深海脐带缆超级双相不锈钢盘管的研制

杜兴吉,王 坤,夏正文,沈 赟

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

0 引 言

脐带缆一般由电缆、光纤、输送化学制剂和液压流体的钢管、外部保护层（钢管和复合材料）等组成，短则几百米，长则上万米。主要用于输送化学制剂、液压流体、电及信号等，是海洋油气生产系统的生命线。一旦脐带缆受到损坏将会给整个系统带来巨大的影响，而脐带缆内部部件的损坏将会使通信中断并影响整个生产系统的控制。

深海脐带缆由许多管组成。通常最里面的管（内管）为液压流体输送管，内管和外部保护层（外管）之间为电缆和光纤。脐带缆中的钢管一般是S32750（SAF2507）超级双相不锈钢管，规格为φ6.3~φ50.8 mm，S32750不锈钢的最小屈服强度是550 MPa，抗拉强度800～1 000 MPa。在制造脐带缆前首先需要将每根十几米的无缝钢管对焊后盘成一卷，每卷长度一般几千米，最长20多千米，以便运输到电缆生产厂家。

脐带缆一旦安装在水下，有时深达2 000多米，这些脐带缆维修困难，因此其质量尤为重要。长期以来，我国使用的脐带缆全部依赖进口，对这一产品的关键技术研究尚属空白，且不具备脐带缆系统设计、分析和制造等能力，这些都在一定程度上制约了我国深海油气田的开发。我国在脐带缆钢管的生产、设计和制造上也尚属空白。本研究将填补我国脐带缆超级双相不锈钢盘管生产的空白，替代进口。

1 不锈钢盘管生产线基本要求

深海脐带缆超级双相不锈钢盘管生产线必须满足以下基本要求：产品表面无缺陷；质量稳定；整卷性能一致；便于储存、运输和开卷的紧凑式均匀卷取技术，并具有一定的生产能力、较高的生产效率以及灵活性。

因此高的生产效率必须与较大的生产灵活性相结合，以减少维修和换辊所引起的停车时间。另外，无表面缺陷产品也是盘卷生产中一项必不可少的基本条件。

2 生产线主要组成

深海脐带缆超级双相不锈钢盘管生产线主要由管-管全位置对焊装置、抛光装置、X射线平板数字成像检测装置、收卷装置、水压试验装置等组成。

2.1 管-管对焊机构

由于脐带缆钢管在深海下使用，且工作条件复杂，因此，对其焊接接头质量要求非常严格。在实际生产中焊接缺陷将严重影响盘管性能，尤其是降低疲劳寿命。

两根钢管的对接，由于两端的钢管都有数十米长，而且钢管的一头连着盘管机，所以焊接过程中管子不能转动，须靠焊头带动钨极的旋转来实现全位置焊接。对于这类高精度和高要求的钢管焊接设备基本都是从德国、法国和美国等国家进口。管-管焊接具有以下特殊性：①全位置焊接，对两管端校直、管口整圆以及对中等焊接前工作要求很高，对工装的要求很高；②管-管焊接无论从焊接精度、焊接性能上都要求很高，属于精密焊接；③焊接工艺复杂，对焊接操作技术要求高。

2.1.1 精密组对夹具

管子对接组对时，两端应平齐，无间隙，错边量不宜超过管壁厚度的10%，且控制在±0.2 mm。为降低应力，对中时应尽可能使对焊两管处于自由状态，严禁在管子拉应力状态时对中固定。

从工艺角度看，对焊焊件的要求通常以沿轴线全长的直线度、焊缝处的圆度、错边等要素来评价。通常焊件轴线的直线度是最基本的要求，由对焊两管件的同轴度来实现，装配所能达到的同轴度决定了焊件轴线所能达到的直线度和焊前加工尺寸在焊后的同轴度。因此装夹系统必须在定位夹紧时保证相应的位置公差—同轴度。

对于全位置管道焊接而言，工件的组对精度对焊缝质量的稳定性起着决定性作用。全位置管道自动焊要保证焊接工艺的重现性，焊接组对是焊前准备工作中最关键的环节。不锈钢管的品质对对接焊质量的影响主要表现为：①管子壁厚误差和管径误差应分别严格控制在标准允许范围之内。壁厚误差和管径误差的大小影响管子的组对精度，误差过大，管子组对时的错边量也大，从而影响焊接质量。②管子的直线度。管子切割后应进行断面加工，并采用专用工具去除毛刺。在对管口两侧适当范围内的管壁内外表面清理后进行组对。

