海洋鉆井隔水管張緊環(huán)上殼體焊接工藝研究*

柳鎖賢，張小龍，鄭家偉，王耀鋒，楊 艷，鄧 榮，王紫怡

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 前 言

面對(duì)陸上石油日益枯竭的窘境，為了掌握能源命脈，海上鉆井采油成為保障國家能源安全的重要一環(huán)。海洋石油能源戰(zhàn)略目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，鉆采裝備起到了關(guān)鍵作用[1]。海洋立管系統(tǒng)是海洋鉆采作業(yè)的重要組成裝備，張緊環(huán)是海洋立管系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，工作時(shí)分別連接在伸縮裝置和張緊器上，承擔(dān)整個(gè)立管系統(tǒng)管串的張緊力，此裝備處于腐蝕嚴(yán)重的海洋飛濺區(qū)，是海洋立管系統(tǒng)重要的承載設(shè)備[2-8]。對(duì)于淺水鉆井作業(yè)，張緊環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，可直接作為立管系統(tǒng)伸縮裝置的部件；對(duì)于深水鉆井作業(yè)，張緊環(huán)與伸縮裝置獨(dú)立設(shè)計(jì)。張緊環(huán)一般由上殼體、本體、軸承、懸掛銷軸、邊管終端組成。

為適應(yīng)深水鉆井作業(yè)，國內(nèi)首次研發(fā)整體式張緊環(huán)。本次開發(fā)的張緊環(huán)上殼體整體呈圓環(huán)狀、工件厚壁較大、支撐塊局部形狀不連續(xù)。如采用整體鍛造加工，不僅本體取樣力學(xué)性能難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并且因機(jī)加工不連續(xù)、加工工序復(fù)雜等導(dǎo)致加工精度低而難以滿足產(chǎn)品要求。為了解決以上難題，提出張緊環(huán)上殼體以焊接件代替整體鍛件的思路。其上殼體采用厚板焊接結(jié)構(gòu)，承載的上環(huán)板與平板焊縫、下環(huán)板與平板焊縫均采用全熔透焊縫（CJP 焊縫），并進(jìn)行超聲波檢測（UT）和磁粉檢測（MT）。通過開展張緊環(huán)上殼體焊接可行性研究和焊接工藝驗(yàn)證，開發(fā)的張緊環(huán)上殼體滿足設(shè)計(jì)要求，為海洋隔水管整體式張緊環(huán)研發(fā)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。。

1 張緊環(huán)上殼體結(jié)構(gòu)

張緊環(huán)上殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)由平板、下環(huán)板、上環(huán)板及6件支撐塊構(gòu)成。主焊縫是上環(huán)板、下環(huán)板與平板之間的焊縫，其中6件支撐塊將上環(huán)板分割為6塊，支撐塊與平板、相鄰的上環(huán)板焊接在一起。

圖1 張緊環(huán)上殼體結(jié)構(gòu)示意圖

2 工藝方案

2.1 組焊順序

從結(jié)構(gòu)分析，平板與上環(huán)板、6 件支撐塊的焊縫組成1個(gè)完整的圓環(huán)焊縫。如果將上環(huán)板組焊成1個(gè)完整的圓環(huán)，先與平板焊接，焊完后加工掉需要組合支撐塊處的局部上環(huán)板，可以使上環(huán)板與平板焊縫、下環(huán)板與平板焊縫均形成完整的兩條圓環(huán)形焊縫，如圖2所示，這樣就可以采用高效率、高質(zhì)量的自動(dòng)焊進(jìn)行上、下環(huán)板與平板焊縫的焊接。

圖2 張緊環(huán)研制方案及焊縫示意圖

2.2 焊接方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，平板與上環(huán)板、下環(huán)板焊縫均為K形坡口的全熔透焊縫；上環(huán)板、下環(huán)板的厚度均為70 mm，單面坡口深度大于30 mm；上環(huán)板、下環(huán)板各自形成的筒體內(nèi)徑均大于2 500 mm。按上述組焊順序執(zhí)行時(shí)，上環(huán)板與平板焊縫、下環(huán)板與平板焊縫都將成為非常完整的環(huán)形焊縫，其特點(diǎn)是坡口角度、深度完全一致，且坡口深度較大，焊縫全熔透。這樣的焊縫特別適合自動(dòng)化焊接。通過對(duì)比常用的自動(dòng)氣體保護(hù)焊、氬弧焊、埋弧焊的適用性和效率，首選設(shè)備簡單、焊接效率較高的埋弧自動(dòng)焊來完成該焊縫的焊接。

2.3 焊接試板接頭設(shè)計(jì)

上環(huán)板、下環(huán)板及平板材料均為Q460MD。焊縫形式為T 型接頭的K 形坡口全熔透焊縫。Q460MD 材料化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2[9]。

