水下采油树本体制造过程关键点质量分析与控制

黄施蓬，程锐，范海涛，许洋，毛冠煜(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

我国深海海域蕴藏着丰富的油气资源，但深水区域特殊的自然环境和复杂的油气储藏条件将使我国深水油气田开发在钻探、开发工程、建造等方面面临诸多技术难题，其中水下采油树是海洋油气田生产和井下作业的关键设备[1]。1 500米水下智能井口生产设备设计、制造、测试与安装关键技术的研究是参照API 17D标准，将工程实践与智能水下采油树的研制、测试结合，建立的一整套完整的智能水下采油树生产和监督控制体系，突破了智能水下采油树工程建设过程中的技术难点和关键点，为深海油气开发设备的研发制造积累了经验。

1 采油树本体工作环境及其功能

本水下采油树长期工作于深水、海水近于0 ℃的酸性环境中，内部承受高温高压的油气环境，其中该采油树本体为防喷器、采油树帽、油管悬挂器、H-4连接器提供合理的安装平台，为生产组合阀、化学药剂注入阀、环空翼阀、环空监控阀提供接口。采油树本体需达到承受高温、高压、耐强酸性腐蚀的能力以及良好的密封效果，且需满足15年的设计寿命，因此采油树本体的生产制造至关重要。

2 本体制造的质量控制

本体的制造过程主要控制点如下：锻件原材料的控制-热处理-本体端部取样-机械性能和化学分析检测-UT探伤-粗加工-堆焊-半精加工-精加工-尺寸测量-表面磁粉探伤-表面涂层-装配-测试。其中关键节点主要为：锻件质量控制、堆焊加工质量控制、精加工完成后尺寸测量的质量控制、表面涂层质量控制。

2.1 锻件的质量控制

由于采油树本体在高温高压及强酸高腐蚀的环境下工作，因此母材的选材也尤为重要。为满足其生产要求，根据API 17D的设计规范，流道浸润面的材料需达到HH-NL级别，压强达到68.95 MPa等级。

达到此条件的材料有：AISI4130+堆焊Inconel625、A182-F22+堆焊Inconel625、AISI8630+堆焊Inconel625，通过设计计算，只要三种材料的强度达到517 MPa，就能满足流道浸润面的材料等级。在材料选取之时，需考虑母材的关键因素，如表1所示。

表1 不同母材特性对比

由表1可知，母材AISI4130的淬透性不如A182-F22和AISI8630材料，但是如果机械性能测试结果得当，母材的强度不高于517 MPa时，对于三种材料的淬透性并无影响[2]，既能满足流道浸润面的材料选择，又考虑到AISI4130材料成本相比A182-F22和AISI8630较低，最终选取了AISI4130 +堆焊Inconel625方式。

在锻件粗加工完成的生产阶段，需要控制以下环节：

(1)母材总重量为8 t，尺寸2.1 m×1.2 m，由于钢钉外形尺寸较大，为了确保本体内部夹渣物、树枝状结晶组织有效去除，本体关键部位后期与625镍基合金应有效焊合，使之成为内部密实、均匀、细微、综合性能良好的锻件。同时根据API 6A 5.4.3要求产品材料规范等级为PSL 3G的产品应使用锻件，因此应对母材采取高温锻造的工艺。母材AISI4130钢锭化学成分需满足ASTM A29/A29M-05标准要求，锻造比满足API 20B标准要求，晶粒度及夹渣通过晶像分析测试，结果需满足ASTM E45—2018＆ASTM E112—2013标准要求。

(2)根据API 6A 5.4.3工艺要求，需使其母材机械性能、硬度达到要求，对锻后母材进行热处理(正火+淬火+回火的方式),根据ASTM A370在热处理控制阶段，淬火、回火加热时，严格控制入炉炉温和升温的速率；根据API RP6HT要求控制工件淬火出炉后转移的时间、入水水温、水冷时间、出水水温以及出水时工件温度；严格控制保温的时间、冷却的方式。待热处理完成，本体完全冷却后，对于质量鉴定式样(QTC),严格按照API 6A 5.7条款要求在本体的延伸段1/2和1/4处划线取样。在延长段(QTC取样端，后续测试用)进行硬度测试，硬度测试结果(详见表2)满足ASTM E10要求；样品经实验室试验，机械性能结果(详见表2)满足ASTM A370标准要求。

