許可望 孫有輝 劉永貞 王偉 劉巖磊

摘要：深水鋼懸鏈立管（Steel Catenary Riser，SCR）是浮式平臺(tái)的主要部件，在服役條件下由于受到海洋特殊的海浪、潮汐、臺(tái)風(fēng)等各種環(huán)境因素的影響，極其容易發(fā)生疲勞破壞。為解決鋼懸鏈立管在深水服役環(huán)境中受循環(huán)載荷的作用容易產(chǎn)生疲勞失效的問(wèn)題，采用冷金屬過(guò)渡（Cold Metal Transition，CMT）打底、脈沖模式填充蓋面的熔化極氣體保護(hù)焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW），開(kāi)發(fā)了鋼懸鏈立管 S 型鋪設(shè)全自動(dòng)焊工藝并進(jìn)行了焊縫性能試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，橫向拉伸、全焊縫拉伸、側(cè)彎、缺口斷裂、沖擊、宏觀(guān)硬度及全尺寸疲勞等試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足SCR焊接規(guī)格書(shū)要求; SCR環(huán)焊縫通過(guò)全尺寸疲勞試驗(yàn)測(cè)試，所有焊縫疲勞性能滿(mǎn)足 BS7608（1993）的外徑 D 曲線(xiàn)和內(nèi)徑 E 曲線(xiàn)的95%置信水平要求;由于 CMT 冷金屬過(guò)渡封底為無(wú)襯墊單面焊雙面成型技術(shù)，具有焊接熱輸入量小、無(wú)飛濺等優(yōu)點(diǎn)，可確保焊縫根部成形與母材圓滑過(guò)渡，減小SCR焊縫應(yīng)力集中，從而提高其抗疲勞性能。關(guān)鍵詞：鋼懸鏈立管;熔化極氣體保護(hù)焊;冷金屬過(guò)渡;焊縫性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TG457.2???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B文章編號(hào)：1001-2303（2022）02-0097-06

Welding Process Development and Mechanical Tests for Deepwater Steel Catenary Riser

XU Kewang， SUN Youhui， LIU Yongzhen， WANG Wei， LIU Yanlei

China Offshore Oil Engineering Co. ， Ltd， Tianjin 300452

Abstract： Steel catenary riser （SCR） is the main component of floating platform. It is extremely prone to fatigue damage un‐ der service conditions due to the influence of various environmental factors such as ocean waves， tides and typhoons. In or‐ der to solve the problem about fatigue failure of steel catenary riser（SCR）affected by cyclic load in deep water environment， full-automatic GMAW welding process and mechanical tests were developed by using cold metal transition（CMT）for root pass and pulse mode for fill and cap pass for SCR S-lay. The test results of mechanical properties meet the requirements of SCR welding specification. The fatigue properties of all test welds meet or exceed the 95% level of confidence based on BS7608（1993） D mean curve as OD and E mean curve as ID.Because cold metal transition for root pass without backing is the technology of single side welding and double side forming， it has the advantages of smaller welding heat input and no spatter， ensuring the smooth transition between weld root forming and base metal， so as to reduce stress concentration and improve the fatigue resistance of SCR welds.

Keywords： steel catenary riser （SCR）; GMAW; cold metal transition （CMT）; weld properties

本文引用格式：許可望，孫有輝，劉永貞，等.深水鋼懸鏈立管焊接工藝及焊縫性能試驗(yàn)研究[J].電焊機(jī)，2022，52（02）：97-102.?????? Citation：XuKewang， Sun Youhui， Liu Yongzhen， et al. Welding Process Development and Mechanical Tests for Deepwater Steel Catenary Riser[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（02）：97-102.

0 前言

隨著陸地和近海油氣資源的日益枯竭，鋼懸鏈立管（Steel Catenary Riser，SCR）以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在深水和超深水油氣資源開(kāi)發(fā)方面獲得了各國(guó)的青睞，代表著國(guó)際深海平臺(tái)立管技術(shù)的發(fā)展方向，具有以下優(yōu)勢(shì)：與柔性立管相比，其成本低;與頂張力立管相比，其對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)有較大適應(yīng)性;能適用于高溫高壓工作環(huán)境。因此，SCR取代柔性立管和頂張力立管而成為深水開(kāi)發(fā)的首選立管[1-3]。立管長(zhǎng)期受波浪、海流、船體移動(dòng)等外在荷載作用，深水平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)，SCR立管系統(tǒng)在服役期間承受巨大的極限載荷，且與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、水下渦激震蕩產(chǎn)生的交變荷載導(dǎo)致管線(xiàn)易產(chǎn)生嚴(yán)重的斷裂風(fēng)險(xiǎn)和疲勞失效問(wèn)題。鋼懸鏈立管是通過(guò)許多段具有規(guī)范尺寸的鋼管按照一定的焊接方式制造而成的，高質(zhì)量焊接技術(shù)及其接頭疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)是 SCR立管海上安裝中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

