí)了兩個(gè)側(cè)擠壓輥已經(jīng)向外傾斜并呈現(xiàn)外八字狀態(tài)，兩側(cè)擠壓輥向外傾斜如圖6所示。出現(xiàn)這種情況后，側(cè)擠壓輥上半部分無(wú)法提供足夠的擠壓力，就會(huì)造成焊接不良。通過(guò)金相檢驗(yàn)得知，焊縫處內(nèi)外壁的流線夾角相差較大，熔合線寬度外壁比內(nèi)壁要寬，也說(shuō)明了這種擠壓力不平衡的現(xiàn)象［21］。擠壓力內(nèi)壁偏大而外壁偏小，外壁擠壓力不足使一些氧化物夾雜沒(méi)有被完全擠出，滯留在焊縫中，嚴(yán)重時(shí)容易造成外壁缺陷［22］。在V型對(duì)接和焊接擠壓力不穩(wěn)定的共同作用下，焊縫就極易產(chǎn)生缺陷。

針對(duì)這種情況，為了將對(duì)接形狀控制為I型或小V型，提出以下兩個(gè)方面的解決措施：第一，由于現(xiàn)有初成型段的彎邊機(jī)架對(duì)厚壁鋼管管坯邊緣預(yù)彎效果較差，根據(jù)該類型鋼管預(yù)彎要求，設(shè)計(jì)了雙半徑彎邊輥結(jié)構(gòu)，使預(yù)彎更加充分，為后期成型做好準(zhǔn)備；第二，焊接擠壓輥是五輥式擠壓輥，下部是一個(gè)托輥，左右兩側(cè)各一個(gè)側(cè)擠壓輥，上擠壓輥兩個(gè)，分別壓在焊縫兩側(cè)處，整個(gè)形成封閉孔型，五輥式焊接擠壓輥如圖5所示，因此可以通過(guò)加大兩個(gè)上擠壓輥的壓下量在一定程度上消除V型對(duì)接［19］，但是也要合理設(shè)計(jì)上擠壓輥孔型，并適當(dāng)擴(kuò)大兩個(gè)上擠壓輥的間隙以避免其對(duì)鋼管表面造成壓痕。

圖6 兩側(cè)擠壓輥向外傾斜

采取了兩種方法對(duì)擠壓輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：一是根據(jù)側(cè)擠壓輥傾斜程度設(shè)計(jì)有一定斜度的耐磨銅板，分別墊在側(cè)擠壓輥箱體兩側(cè)，利用反變形原理，使側(cè)擠壓輥預(yù)先向內(nèi)側(cè)傾斜一定角度，然后，在鋼管應(yīng)力作用下，側(cè)擠壓輥向外傾斜后盡可能回歸正常位置；二是改進(jìn)側(cè)擠壓輥的結(jié)構(gòu)，由原來(lái)的懸臂梁結(jié)構(gòu)改為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)擠壓輥?lái)敳扛靼惭b一個(gè)側(cè)支撐裝置，該裝置頭部有一個(gè)可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)輥，旋轉(zhuǎn)輥抵住擠壓輥的頂部，與擠壓輥同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使擠壓輥軸伸出部分相對(duì)固定，受到輔助支撐，與原結(jié)構(gòu)整體形成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，使擠壓輥軸伸出部分不再受力傾斜。該方法實(shí)際應(yīng)用效果較好，徹底解決了擠壓力不穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)也能防止側(cè)擠壓輥軸的損壞。

2.3 焊接熱輸入

由于高頻焊接在感應(yīng)加熱時(shí)壁厚方向熱量呈梯度分布，內(nèi)外表面的溫度要高于中間位置，這一現(xiàn)象對(duì)于厚壁鋼管焊接更明顯［23］。壁厚中間位置比內(nèi)外表面受熱低，如果金屬未完全熔化就會(huì)導(dǎo)致未完全焊接。因此，厚壁鋼管焊接需要更高的輸入熱量。

機(jī)組配備的固態(tài)高頻焊機(jī)最大輸出功率為1 200 kW，頻率為150 kHz。為了保證足夠的焊接熱輸入，采取如下改進(jìn)措施：盡可能減小感應(yīng)圈內(nèi)徑，也就是減小感應(yīng)圈與管壁的間隙，增加效率；優(yōu)化阻抗器結(jié)構(gòu)，增加磁棒數(shù)量，從而減少無(wú)效電流，增加焊接有效電流；適當(dāng)控制焊接速度，延長(zhǎng)加熱時(shí)間；適當(dāng)減小開(kāi)口角，以增加臨近效應(yīng)，提高加熱效率。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整焊接功率、焊接速度、開(kāi)口角和擠壓力等，使各項(xiàng)參數(shù)合理組合，以達(dá)到所需的焊接熱輸入。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

