深水油氣田冶金復(fù)合彎管熱彎工藝及質(zhì)量控制

蔡長松，張永生，張建康，張勝坤，王英豪，張永輝

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳）

（ 2.鄭州萬達(dá)重工股份有限公司，河南 鄭州）

1 引言

深水油氣資源開發(fā)深度愈來愈深，高壓油氣介質(zhì)對油氣運(yùn)輸管道的強(qiáng)度要求越來越嚴(yán)格；油氣成分中CO2、H2S、Cl-等腐蝕介質(zhì)的腐蝕影響，以及受油氣溫度較高的影響，對油氣運(yùn)輸管道的耐腐蝕性要求也越來越高。由于腐蝕介質(zhì)之間強(qiáng)烈的交互作用，混合氣田具有較強(qiáng)的腐蝕性，高溫高壓流動(dòng)狀態(tài)的氣-水等多相介質(zhì)對油套管、集輸管線造成嚴(yán)重全面腐蝕和局部腐蝕。[1]因此，在冶金復(fù)合彎管的制造與試驗(yàn)過程中，不僅要控制基管的壁厚滿足設(shè)計(jì)公差要求，即復(fù)合彎管滿足技術(shù)規(guī)定的最小強(qiáng)度要求，也要控制堆焊層的厚度滿足設(shè)計(jì)公差要求，即復(fù)合彎管滿足技術(shù)規(guī)定的耐腐蝕性以及油氣管道的通徑要求。

復(fù)合彎管在熱彎過程中，因其外弧壁厚存在減薄現(xiàn)象，內(nèi)弧壁厚存在增厚現(xiàn)象，且在高溫高壓油氣在流速的動(dòng)勢作用下，復(fù)合彎管的外弧部位更易受到腐蝕。本文著重從復(fù)合彎管各生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制要點(diǎn)、外弧部位基管壁厚及堆焊層的厚度控制、最終尺寸檢測控制等方面進(jìn)行了介紹，確保生產(chǎn)的復(fù)合彎管滿足技術(shù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且方便后續(xù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)和管道的裝配焊接。

2 原材料控制

2.1 基管

冶金復(fù)合彎管的基管為無縫碳鋼管，生產(chǎn)工藝主要包括煉鋼熔鑄成鋼坯、熱軋及空冷、熱處理（淬火+回火）、理化試驗(yàn)、無損檢測、水壓試驗(yàn)、尺寸檢驗(yàn)等。冶金復(fù)合彎管的基管后續(xù)需進(jìn)行堆焊焊接，而影響后續(xù)工序的主要尺寸參數(shù)以及機(jī)械性能參數(shù)主要包括如下：

表1 冶金復(fù)合彎管基管主要參數(shù)

其中基管壁厚的公差要求為±10%，壁厚需滿足技術(shù)要求，即滿足強(qiáng)度要求。

因復(fù)合彎管在熱彎過程中，外弧位置存在減薄的問題，需對用于復(fù)合彎管的基管壁厚進(jìn)行控制。按照無縫鋼管軋制工藝以及尺寸精度控制的要求，對用于復(fù)合彎管的基管，主要從兩方面進(jìn)行尺寸精度控制，一為無縫鋼管的壁厚，考慮彎管過程中的減薄率以及堆焊前內(nèi)壁打磨減薄情況，壁厚公差要求為0-+10%，彎管后基管的壁厚可滿足最小強(qiáng)度要求；二為無縫鋼管的內(nèi)徑，鑒于彎管過程造成橢圓度發(fā)生變化，以及堆焊層厚度公差的影響，若內(nèi)徑偏小，會影響后續(xù)管道通徑結(jié)果。

在項(xiàng)目實(shí)際執(zhí)行過程中，如果彎管批量比較多，應(yīng)與鋼管廠單獨(dú)明確彎管所需求管的技術(shù)參數(shù)和尺寸參數(shù)；如果彎管批量比較少，應(yīng)對彎管使用的基管進(jìn)行逐根測量尺寸，選取內(nèi)徑、壁厚滿足要求的部分管用于彎管復(fù)合管的制作。