王震等人[12]通過(guò) TIG 焊工藝開(kāi)發(fā)研究了 SCR環(huán)縫小尺寸試樣疲勞性能及錯(cuò)邊對(duì)疲勞性能影響;許可望等人[1]通過(guò) GMAW 焊接工藝開(kāi)發(fā)了研究 SCR 環(huán)縫小尺寸試樣的疲勞試驗(yàn)。上述工作均為基于SCR焊縫小尺寸試樣的疲勞性能研究，鑒于小尺寸試樣由環(huán)縫機(jī)加工取樣后焊接殘余應(yīng)力釋放，以及斷面機(jī)加工精度等因素會(huì)影響疲勞結(jié)果，適用于實(shí)驗(yàn)室研究，缺少全尺寸疲勞試驗(yàn)研究。

本文依托南海深水1 500 m工程項(xiàng)目首條鋼懸鏈立管，采用冷金屬過(guò)渡（Cold Metal Transition， CMT）封底、脈沖模式填充蓋面的熔化極氣體保護(hù)焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）全自動(dòng)焊工藝，對(duì)X65材質(zhì)的鋼管進(jìn)行了鋼懸鏈立管S型鋪設(shè)全自動(dòng)焊工藝開(kāi)發(fā)和焊縫性能試驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)研究SCR全尺寸環(huán)縫疲勞試驗(yàn)，以驗(yàn)證深水立管環(huán)焊縫的服役安全及疲勞壽命。

1? 焊接工藝開(kāi)發(fā)

1.1 焊接設(shè)備及工藝選型

鋼懸鏈立管焊接設(shè)備采用 SERIMAX 公司的 Saturnax09全自動(dòng)設(shè)備，型號(hào)為 m-GMAW-CMT/P，電源為Fronius TPS4000。焊接工藝方法采用GMAW熔化極氣體保護(hù)焊，封底采用 CMT 冷金屬過(guò)渡模式，填充和蓋面采用脈沖模式的GMAW全自動(dòng)焊。1.2 SCR管材規(guī)格

SCR 管材選用意大利 Tenaris，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 API? X65 QO PSL2 SMLS，外徑168.28 mm（約6.625 inch），壁厚18.29 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2 所示。

1.3 焊接材料

焊接材料等級(jí)為AWS A5.18 ER70S-6，牌號(hào)為 SUPRAMIG（Lincoln），直徑1.0 mm，超低氫焊材要求小于4 mL/100 g，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20～30 L/min。選型原則為：一是滿(mǎn)足焊接規(guī)格書(shū)和標(biāo)準(zhǔn)要求，適用“高強(qiáng)度匹配原則”;二是滿(mǎn)足高斷裂韌性和抗疲勞性能要求。

1.4 焊接工藝參數(shù)

1.4.1? 坡口形式設(shè)計(jì)

焊接坡口采用窄間隙J型設(shè)計(jì)，如圖1所示，坡口單邊角度 B為3.5°±1°，R角半徑為（3.2±0.8）mm，平臺(tái)長(zhǎng)度L為（0.5±0.3）mm，鈍邊T為（1.6±0.3）mm，單邊開(kāi)口寬度W為3.3～3.6 mm。

1.4.2 焊接工藝參數(shù)

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)確定的焊接工藝參數(shù)如表3所示，其主要特點(diǎn)為：

（1）根焊和熱焊的預(yù)熱溫度為200℃，是降低接頭硬度的有效措施，熱焊后最小預(yù)熱溫度為100℃，但層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制不超過(guò)275℃。采用燃?xì)饣鹧婕訜峄蛘唠姶鸥袘?yīng)加熱，溫度測(cè)量方法為數(shù)字接觸測(cè)溫計(jì)，預(yù)熱溫度測(cè)量范圍含坡口兩側(cè)75 mm，最少測(cè)量4個(gè)位置，平均間隔90°。