表1 Q460MD材料化學(xué)成分 %

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)計(jì)算，可知Q460MD 的碳當(dāng)量CEV≤ 0.48%，焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm≤ 0.22%[9]。因此Q460MD材料的焊接性相對(duì)較差。又由于工件厚度大，剛性大，焊縫是一條閉環(huán)焊縫，拘束度大，所以工件焊接前必須采取預(yù)熱措施。

為了得到真實(shí)可信、完全可用的焊接工藝參數(shù)，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)完全模擬實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)。采用ASMEIX—2019 《焊接、釬焊和粘接評(píng)定》[10]作為焊接工藝評(píng)定規(guī)范。采用K 形坡口對(duì)接試板，在坡口邊沿增加限位板，平焊位置（1G）焊接。焊接試板規(guī)格及坡口尺寸、各層焊道示意圖如圖3所示。

圖3 焊接工藝評(píng)定試板規(guī)格、坡口及各層焊道示意圖

2.4 焊接材料及工藝

埋弧自動(dòng)焊用焊材牌號(hào)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及熔敷金屬力學(xué)性能見表3。

表3 焊材及熔敷金屬力學(xué)性能

對(duì)比表3 和表2 可知，焊材的選取符合ASMEIX—2019 標(biāo)準(zhǔn)母材與焊材等強(qiáng)匹配的原則。

焊接試板焊接順序按圖3（b）進(jìn)行。第四層焊接前，用碳弧氣刨清根。每層均采用直流反接（DCEP）進(jìn)行焊接。在第1 次焊接完成后，雖然進(jìn)行了碳弧氣刨清根，但探傷還是發(fā)現(xiàn)了缺陷，腐蝕試驗(yàn)后在試樣焊縫根部發(fā)現(xiàn)未熔合，焊縫根部宏觀腐蝕形貌如圖4所示。對(duì)焊縫根部未熔合處進(jìn)行分析，認(rèn)為是由于清根后，試板第4層采用Φ4.0 mm 焊絲焊接，焊接電流大小適宜，但電弧挺度小，且焊絲截面較粗，電弧不能熔化焊縫根部，從而使根部焊道產(chǎn)生未熔合[11]。

圖4 焊接工藝評(píng)定根部未熔合

通常采用增大焊接電流的方法消除焊道未熔合。但焊接電流過大時(shí)，會(huì)使熱輸入過大，會(huì)使工件產(chǎn)生較大的焊接變形和殘余應(yīng)力，特別會(huì)對(duì)焊縫力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，如沖擊吸收功的降低、抗拉強(qiáng)度的減小。

綜合以上原因，對(duì)該工件可采用Φ2.5 mm焊絲進(jìn)行打底及根部填充焊道，保證焊道根部完全熔合，采用該焊絲的焊道根部宏觀形貌如圖5所示，其余焊道采用Φ4.0 mm焊絲進(jìn)行焊接，從而保證焊接效率。按這種要求進(jìn)行了第2次焊接，焊后對(duì)工件進(jìn)行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。宏觀腐蝕試驗(yàn)也未發(fā)現(xiàn)缺陷，根部及各層焊道熔合良好。第2次焊接試板各層焊道焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 第2次焊接試板各層焊道焊接工藝參數(shù)

圖5 Φ2.5 mm焊絲焊道根部宏觀形貌

在焊接過程中，需注意5個(gè)方面的施焊技巧：①采用K形埋弧焊接時(shí)必須采用窄間隙焊槍；②坡口角度≥ 50°，焊縫成形系數(shù)大于1.3；③打底、填充焊接時(shí)焊槍應(yīng)傾斜10°～15°，蓋面層焊接應(yīng)傾斜8°～10°；④清根后，打磨、修理、碳弧氣刨焊道至光滑；⑤背面焊接用Φ2.5 mm焊絲打底、填充各焊接一層，確保焊縫根部熔合良好。

2.5 性能檢測

根據(jù)ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評(píng)定》對(duì)拉伸試樣、橫向側(cè)彎試樣的截取位置和數(shù)量的要求，在試件相應(yīng)位置上分別截取了2件拉伸試樣、4 件橫向側(cè)彎試樣。同樣依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)的要求分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、橫向側(cè)彎試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5，橫向側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表5可知，2件拉伸試樣抗拉強(qiáng)度604 MPa和586 MPa 都處于母材抗拉強(qiáng)度510～690 MPa、熔敷金屬抗拉強(qiáng)度550～700 MPa區(qū)間之內(nèi)，符合ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評(píng)定》中拉伸試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)，證明了試件拉伸強(qiáng)度是合格的。