另外，由于復(fù)合彎管后續(xù)需進(jìn)行熱彎以及熱處理等工序，該部分工序在一定程度上會降低基管的機(jī)械性能，因此用于復(fù)合彎管的基管屈服強(qiáng)度應(yīng)高于標(biāo)準(zhǔn)值50MPa以上，可確保復(fù)合彎管熱處理后，基管的機(jī)械性能滿足技術(shù)要求。

基管的爐批號應(yīng)盡可能一致，若爐批號較多，后續(xù)復(fù)合彎管的批次試驗(yàn)會增加。且因考慮到復(fù)合彎管在熱彎過程中極易造成分層、焊縫裂縫等缺陷，進(jìn)而產(chǎn)品不合格，以及MPQT試驗(yàn)、生產(chǎn)過程產(chǎn)品破壞性檢驗(yàn)等因素，需準(zhǔn)備技術(shù)需求數(shù)量2倍左右的基管。

2.2 焊材

復(fù)合彎管堆焊一般采用GTAW焊接方式，焊絲為Inconel 625實(shí)芯焊絲。

根據(jù)DNVGL相關(guān)規(guī)范要求，針對到貨的焊材，按照批號進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目包含化學(xué)成分分析、拉伸性能等。

焊材的爐批號應(yīng)盡可能一致，若批號較多，會造成焊材復(fù)驗(yàn)試驗(yàn)、復(fù)合彎管批次試驗(yàn)增加。

3 基管焊前打磨控制

由于基管的熱軋+熱處理生產(chǎn)工藝，基管內(nèi)壁與外壁存在氧化皮，這將會影響焊接質(zhì)量。因此在堆焊前，需對內(nèi)壁堆焊位置進(jìn)行打磨或鏜床機(jī)加工。

通過打磨或機(jī)加工的方式進(jìn)行氧化皮處理，會造成基管壁厚一定程度減薄。對機(jī)加工或打磨后的基管，不僅需要通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行表面質(zhì)量檢驗(yàn)，還應(yīng)通過超聲測厚儀進(jìn)行壁厚測量，確保打磨或機(jī)加工后的基管壁厚滿足公差要求（即滿足強(qiáng)度要求）。另外，針對壁厚測量的位置、數(shù)量、頻次等，需在ITP中明確。

基管打磨或機(jī)加工處理完成后，生成焊接目視檢驗(yàn)報(bào)告，作為產(chǎn)品完工文件的組成部分。

由于用于彎管的復(fù)合管長度較長，在鏜床上進(jìn)行機(jī)加工比較困難，現(xiàn)多采用打磨的方式。

基管打磨完成后，用于復(fù)合彎管的基管進(jìn)行壁厚測量，并對測量點(diǎn)進(jìn)行編號記錄，便于根據(jù)基管壁厚數(shù)據(jù)確定復(fù)合彎管的內(nèi)外弧。壁厚為正公差的一側(cè)，作為復(fù)合彎管的外弧，考慮到熱彎造成基管壁厚減薄影響，復(fù)合彎管熱彎之后仍可滿足技術(shù)要求。

4 基管堆焊焊接

在質(zhì)量控制過程中，產(chǎn)品焊接是特殊過程，焊接完成之后只能進(jìn)行外觀檢驗(yàn)和無損檢驗(yàn)，無法進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。因此，在進(jìn)行產(chǎn)品焊接生產(chǎn)之前，需進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，明確相關(guān)工藝參數(shù)和工藝要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，按照驗(yàn)證過的工藝試驗(yàn)參數(shù)以及變動(dòng)幅度進(jìn)行生產(chǎn)質(zhì)量控制。

眾所周知，母材、焊材、焊接方式、焊接位置等為關(guān)鍵參數(shù)，任何一方面發(fā)生變化，均應(yīng)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，且經(jīng)第三方見證認(rèn)可。因母管長度的變化，堆焊焊接可能采用立式堆焊設(shè)備或者臥式堆焊設(shè)備，按照DNVGL規(guī)范，應(yīng)分別進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

