超大直径海洋桩管制造技术

郑家胜， 彭 静， 王学琴， 葛 兰， 张俊泰

（1. 安徽省特种设备检测院， 合肥230051； 2. 合肥紫金钢管股份有限公司， 合肥230051）

1 概 述

海洋是人类赖以生存的“第二疆土”[1]。 海洋的矿产资源丰富， 进入21 世纪， 中国提出 “建设海洋强国” 的战略目标， 大力推进海洋油气资源开发关键技术的研究[2]。 海洋平台是勘探开发海洋油气资源的主要工程装备， 桩管作为海洋平台的基础组成部分尤为重要。 随着海洋战略的逐步实施， 海洋平台数量逐渐增多， 规模逐渐增大， 桩管的技术要求也越来越高， 外径提高至10～15 m， 壁厚也逐渐达到30 mm 以上。 单节桩管的外径超过10 m， 增加了生产难度， 提高了成本， 降低了生产效率。

外径超过10 m 的桩管径厚比较大， 制造过程中由于自身重量易导致变形坍塌， 尺寸精度较难控制， 存在椭圆度数值超出标准规定、 焊接对接错边量较大等问题。 同时过大的外径， 导致辅助工作量大、 组对难度大、 环向旋转焊接工时过长、 焊接效率低、 无损检测难度大和效率低、 焊缝合格率偏低， 这些问题都亟待解决。

本研究设计了一种新型、 高效并适用于外径10 m 以上超大直径海洋桩管的制造和检测技术，具体制造流程如图1 所示， 以下将从制造、 检测和试验三个环节中的重点工序进行分析阐述。

图1 超大直径海洋桩管制造工艺流程

2 超大直径海洋桩管制造技术

2.1 钢板拼接及坡口加工

本研究采用的是超大直径海洋桩管， 外径≥10 000 mm， 公称壁厚≥30 mm， 桩管周向展开后， 钢板长度大于30 m， 由于物流运输以及起吊能力的限制， 通常单张轧制钢板长度不超过15 m， 故用于制造超大直径桩管的钢板通常需要进行分段采购， 然后翻板拼接并加工焊接坡口。

首先进行钢板拼接， 加工纵向焊接坡口，采用CO2气体保护焊打底＋埋弧焊填充盖面工艺， 单面焊接完成后进行翻板， 翻板用工装如图2 所示。 翻板后， 纵向焊缝进行碳弧气刨清根处理， 打磨去除渗碳层后进行反面埋弧焊焊接， 保证焊缝全熔透， 无损检测合格后方可进行卷制成型， 避免卷制过程中产生缺陷或者缺陷放大。

图2 现场钢板翻板工装

通过纵向焊接将多张钢板拼接完成后， 沿着钢板的长度方向（即桩管的环向焊缝） 加工环向焊接坡口。 为防止几何尺寸偏差导致的桩管径向错边， 本步骤需控制钢板对角线偏差在±5 mm范围内， 从而保证尺寸精度。

2.2 单节桩管的卷制

拼板完成后进行单节桩管的卷制， 超大直径桩管三辊卷制时， 容易发生坍塌变形， 造成侧翻， 存在安全风险， 且由于其径厚比过大，卷制完成后， 由于桩管自重而易形成椭圆形，圆度尺寸严重超标， 变形情况如图3 所示。300 mm 调整为钢胶组合Φ750 mm×800 mm，以增加摩擦力， 保证筒节旋转流畅， 也可避免卷制时钢制旋转辊对桩管表面造成损伤。

图3 单节桩管自重受力分析示意图

本研究结合理论分析和现场实践， 自行研究和制作了专门的工装， 工装由顶撑和侧撑两部分组成， 各支撑位置可以调节， 顶撑和侧撑辅助卷制， 在保证安全的前提下， 使得桩管的卷制加工精度满足要求， 顶撑与侧撑的辅助卷制过程及现场照片分别如图4 和图5 所示。

图4 顶撑与侧撑卷制过程示意图

图5 卷制顶撑与侧撑现场照片

2.3 纵缝焊接

传统卷制钢管常用单面V 形坡口[3]， 本研究纵缝焊接采用带钝边的 “内大外小” 的X 形坡口，此种类型坡口可减少焊材用量， 同时提高工作效率， 结合合理的焊道布置可以优化焊接应力的分布， 具体的焊接坡口和焊接层道分别如图6 和图7所示。

图6 纵缝X 形坡口示意图

图7 纵缝X 形坡口焊道分布图

焊前预热及控制层间温度是预防焊接裂纹产生的有效办法[4-5]。 纵缝的焊接工艺为CO2气体保护焊打底， 内焊采用单丝埋弧焊， 从外焊部位清根， 然后进行外焊的填充和盖面， 整个焊接过程严格控制预热温度在150～200 ℃之间， 控制层间温度不低于150 ℃， 防止由于壁厚大、 线能量过大等导致的焊接冷裂纹的产生。

外焊焊接操作高空作业时， 作业高度高于10 m， 为了焊接和组对超大直径海洋桩管， 需根据自身特点研究制造相应的焊接平台， 外焊采用专用的焊接平台如图8 所示， 该平台可降低操作的安全风险， 提高焊接效率。 表1 是材质为Q355ND[6]、 规格为Φ10 000 mm×30 mm 海洋桩管的工艺评定焊接参数， 焊接工艺评定执行标准为NB/T 47014—2011[7]。