據(jù)表6可知，4件橫向側(cè)彎試樣彎曲180°后，試樣完好，符合ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評(píng)定》中橫向側(cè)彎試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)，證明了試件橫向側(cè)彎是合格的。

根據(jù)ASME IX—2019《焊接、釬焊和粘接評(píng)定》對(duì)沖擊試樣截取位置和數(shù)量的要求，以及ASMEⅧ—2019《壓力容器建造規(guī)則》第一卷[12]對(duì)沖擊試樣的缺口位置和取向的要求，在試件相應(yīng)位置上分別截取了4 組沖擊試樣。每組3 件試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，對(duì)每件試樣依據(jù)以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表7 可知，12 件沖擊試樣焊縫-20 ℃沖擊功均≥ 104 J，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母材沖擊功最低值（42 J）和熔敷金屬?zèng)_擊功最低值（27 J），證明了試件沖擊性能是合格的。

依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果及其分析，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)是成功的。經(jīng)過焊接工藝評(píng)定，也驗(yàn)證了焊接工藝方案及工藝參數(shù)的合理性。

3 工件研制實(shí)施情況

施焊前，工件整體預(yù)熱100 ℃。施焊過程中，采用局部氧乙炔火焰加熱保持待焊處溫度不低于100 ℃。窄間隙埋弧焊焊接時(shí)，利用焊接變位機(jī)，將待焊焊縫變?yōu)槠胶肝恢?，張緊環(huán)上殼體每條K形焊縫的內(nèi)側(cè)焊縫距離平板內(nèi)孔邊緣較近，外側(cè)焊縫距離平板外側(cè)邊緣較遠(yuǎn)，導(dǎo)致外側(cè)清根操作難度較大。為了提高了焊縫清根質(zhì)量，保證焊縫熔透效果，選擇以下焊接順序：先焊外側(cè)焊縫，內(nèi)側(cè)清根后，再焊接內(nèi)側(cè)焊縫，內(nèi)側(cè)焊接如圖6所示。打底和根部填充均采用Φ2.5 mm 焊絲焊接，其余各層或各道焊縫均采用Φ4 mm焊絲進(jìn)行焊接，焊槍傾斜角度10°～20°。打底和第一層填充時(shí)，焊絲對(duì)準(zhǔn)焊縫根部，保證根部熔深焊透。

圖6 張緊環(huán)上殼體內(nèi)側(cè)焊縫焊接

執(zhí)行以上焊接工藝參數(shù)及工藝措施成功生產(chǎn)出了張緊環(huán)上殼體，其成品外觀如圖7 所示。雖然產(chǎn)生了5～6 mm 焊接變形，但在機(jī)加工余量范圍內(nèi)，通過機(jī)加工方式可以去除焊接變形。所有工件完成加工和組裝后，按照隔水管張緊環(huán)試驗(yàn)大綱要求，對(duì)隔水管張緊環(huán)進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)、驗(yàn)證載荷試驗(yàn)、液壓系統(tǒng)壓力試驗(yàn)及功能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)完畢后，未發(fā)現(xiàn)目視可辨認(rèn)的變形和壓痕，工件無屈服現(xiàn)象，焊縫無損檢測符合標(biāo)準(zhǔn)要求，液壓系統(tǒng)無壓降、無滲漏油現(xiàn)象。通過以上試驗(yàn)，證明焊接工藝方案和工藝措施是合理的。

圖7 張緊環(huán)上殼體成品

4 結(jié) 論

（1）提出張緊環(huán)上殼體以焊接件代替整體鍛件思路，解決了上殼體整體鍛造加工存在的本體取樣力學(xué)性能難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求、機(jī)加工不連續(xù)、加工工序復(fù)雜等導(dǎo)致加工精度低的技術(shù)難題，研究成果為相關(guān)海洋水下裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的“以焊代鍛”工藝提供有益參考。

（2）通過合理設(shè)計(jì)海洋隔水管張緊環(huán)焊接方案，保證了焊縫質(zhì)量，提高了焊接效率。焊接工藝評(píng)定施加的限位板很好地模擬了產(chǎn)品的實(shí)際情況，使焊接工藝評(píng)定能真正指導(dǎo)生產(chǎn)。

（3）采用細(xì)絲埋弧焊進(jìn)行打底及根部填充焊接，既改善了焊道根部熔合情況，又能保證焊縫合理的成形系數(shù)，避免了焊縫產(chǎn)生裂紋缺陷；粗絲埋弧焊填充焊接，保證了埋弧焊高效的優(yōu)勢。

（4）現(xiàn)場采用先焊外側(cè)、再內(nèi)側(cè)清根、最后焊接內(nèi)側(cè)的施焊順序，可降低清根難度，提高焊縫清根質(zhì)量，從而保證了焊縫熔透效果。