工藝試驗(yàn)焊接過程，需重點(diǎn)關(guān)注焊接電流、電壓、速度、焊材等參數(shù)，特別是使用多種焊材的產(chǎn)品。這些關(guān)鍵參數(shù)在后續(xù)生產(chǎn)過程中，也許重點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

基管完成堆焊焊接之后，應(yīng)進(jìn)行無損檢驗(yàn)和表面外觀檢驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注是否存在分層缺陷以及表面焊縫凹凸點(diǎn)。其中，分層缺陷會造成堆焊層剝離或分層面積變大，表面凹凸點(diǎn)容易造成堆焊層裂縫。針對焊縫表面凹凸點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨處理，打磨后重新進(jìn)行無損檢驗(yàn)以及堆焊層厚度檢驗(yàn)。

5 熱感應(yīng)彎管

基管堆焊檢驗(yàn)完成后，根據(jù)基管壁厚檢測記錄確定的內(nèi)外弧位置，將堆焊復(fù)合管固定到熱彎設(shè)備，按照認(rèn)可的MPS進(jìn)行熱彎。

在熱感應(yīng)彎制過程中，根據(jù)ISO 15590-1規(guī)范重點(diǎn)檢查彎曲半徑、成型速度、溫度、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，并與認(rèn)可的MPS進(jìn)行對比，確保相關(guān)參數(shù)滿足MPS公差范圍。

在熱感應(yīng)彎制過程中，如若因斷電或設(shè)備故障等原因造成熱感應(yīng)彎制過程中斷，該復(fù)合彎管應(yīng)被認(rèn)為不合格。

熱感應(yīng)彎制過程采用感應(yīng)圈對堆焊復(fù)合管進(jìn)行加熱處理，并同時(shí)用水或其他冷卻液進(jìn)行冷卻，這個(gè)過程類似于對復(fù)合管進(jìn)行了淬火處理。但是，水或冷卻液主要噴在基管外表面，造成了基管與堆焊層冷卻速率不一致，進(jìn)而硬度變化也不一致。

盡管相關(guān)規(guī)范說明，熱彎后熱處理并不是強(qiáng)制的。但是通過分析熱彎后復(fù)合彎管的表面硬度檢驗(yàn)結(jié)果，基管的性能有所降低，且可能存在不合格的現(xiàn)象。

6 熱處理

根據(jù)復(fù)合彎管基管表面的硬度檢測數(shù)據(jù)的分析，需對熱彎后的復(fù)合彎管進(jìn)行整體熱處理。由于彎管基管與堆焊層為不同材質(zhì)，依據(jù)基管表面硬度和堆焊層硬度值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由工藝部聯(lián)合熱處理工程師確定熱處理參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對復(fù)合彎管的熱處理工藝進(jìn)行摸索，最終確定既能滿足基管機(jī)械性能又可以滿足堆焊層硬度和耐腐蝕能力的熱處理工藝。熱處理工藝主要包括加熱溫度、加熱速率、保溫時(shí)間、冷卻速率等。

復(fù)合彎管在回火熱處理后，抽檢發(fā)現(xiàn)復(fù)層硬度值超標(biāo)。監(jiān)理分析硬度超標(biāo)的原因?yàn)椋河捎趶?fù)合彎管基層和復(fù)層進(jìn)行整體熱處理，工藝部制定的熱處理方案不能使兩者同時(shí)達(dá)標(biāo)。[2]堆焊層材質(zhì)為Inconel625，基管材質(zhì)為碳鋼，其對溫度、保溫時(shí)間等的敏感程度以及造成的性能變化速率均不一樣。

復(fù)合彎管經(jīng)過堆焊、熱感應(yīng)彎管、淬火、回火等多個(gè)生產(chǎn)過程，基管的機(jī)械性能一定程度上會有所下降。

但是通過彎管后熱處理過程（適合的熱處理工藝參數(shù)），不僅能夠改善基管的機(jī)械性能，還能夠提高堆焊層的抗腐蝕能力，另外，通過熱彎管后的整體熱處理，可以減輕復(fù)合彎管的內(nèi)部應(yīng)力。[3]