（2）單炬單絲焊接，封底焊接采用 CMT冷金屬過(guò)渡焊接，無(wú)飛濺、成形好。熱焊、填充和蓋面采用脈沖模式GMAW焊接工藝。

（3）采用內(nèi)對(duì)中器無(wú)銅襯墊，熱焊后移除。熱焊道時(shí)間間隔為43 min，溫度降至環(huán)境溫度后熱焊需重新預(yù)熱。

（4）焊接位置為5G，焊接方向根焊時(shí)為整圈，熱焊填充蓋面為兩側(cè)下向焊。

（5）焊接保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量25±5 L/min。

（6）水冷從280℃降至48℃用時(shí)2分48秒。

1.5 焊縫無(wú)損檢驗(yàn)

焊前準(zhǔn)備中采用坡口磁粉 MT檢測(cè);焊接完成48 h后，對(duì)焊接件進(jìn)行外觀(guān)檢測(cè)VT、全自動(dòng)超聲檢測(cè)AUT、手工超聲檢驗(yàn) MUT、打磨后外觀(guān)及表面粗糙度檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果合格，滿(mǎn)足 SCR焊接規(guī)格書(shū)要求，缺陷接受標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

2 SCR焊縫性能測(cè)試

鋼懸鏈線(xiàn)立管主要應(yīng)用于深水和超深水海域，復(fù)雜的水下環(huán)境和不利因素對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有著嚴(yán)格的要求。焊接工藝評(píng)定中，SCR焊縫性能試驗(yàn)包含橫向拉伸、全焊縫拉伸、側(cè)彎、缺口斷裂、沖擊、宏觀(guān)硬度、全尺寸疲勞等，應(yīng)滿(mǎn)足 SCR焊接規(guī)格書(shū)要求。試驗(yàn)采用機(jī)加工方法從環(huán)縫接頭上制取全焊縫拉伸、彎曲、沖擊、宏觀(guān)硬度、斷裂韌性和疲勞試樣。取樣位置示意如圖2所示。

2.1 拉伸試驗(yàn)

橫向拉伸試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 API1104第 5.6.2章節(jié)，全焊縫拉伸試樣執(zhí)行ASTM A370和ASME IX第 QW462.1（d）章節(jié)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示，試樣斷裂位置均發(fā)生在母材，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于母材最小名義強(qiáng)度，表明拉伸性能滿(mǎn)足SCR焊接規(guī)格書(shū)要求。

2.2 側(cè)彎和缺口斷裂試驗(yàn)

側(cè)彎試驗(yàn)執(zhí)行API 1104第5.6.5章節(jié)，壓頭直徑90 mm，彎曲角度180°，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，彎曲后試樣表面無(wú)裂紋缺陷，試驗(yàn)合格。缺口斷裂試驗(yàn)執(zhí)行API 1104第5.6.3章節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，試樣斷口無(wú)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，結(jié)果合格。

2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)執(zhí)行API 1104 A.3.4.2和AWS D1.1，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，取樣位于管道12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)的焊縫中心、熔合線(xiàn)、熔合線(xiàn)+1 mm（母材一側(cè)）、熔合線(xiàn)+5 mm（母材一側(cè)），缺口軸線(xiàn)與焊縫表面垂直，每個(gè)位置取3件平行試樣為1組，試驗(yàn)溫度為-20℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，沖擊功最小單值為126 J，最小平均值為147 J，滿(mǎn)足SCR規(guī)格書(shū)要求（最小單值≥54 J，最小平均值≥73 J）。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，焊縫中心根焊區(qū)域的12點(diǎn)和6點(diǎn)位置的沖擊韌性較低，其原因在于5G 焊接位置管道水平固定環(huán)向焊接時(shí)12點(diǎn)和6點(diǎn)為起弧息弧接頭位置，導(dǎo)致焊縫性能降低。

2.4 宏觀(guān)硬度試驗(yàn)

宏觀(guān)硬度取樣位于管道12點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)位置，600#拋光侵蝕，放大5～10倍如圖4所示，觀(guān)察無(wú)裂紋，無(wú)未熔合、無(wú)未熔透、無(wú)咬邊、錯(cuò)邊和內(nèi)凹小于0.5 mm。硬度試驗(yàn)執(zhí)行ASTM E92，載荷10 kg，加載時(shí)間10 s，6條測(cè)試線(xiàn)，測(cè)試點(diǎn)間距1.5 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，硬度最大值為247 HV10，滿(mǎn)足 SCR規(guī)格書(shū)要求（小于250 HV10）。