在试验中，主要出现的缺陷有焊偏、错边及未熔合等。究其原因，主要是组对装夹的问题。由于管子壁薄，外径小，接口处很窄，对中很难保证。所以，在焊接小管径钢管时必须设计一套专门的高精度工装夹具以保证对中。

2.1.2 全位置焊机

对于直径5～58 mm，壁厚≤1.5 mm的薄壁钢管之间的对焊，一般采用密封式机头。但为了焊缝的良好成型，脐带缆钢管对接焊一般采用加丝的开放式全位置TIG焊机，使焊缝可获得几乎均匀无异的成形和接头质量。与手工氩弧焊相比，减少了许多人为因素，保证了焊接接头质量的稳定性。

焊接试验设备为法国宝利苏迪全位置焊管机，主要组成部分包括：PS164-2便携式电源、MUIV8/38P焊接机头 （适用φ8～φ38 mm钢管）和Polyfil-3送丝机等。内置保存有60个预置程序，基本涵盖了常用的多种不同材料、不同管径和厚度焊管的焊接应用。可通过内置打印机打印出焊接实时参数，可通过内部存储器或存储卡存储程序，并可通过遥控器直接调用内存中的16个程序，从而大大降低了对操作人员的技术要求，保证了焊缝质量。

全位置自动焊接机头上的钨极在齿条的驱动下沿管子外壁连续旋转，从而实现全位置自动焊接。通过对各焊接工艺参数的优化配置，可获得非常理想的薄壁不锈钢管件焊缝质量和外观成形。

2.2 抛光装置

由于对焊后可能出现焊缝余高过高、过宽或有不清晰回波产生的地方，应对其进行修磨，使之满足检验的要求。

抛光装置有升降功能，以便钢管直径不同时，调整抛光装置的中心线高度。对焊缝进行抛光时，左右夹紧装置夹紧钢管。

砂带行星系统在钢管对接焊缝表面进行360°精确抛光且钢管本身不能旋转 （钢管一端连着盘管装置），抛光带运转直线速度为8～25 m/s，抛光区域宽约20 mm。抛光后紧贴钢管的砂带 （大圆盘）都停在一个固定的位置，然后使砂带离开钢管约20～30 mm，使砂带远离钢管，这样可以避免钢管向前输送进行盘管时被砂带损伤表面。

2.3 X射线平板数字成像检测装置

数字平板X射线实时成像检测装置的铅房内装有环绕式检测装置，对钢管的对接焊缝进行高效率的X射线实时成像检测。X射线检测铅房由X射线探伤机、数字平板、防护铅板和机械检测平台组成。

X射线管安装在可绕钢管中心线旋转的行程300°的环形运动装置上。在盘管机盘卷过程中，当环焊缝传送进入检测铅房，置于检测平台时，使X射线焦点、被检环焊缝和平板探测器中心处于同一直线上。

X射线穿透被检工件后被平板探测器吸收转换成数字信号，输入计算机中完成图像显示，并且存储在计算机硬盘中。检测人员利用计算机提供的先进的图像处理手段和图像测量工具对缺陷的性质、大小、位置等信息做定性、定量判定，并对焊缝质量进行评定，自动生成可打印输出的检测报告。

经检测的焊缝合格后，由操作人员通知收线机进行盘卷。

2.4 牵引机构

为了使钢管盘卷整齐、紧凑，应该使钢管盘管过程中张力恒定并接近0，防止被拉断或松驰。

系统在联动控制状态下，牵引机和盘卷机的运行速度能够根据生产工艺要求进行自动调整，以达到张力很小并恒定，从而稳定生产的目的。

离合器采用磁粉离合器，能方便快捷地进行离合操作，断电时为脱开状态，通电时磁粉离合器可以通过PLC预先设定值传递扭矩，当钢管承受载荷超过设定扭矩时，磁粉离合器将自动打滑保护钢管；当钢管承受载荷小于设定扭矩时，磁粉离合器将自动吸合继续进行钢管收放动作，从而实现钢管的张力保护控制。