熱處理過程中，應(yīng)通過熱電偶對復(fù)合彎管進(jìn)行溫度控制，且熱電偶的布放位置以及類型應(yīng)在MPS中明確。

產(chǎn)品完成熱處理之后，局部熱處理或者熱成型等工序是禁止的。（除非該工序之后接著進(jìn)行整體熱處理）

7 水壓試驗(yàn)及產(chǎn)品檢驗(yàn)

復(fù)合彎管熱處理完成之后，對其進(jìn)行水壓試驗(yàn)，相關(guān)壓力及保壓時(shí)間需滿足規(guī)范和技術(shù)要求。

水壓試驗(yàn)完成之后，根據(jù)圖紙尺寸對復(fù)合彎管端部進(jìn)行機(jī)加工，包括端部內(nèi)鏜機(jī)加工和坡口機(jī)加工。在加工過程中，可能會使用火焰切割復(fù)合彎管端部，需注意去除HAZ影響的長度。

機(jī)加工完成之后，逐項(xiàng)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、UT、MT、PT、剩磁、通徑檢驗(yàn)、尺寸測量等。其中，需重點(diǎn)關(guān)注UT、PT、端部尺寸、角度等檢驗(yàn)結(jié)果。

復(fù)合彎管由于生產(chǎn)過程的特別性，極易產(chǎn)生分層、裂縫等焊縫缺陷，且易造成產(chǎn)品弧度位置橢圓度超差，進(jìn)而影響通徑結(jié)果。

針對UT、MT、PT、剩磁等無損檢測，應(yīng)編制檢驗(yàn)程序文件，明確相關(guān)檢測方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，其參考的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范應(yīng)滿足技術(shù)要求。

針對尺寸檢驗(yàn)，需在ITP或MPS中明確橢圓度、彎曲角度、平整度、表面硬度、直線段長度等參數(shù)的檢測方式、檢測位置、檢測頻率等，并形成尺寸檢驗(yàn)表，相關(guān)方簽字確認(rèn)。

完成相關(guān)尺寸檢驗(yàn)與無損檢驗(yàn)后，需對堆焊層進(jìn)行酸洗鈍化，編制酸洗鈍化程序，并按照MPQT驗(yàn)證過的酸洗時(shí)間進(jìn)行控制。酸洗完成后，需進(jìn)行藍(lán)點(diǎn)檢測，確保酸洗物質(zhì)全部沖洗干凈。

完成酸洗程序后，采用管帽等方式及時(shí)封堵復(fù)合彎管，避免雜物進(jìn)入內(nèi)部，并標(biāo)識產(chǎn)品信息以及進(jìn)行運(yùn)輸保護(hù)包裝。

8 復(fù)合彎管MPQT相關(guān)試驗(yàn)

復(fù)合彎管主要經(jīng)過堆焊焊接工序、熱彎工序、熱彎后熱處理工序，這幾個(gè)工序在質(zhì)量控制過程中均為特殊過程。且對基管的性能和堆焊層的耐腐蝕能力均有一定影響，由于產(chǎn)品需要保持完整性，不能進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，只能進(jìn)行無損檢驗(yàn)等。因此，針對焊接工序，需要通過焊接工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；而針對基管的機(jī)械性能和堆焊層的耐腐蝕能力，需要通過MPQT以及生產(chǎn)批次試驗(yàn)管進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，來驗(yàn)證是否滿足技術(shù)要求。

MPQT試驗(yàn)主要包括基管及堆焊層化學(xué)成分檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、全厚度硬度檢測、金相、剪切強(qiáng)度、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕等。

針對基管為無縫鋼管的復(fù)合彎管，其檢測位置主要分布在直線段、過渡段（起始位置及終止位置）、內(nèi)弧段、外弧段，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行相關(guān)理化性能試驗(yàn)。

另外，根據(jù)ISO 15590-1規(guī)范相關(guān)要求，MPQT試驗(yàn)的復(fù)合彎管需進(jìn)行表面硬度檢測，并且作為生產(chǎn)過程中彎管表面硬度檢測的控制依據(jù)。