2.5 全尺寸疲勞試驗(yàn)

全尺寸疲勞試驗(yàn)為立管試驗(yàn)驗(yàn)證中的重要一環(huán)，對(duì)分析立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、疲勞性能、疲勞壽命預(yù)測(cè)有重要作用，應(yīng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn) BS7608（1993）的外徑D 曲線(xiàn)和內(nèi)徑 E 曲線(xiàn)的95%置信水平校正要求。 SCR焊縫在172.4 MPa、103.4 MPa、68.9 MPa三個(gè)應(yīng)力水平下測(cè)試，每個(gè)應(yīng)力水平測(cè)試2個(gè)試件（包含4 個(gè)環(huán)焊縫），共計(jì)6個(gè)全尺寸疲勞試件（包含12個(gè)環(huán)焊縫）。疲勞測(cè)試開(kāi)始之前，向全尺寸疲勞試件內(nèi)部施加水壓87.3 MPa，達(dá)到平均應(yīng)力137.9 MPa。疲勞測(cè)試時(shí)采用高頻共振彎曲疲勞設(shè)備，頻率約為30 Hz，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)全尺寸試件圍繞其重心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生共振彎曲，所形成的彎曲應(yīng)力作用于環(huán)焊縫環(huán)向每一點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示，所有全尺寸疲勞試驗(yàn)完成的疲勞次數(shù)均達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)曲線(xiàn)要求。疲勞數(shù)據(jù)擬合 S-N曲線(xiàn)如圖5所示，所有焊縫疲勞性能均滿(mǎn)足 BS7608（1993）的外徑 D 曲線(xiàn)和內(nèi)徑 E 曲線(xiàn)的95%置信水平要求。

3 結(jié)論

（1）采用 CMT打底、脈沖模式填充蓋面的熔化極氣體保護(hù)焊GMAW全自動(dòng)焊，所開(kāi)發(fā)的鋼懸鏈立管S-lay鋪設(shè)的全自動(dòng)焊工藝及焊縫性能試驗(yàn)研究，包括橫向拉伸、全焊縫拉伸、側(cè)彎、缺口斷裂、沖擊、宏觀(guān)硬度及全尺寸疲勞試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足 SCR焊接規(guī)格書(shū)要求。

（2）SCR 環(huán)焊縫通過(guò)全尺寸疲勞試驗(yàn)測(cè)試，在172.4 MPa、103.4 MPa、68.9 MPa 三個(gè)應(yīng)力水平，內(nèi)部施加水壓達(dá)到平均應(yīng)力137.9 MPa條件下，共計(jì)12道環(huán)焊縫。試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò) S-N曲線(xiàn)擬合分析，所有 SCR 環(huán)焊縫外徑疲勞性能滿(mǎn)足 BS7608（1993）D 平均曲線(xiàn)的95%置信水平要求;所有SCR環(huán)焊縫內(nèi)徑疲勞性能滿(mǎn)足 BS7608（1993）E 平均曲線(xiàn)的95%置信水平要求。

（3）由于CMT冷金屬過(guò)渡封底為無(wú)襯墊單面焊雙面成型技術(shù)，具有焊接熱輸入量小、無(wú)飛濺等優(yōu)點(diǎn)，可確保焊縫根部成形與母材圓滑過(guò)渡，減小應(yīng)力集中，從而提高其抗疲勞性能。

（4）本研究領(lǐng)域SCR焊接設(shè)備國(guó)產(chǎn)化及配套焊接工藝為尚待解決的卡脖子問(wèn)題，基于SCR國(guó)產(chǎn)管材和焊材，研發(fā)SCR焊接設(shè)備國(guó)產(chǎn)化及焊接工藝開(kāi)發(fā)，逐步打破國(guó)外技術(shù)壟斷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許可望，劉永貞，欒陳杰，等.深水SCR X65管線(xiàn)鋼環(huán)縫無(wú)襯墊全自動(dòng) GMAW焊接接頭疲勞行為[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2019，34（1）：96-100.