(3)为了避免本体内部出现缺陷，可采取内部UT探伤或RT探伤的方式，由于RT不适用于厚壁工件的检测，且对人体和周围环境有危害，维护成本较高；但UT探伤穿透能力强，适用于厚壁工件，定位准确，对环境和人体无害。因此最终选择UT探伤，探伤结果需满足ASTM A388标准要求。

表2 AISI4130热处理后机械性能

2.2 堆焊的质量控制

由于采油树本体选择了AISI4130母材，在其关键部位(密封面)不能达到高耐蚀要求，API 6A HH材料级别为设备接触流体的浸润面且为耐腐蚀合金[4]，故采取对关键密封面AISI4130堆焊Inconel625的方式，Inconel 625合金属于镍-铬-钼合金，其合金组成中有较高的铬和钼，所以具有各类介质(还原性和氧化锌介质)的腐蚀，而且在还原-氧化的复合介质中其耐蚀性也非常出色[3],因此作为本体密封面的堆焊材料。通过此堆焊方式增强基体表面的耐腐蚀、耐高温氧化性能。

焊接完成后，焊后尺寸需满足图纸要求；通过目视和焊缝规的测量，完成焊缝的外观检测(详细参数见表3)；液体渗透探伤、焊后母材和堆焊层硬度满足API 17D标准要求。

表3 焊缝外观检测

2.3 精加工完成后尺寸测量的质量控制

采油树本体的钢圈槽是整个采油树密封的关键部位，其锥面角度、钢圈槽密封外径的尺寸具有以下关键作用：

(1)和钢圈的尺寸匹配。

(2)金属钢圈锥面和本体密封锥面形成的密封曲线(密封面)应尽可能和中轴线精确垂直。

(3)确保金属密封钢圈和采油树本体密封面存在恰当的过盈量，保证密封的实现。

锥面角度、钢圈槽密封外径尺寸精度要求较高，普通的量具不易测量。且一旦尺寸有偏差，就会出现密封失效的风险。在本体钢圈槽关键部位之前采取球径规复验方式，但此法存在局限性，最终的测量的尺寸也容易出现偏差。最终采用三坐标测量仪来测量此处的形位尺寸公差。三坐标测量仪精度为±0.023 mm，远高于本体钢圈槽密封外径的尺寸要求公差(0+0.13) mm，但由于三坐标测量仪的精度也会受到操作者的影响，这里采取通过多次测量复验和最终测试一次通过的方式来减小误差，以验证尺寸的可靠性。

三坐标测量仪的准确使用对测绘工作有着重大影响，解决了之前精度要求高、测量范围狭窄、尺寸偏差大、测量范围广的难题。通过此次测量方式的转变，避免了以往互配方式容易产生损坏的问题，提高了工时工效。

2.4 表面涂层(XYLAN)的质量控制

采油树本体的工作环境温度在2～121 ℃间，且长期处于酸性腐蚀性环境中，因此对于本体表面涂层要求极高，此处采取XYLAN作为涂层的方式。XYLAN是由美国Whitford认证的一种PTFE防腐涂层，具有优异的防腐蚀性能[5]。

由于之前水下采油树表面涂层在使用过程中存在脱落现象，针对该采油树本体，对涂层工艺采取全过程跟踪再验证的方式。根据XYLAN的技术协议，编制了XYLAN的测试方案并对样块进行了测试，确保其质量满足要求。XYLAN涂层包括磷化底涂及XYLAN面涂，需分别展开测试。

3 结语

本文就采油树本体制造过程，以API SPEC 17D和API 6A标准为指导，以API SPEC Q1质量体系标准作为基础，对水下采油树本体制造关键过程进行准确又严谨的质量控制，形成了一套完整的水下采油树本体制造的质量管理体系，为后续水下采油树本体制造过程控制提供丰富的经验参考和验证依据。