2.5 盘卷机构

卷筒是钢管的储运设备，用以均匀地缠绕钢管。它由筒芯和边凸缘组成，是焊接的钢结构。卷筒采用电机驱动形式，通过链条传动驱动卷筒正反转，使钢管保持一定的拉力，使其紧绕在卷筒上。

卷筒所能缠绕钢管的长度和直径的大小，主要取决于卷筒的外径、宽度和筒芯的直径。例如，对于φ12.7 mm的钢管，若缠绕在筒芯直径1.5 m、卷筒外径2.5 m、宽度1.5 m的卷筒上，可卷长度达20 km以上。

工字轮式卷取机组，工字轮的边缘部分沿圆周方向有一锥形通孔，锥形通孔的小端直径应大于最大的钢管直径，用于容纳钢管的初始端。

把钢管的初始端插入收线机的工字轮的边缘部分的锥形通孔中，使得在工字轮旋转过程中可以自动支撑初始端。整个卷取工艺采用智能控制系统进行控制，特别用于监控钢管在工字轮式卷取转筒上一层层整齐卷取，直至盘卷卷取结束。

龙门行走式盘管机具有自动排线功能，其下装有导轨，在文本显示器中输入钢管的直径，每盘好一圈，龙门行走式盘管机就会在盘管机导轨上移动相应的距离，以保证盘管排列整齐。

收盘机为卷取张力调节系统，卷盘的自动排线系统采用线速度、卷径、线径作为变量控制电机。电机经减速器减速，减速器输出端与离合器输入端联接，离合器输出端与链轮传动装置联接。

2.6 水压试验装置

需要将盘完的盘管放入试压房中，用水压试验装置进行最高100 MPa的水压试验。

在封闭的试压房中，首先排尽盘管里面空气并注满水，封住盘管的两端管口后进行增压，管内压力达到设定值后封闭增压口，进行静态保压，在规定时间内压降小于允许值 （或压降为零），则盘管合格。

如压降大于允许值，则盘管要进行气密试验，找出泄漏点并进行修补。气密试验时，将不合格盘管放到放线机上，将盘管两头密封并充气，在牵引机的作用下经矫直机矫直后，通过气密试验水箱找到不合格处，并加以处理，然后用龙门行走式盘管机进行重新盘管。修补后再进行水压试验，直至压降符合要求。

3 实际应用及结论

在所研制的深海脐带缆超级双相不锈钢盘管生产线上进行了多次试验，试验采用S32750（SAF2507）超级双相不锈钢管，规格为φ14.7 mm×1 mm，直管长度12 m；用几十根钢管经对焊、抛光、检测等多道工序盘成几百米长的盘管。

质量控制程序证明，所有测试的卷取盘卷的力学性能完全符合ISO 13628-5—2009等有关标准要求，所研制的生产线能够满足生产的需要。

［1］李清泉，杨和振.深海脐带缆内套管间相互作用的研究［J］.中国海洋平台，2010，25（06）： 28－32.

［2］陈凯，夏峰，叶信红，等.水下生产系统用脐带缆试制关键工艺介绍［J］.电线电缆，2012（02）： 11－13.

［3］黄绍平，盖玉先，刘会英.全位置密封式管焊头关键技术分析［J］.机械工程学报，2011，47（08）： 104－109.

［4］刘秀春，亓安芳，李忠杰.全位置TIG对接焊机工艺试验研究［J］.锅炉技术，2006，37（05）：52－54.

［5］方俊，常立寒.DR实时成像技术在封头焊缝检测中的应用［J］.石油化工设备，2013，42（03）：87－89.

［6］张龙，高速线材轧线夹送辊工作过程分析及其参数设置［J］.治金丛刊，2010，187（03）：24－26.

［7］REDOLFI N，SALVADOR G，FERRIERE NORD. 棒卷生产线：工业化运行中的第一台工字轮式卷取设备［J］.钢铁，2005，40（01）：77－79.

［8］吴金辉，梁根选，王树人，等.平板X射线成像技术在螺旋埋弧焊管检测中的应用［J］.焊管，2011，34（04）：29－31.

［9］武立仓.大盘卷生产线加勒特和工字轮式卷取设备特点［J］.安徽冶金，2009（01）：25－27.

［10］奚运涛，樊明锋，张振永.小口径钢管全位置脉冲TIG多层焊的组织分析[J].焊接，2005（08）：32－34.