XU Kewang，LIU Yongzhen，LUAN Chenjie，et al. Fa‐ tigue Behavior of Girth Joint of X65 Pipeline Steel by Full-Automatic Gas Metal Arc Welding Without Back‐ ing? in? Deepwater SCR? Riser[J]. China Offshore Plat‐ form，2019，34（1）：96-100.

[2] 黃維平，李華軍.深水開(kāi)發(fā)的新型立管系統(tǒng)——鋼懸鏈線(xiàn)立管（SCR）[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，36（5）：755-780.

HUANG Weiping，LIHuajun. A New Type of Deepwa‐ ter Riser in Offshore Oil& Gas Production： the Steel Catenary Riser （SCR）[J]. Periodical of Ocean Univer‐ sity of China，2006，36（5）：755-780.

[3] 許可望，李維鋒，趙翠華，等.鋼懸鏈線(xiàn)立管環(huán)焊縫ECA 斷裂疲勞評(píng)估技術(shù)[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2019，34（6）：85-89.

XU? Kewang，LI Weifeng，ZHAO? Cuihua，et al. ECA Fracture Fatigue Assessment Technology for Girth Weld of Steel? Catenary? Riser[J]. China? Offshore? Platform， 2019，34（6）：85-89.

[4] 梁輝.深水開(kāi)發(fā)中的 SCR 立管系統(tǒng)[J].中國(guó)造船，2008，49（S2）：80-85.

LIANG? Hui. Steel? Catenary? Risers in? Deepwater[J]. Shipbuilding of China，2008，49（S2）：80-85.

[5] 董永強(qiáng)，宋儒鑫，孫麗萍.深水鋼懸鏈立管疲勞壽命評(píng)估分析[J].海洋工程，2014，32（2）：119-124.

DONG Yongqiang，SONG? Ruxin，SUN? Liping. Deep‐ water steel catenary riser fatigue life estimation[J]. The Ocean Engineering，2014，32（2）：119-124.

[6] 周燦豐，焦向東，曹靜，等.海洋深水立管環(huán)縫疲勞性能研究現(xiàn)狀及建議[J].焊接，2011（4）：5-10.

ZHOU Canfeng，JIAO Xiangdong，CAO Jing，et al. In‐ vestigation of fatigue performance of girth weld in deep- water riser pipe[J]. Welding & Joining，2011（4）：5-10.

[7] API 1104-2013，美國(guó)管道和相關(guān)設(shè)施的焊接標(biāo)準(zhǔn)，Welding of Pipelines and Related Facilities[S].

[8] ASTM A370-15，鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義， Standard Test Methods and Definitions forMechanical Testing of Steel Products[S].

[9] BS7608-1993，鋼制產(chǎn)品疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估導(dǎo)論，Guideto fatigue design and assessment of steel products[S].

[10] AWS D1.1-2016，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，Structure Welding Code-steel[S].

[11] ASME IX，美國(guó)鍋爐和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)-焊接工藝評(píng)定，ASME Boiler and Pressure Vessel Code[S].

[12] 王震，程方杰，張彥燊，等.錯(cuò)邊對(duì)鋼懸鏈立管橫焊接頭疲勞性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2019，40（3）：6.

WANG? Zhen，CHENG? Fangjie，ZHANG Yanshen，et? al. ?Effect of misalignment on fatigue performance of? horizontal welded joints in steel catenary riser system [J]. Transactions of the China Welding Institution，2019，40（3）：6.

[13] 何星，趙煥霆，張?zhí)旖?，?淺談鋼懸鏈立管環(huán)焊縫無(wú)損檢驗(yàn)方法的適用性[J].化工裝備技術(shù)，2021，42（3）：5.?? ?HE Xing，ZHAO? Huanting，ZHANG Tianjiang，et al. ?Analysis on the Applicability of the Non-Destructive In‐ spection? Method for the Girth Weld of the Steel Cat‐ enary Riser[J]. Chemical Equipment Technology，2021，42（3）：5.

[14] 孫濤.鋼懸鏈線(xiàn)立管焊接頭斷裂性能及安全性評(píng)定方法研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2013.

SUN Tao. A New Type of Deepwater Riser in Offshore Oil & Gas Production：the Steel Catenary Riser （SCR）[D]. Periodical of Ocean University of China，2006，36（5）：755-780.

編輯部網(wǎng)址：http：//www.71dhj.com