图8 超大直径海洋桩管专用焊接平台示意图

表1 Q355ND 超大直径海洋桩管焊接参数

续表

2.4 单节桩管支撑加装

超大直径海洋桩管组对和焊接完成后， 从焊接工装上转运， 由于自重易导致变形， 为保证尺寸精度需加装支撑， 传统的“十字撑” 和“米字撑” 无法满足现场使用， 经过反复尝试验证及经验总结， 在每节桩管的两端加装 “井字形” 支撑， 内表面增加周向加强圈并配以肋板， 以保证安全和尺寸精度， 安装位置如图9 所示。

图9 单节桩管支撑和加强示意图

2.5 筒节组对以及环缝焊接

筒节组对过程中使用的工装， 是在传统的焊接平台上增加了侧边抱臂支撑， 该装置能够在筒节旋转过程中有效控制筒节变形， 防止侧翻。

环缝焊接时， 采用多个环缝工位同步平行进行埋弧焊接操作， 保证生产节奏一致， 多工位同时作业， 6 节筒体焊接时间由12 天缩短至2 天，效率提高了6 倍， 大幅增加了产能。 环缝的焊接坡口及焊材工艺与本研究纵缝焊接工艺一致。

2.6 桩管的转运

本研究所述的桩管直径和质量均非常大，行车调运需要多台配合， 而且吊运过程中会对桩管的尺寸产生较大影响， 无法复原， 因此转运采用联合轴线车（即模块小车） 进行转运， 既提高了转运效率， 也方便场地流转。

3 超大直径海洋桩管的检测

3.1 无损检测

超大直径海洋桩管的壁厚一般在30 mm 以上， 通常焊接完成后应立即对焊缝进行保温缓冷， 放置24 h 后进行首次无损检测， 48 h 后进行复检， 72 h 后进行抽检。 通过焊前预热和焊后保温预防裂纹的产生， 通过焊后不同时间段的无损检测， 最大限度降低裂纹的漏检率。

无损检测执行NB/T 47013—2015 标准[8]， 检测方法通常为目视检测后进行100%的磁粉检测和100%的超声波检测。 如需返修， 缺陷清除和打磨后的表面需进行磁粉检测， 确保缺陷彻底清除， 才能进行返修焊接， 焊接后仍需进行超声波检测。

现场出现有争议的缺陷时， 应尽可能的采用相控阵检测技术和TOFD 的检测技术进行补充检测， 确保危害性缺陷必返修， 在保证焊缝质量的前提下， 提高检测效率。

3.2 力学性能检测

超大直径海洋桩管的理化性能试验通过纵向焊缝搭接试板进行， 无损检测合格后， 按照NB/T 47014—2011 规范要求对焊接试板进行机械切割取加工试样， 分别进行焊缝化学分析、 横向拉伸试验、 导向弯曲试验和冲击试验。

3.2.1 化学分析

选用SPECTRO MAXX 立式直读光谱仪对桩管的焊缝进行化学分析， 结果见表2。 焊缝的化学成分标准中无明确规定， 通常要求焊缝与母材化学成分相近即可， 通过试验分析可得焊缝化学成分与母材化学成分相近， 焊材匹配满足要求。

表2 Q355ND 超大直径海洋桩管焊缝化学成分

3.2.2 拉伸试验

拉伸试验是检验材料力学性能的一种最重要、最有效和最常用的方法[10]。 按照NB/T 47014—2011 标准要求进行拉伸试验， 焊缝的抗拉强度不得低于母材的最小抗拉强度（470 MPa）， 试验结果见表3。

表3 Q355ND 超大直径海洋桩管拉伸试验结果

3.2.3 弯曲试验

弯曲试验是评定焊接接头焊接质量的手段[11]，按照NB/T 47014—2011 标准， 壁厚≥10 mm时， 可以采用4 个侧弯代替面弯和背弯试验。沿厚度方向截取4 个试样， 进行侧弯试验， 弯轴直径40 mm， 弯曲角度180°， 合格指标为弯曲到规定角度后， 拉伸面上的焊缝和热影响区内， 沿任何方向不得有单条长度大于3 mm 的开口缺陷， 试样的棱角开口缺陷一般不计， 但未熔合、 夹渣或者其他内部缺陷引起的棱角开口缺陷长度应计入。 试验结果显示4 个侧弯试样全部合格。

3.2.4 冲击试验

夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性的试验方法， 同时也是焊接工艺评定过程中一项重要的破坏性试验[12]。 根据NB/T 47014—2011 对焊缝中心、 熔合线进行冲击试验， 采用夏比V 形缺口试样， 试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm ， 试验温度-20 ℃。 焊接接头的焊缝及热影响区冲击性能参照钢板冲击要求， 最小冲击功≥27 J， 试验结果符合要求， 冲击试验结果见表5。

表5 Q355ND 超大直径海洋桩管冲击试验结果

4 结 论

（1） 通过设计专用工装， 提升了翻板的安全性和效率； 将传统三辊卷板机钢制旋转辊调整为钢胶组合并增大其尺寸， 增加了卷制流畅性， 同时减小对桩管表面的损伤； 自行研制包含可辅助卷制的顶撑和侧撑的卷制工装， 在保证安全的前提下， 使外径≥10 000 mm， 公称壁厚≥30 mm 的超大直径海洋桩管卷制尺寸精度满足要求。

（2） 采用带钝边的 “内大外小” 的X 形坡口， 通过严格控制焊前预热温度和层间温度，控制焊接线能量防止冷裂纹产生； 专门设计可升降的高空焊接作业平台进行多工位同步焊接作业， 降低操作风险， 提升焊接效率； 焊后紧急保温缓冷， 多时段、 多方法无损检测， 最大限度降低裂纹的漏检率。

（3） 本研究制造的超大直径海洋桩管， 其理化性能符合标准要求。 经过实践验证， 该制造技术能够降低生产制造成本、 提升效率， 并为海洋工程桩管制造提供参考。