3 焊縫熱處理工藝的制定

HFW鋼管通過(guò)在線焊縫模擬正火熱處理工藝改善焊縫區(qū)的組織和性能。生產(chǎn)線熱處理布局主要包括4架頻率為1 kHz的中頻感應(yīng)加熱設(shè)備（每架功率為500 kW）、60 m長(zhǎng)的空冷段和14 m長(zhǎng)水冷槽。水冷槽的作用是減少殘余熱量，在定（減）徑前將鋼管加快冷卻至室溫。對(duì)于壁厚為20.6 mm的鋼管，焊縫區(qū)域整個(gè)壁厚的加熱不單是依靠感應(yīng)渦流電流，還必須依靠熱傳導(dǎo)，也就是需要更長(zhǎng)的保溫時(shí)間。因此，必須制定更高的加熱溫度和更長(zhǎng)的加熱時(shí)間，才能保證焊縫和熱影響區(qū)在整個(gè)壁厚方向從外到內(nèi)充分加熱［24］；同時(shí)，也要注意溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致鋼管焊縫區(qū)域外表面晶粒粗大；另外，為了避免焊縫進(jìn)入水冷時(shí)的溫度過(guò)高而影響焊縫組織和后續(xù)的定（減）徑效果，在空冷段加裝一系列風(fēng)扇來(lái)加快冷卻。

經(jīng)過(guò)多次試制調(diào)整，確保生產(chǎn)線運(yùn)行速度和熱處理溫度的合理匹配，最終使焊縫區(qū)域獲得了較好的熱處理效果，熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 熱處理工藝參數(shù)

4 厚壁HFW海管的性能評(píng)價(jià)

4.1 力學(xué)性能

按照DNV-OS-F101—2005《海底管線系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)中MPQT（制造工藝評(píng)定試驗(yàn)）的規(guī)定，對(duì)正式生產(chǎn)的前兩爐鋼管中各抽取第一支合格鋼管（管號(hào)為“A1”和“A2”）進(jìn)行各項(xiàng)檢驗(yàn)和試驗(yàn)。力學(xué)性能檢驗(yàn)包括壓扁試驗(yàn)，拉伸性能、沖擊試驗(yàn)，金相和硬度檢驗(yàn)。

（1）壓扁試驗(yàn)。按照API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每卷料頭、尾各截取 0°和 90°2個(gè)壓扁試樣進(jìn)行分步壓扁試驗(yàn)，直至壓至貼合，均未出現(xiàn)開(kāi)裂。

（2）拉伸性能。按照ASTM A 370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》對(duì)鋼管管體橫向（與焊縫夾角180°）、管體縱向（與焊縫夾角90°）和焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，滿足DNV-OS-F101—2005標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）沖擊試驗(yàn)。按照ASTM A 370—2017要求在管體橫向（與焊縫夾角90°）、焊縫、焊縫+2 mm、焊縫+5 mm四個(gè)位置進(jìn)行CVN夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。沖擊試驗(yàn)結(jié)果滿足客戶技術(shù)要求， 優(yōu)于DNV-OS-F101—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

表4 鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 0℃CVN沖擊試驗(yàn)結(jié)果

（4）金相和硬度檢驗(yàn)。金相檢驗(yàn)顯示焊縫和熱影響區(qū)在整個(gè)壁厚方向得到了充分的熱處理。根據(jù)ASTM E 112—2013《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的晶粒度進(jìn)行評(píng)價(jià)，晶粒度均在9級(jí)以上。在焊縫金相試樣上按照ISO 6507-1∶2005《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，焊接區(qū)域的硬度值與母材基本一致，滿足DNV-OS-F101—2005中硬度值≤270 HV10的要求。

4.2 靜水壓試驗(yàn)

按照DNV-OS-F101—2005計(jì)算得出鋼管靜水壓試驗(yàn)壓力為28.7 MPa，保壓時(shí)間≥12 s。抽取的兩支鋼管在靜水壓試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)裂紋、泄漏和永久變形。

4.3 無(wú)損檢驗(yàn)

靜水壓試驗(yàn)后對(duì)兩支抽檢鋼管的焊縫進(jìn)行全壁厚、全長(zhǎng)度超聲波檢測(cè)，驗(yàn)收極限采用100%N5刻槽，焊縫無(wú)縱向缺陷；另外，在鋼管兩端坡口面進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，無(wú)分層和裂紋。

4.4 外觀及尺寸檢驗(yàn)

對(duì)兩支鋼管的直徑、橢圓度等尺寸和外觀質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果均符合DNV-OS-F101—2005要求。鋼管尺寸及外觀檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）精確合理設(shè)計(jì)板材工作寬度，充分考慮鋼管成型、焊接及定（減）徑余量，才能保證厚壁HFW鋼管直徑滿足海管標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）通過(guò)控制對(duì)接形狀為I型或小V型、保證足夠和穩(wěn)定的焊接擠壓力以及提高焊接熱輸入來(lái)保障鋼管成型及焊接的穩(wěn)定性，解決制約厚壁HFW鋼管生產(chǎn)的主要技術(shù)“瓶頸”。

表6 鋼管尺寸及外觀檢驗(yàn)結(jié)果

（3）通過(guò)生產(chǎn)線運(yùn)行速度和熱處理溫度的合理匹配，提高加熱溫度，延長(zhǎng)加熱時(shí)間，才能保證厚壁HFW鋼管焊縫區(qū)域在整個(gè)壁厚方向上熱處理完全。