該項(xiàng)目3D彎管采用堆焊、中頻感應(yīng)固溶、中頻感應(yīng)彎制、回火熱處理的生產(chǎn)工藝，通過MPQT試驗(yàn)，驗(yàn)證該生產(chǎn)工藝可以滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

8.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

復(fù)合彎管經(jīng)熱處理后，復(fù)合彎管的力學(xué)性能較母材基管的性能數(shù)值有所降低。如下表2所示：

表2 復(fù)合彎管力學(xué)性能對比

母材基管的硬度數(shù)值（維氏硬度）多分布在185-205，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為≤235，滿足技術(shù)要求；堆焊層的硬度數(shù)值（維氏硬度）多分布在220-285，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為≤310，滿足技術(shù)要求。

8.2 金相試驗(yàn)

通過對復(fù)合彎管截面進(jìn)行侵蝕，分析其金相組織以及測定晶粒度，檢測結(jié)果如下表3所示：

表3 金相試驗(yàn)結(jié)果

圖1 母材金相圖（100X）

圖2 HAZ金相圖（100X）

圖3 堆焊層金相圖（100X）

8.3 腐蝕試驗(yàn)

點(diǎn)蝕和晶間腐蝕是引起不銹鋼局部腐蝕的最本質(zhì)、最重要也是危害最大的兩類腐蝕行為。[4]因晶間腐蝕在堆焊復(fù)合管MPQT試驗(yàn)過程中已經(jīng)驗(yàn)證，根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，對復(fù)合彎管來說，僅需做點(diǎn)蝕試驗(yàn)。

點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)測試方法參考ASTM G48-2011（2015）進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果為：質(zhì)量損耗率為0.19g/m2，且在20X顯微鏡下觀察無點(diǎn)蝕情況。技術(shù)要求質(zhì)量損耗率≤4g/m2，可滿足技術(shù)要求。

8.4 外弧減薄率

復(fù)合彎管在中頻熱彎過程中，內(nèi)弧基管和堆焊層厚度增加，外弧基管和堆焊層后端減薄。

根據(jù)復(fù)合彎管尺寸檢驗(yàn)報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)，與彎管前壁厚測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，外弧減薄率約為8%左右，內(nèi)弧增厚率約為20%左右，且基管厚度和堆焊層厚度滿足技術(shù)要求。

8.5 藍(lán)點(diǎn)檢測

復(fù)合彎管酸洗鈍化采用酸洗鈍化膏，酸洗鈍化時(shí)間約為30-60min，采用高壓水沖洗。

按照技術(shù)規(guī)范要求，按照比例將瓊脂、鐵氰化鉀、氯化鈉、水配置溶液，用于藍(lán)點(diǎn)檢測。采用電加熱取暖器對復(fù)合彎管進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度后在堆焊層上涂抹檢測溶液，檢驗(yàn)結(jié)果為無藍(lán)點(diǎn)出現(xiàn)，即無鐵污染。

9 結(jié)語

本文主要針對復(fù)合彎管的原材料控制、焊前打磨、GTAW焊接、中頻感應(yīng)彎制、熱處理、水壓試驗(yàn)、無損檢驗(yàn)及尺寸檢驗(yàn)等工序進(jìn)行了詳細(xì)描述，明確各工序需要關(guān)注的關(guān)鍵工藝和質(zhì)量控制點(diǎn)，確保最終產(chǎn)品（復(fù)合彎管）能夠滿足技術(shù)要求，且便于后續(xù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的制造與檢驗(yàn)。另外，文中穿插一些項(xiàng)目管理要求，如原材料需求數(shù)量確定、相關(guān)工藝順序、生產(chǎn)要求等。

同時(shí)根據(jù)MPS描述的生產(chǎn)工藝進(jìn)行MPQT試驗(yàn)，對復(fù)合彎管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果進(jìn)行了分析，主要包括力學(xué)性能試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、藍(lán)點(diǎn)檢測等關(guān)鍵試驗(yàn)。參考項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)要求，采取該工藝生產(chǎn)的復(fù)合彎管不僅可以滿足強(qiáng)度（力學(xué)性能試驗(yàn)），也可以滿足耐腐蝕性能（點(diǎn)蝕試驗(yàn)）。