胡 平，侯 靜，岳世斌，王久剛，楊為國，黃兆力，劉耀恒

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570311；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

深水鋼懸鏈線立管（Steel Catenary Riser，簡稱SCR 立管）長期服役于深海環(huán)境，受到風(fēng)、水流、海浪、涌浪、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、海床運(yùn)動(dòng)和管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的復(fù)雜載荷作用，因而要在長時(shí)間內(nèi)保證服役的安全可靠，必須具有高強(qiáng)度、高疲勞性能、高耐低溫韌性和高性能穩(wěn)定性。由于立管管道同海底管道一樣，是采用海上焊接施工的方式進(jìn)行安裝和鋪設(shè)，因此還需要具有高可焊性和高尺寸精度。鋼管的尺寸精度主要會(huì)對焊接施工的效率、成本以及焊接接頭的應(yīng)力集中產(chǎn)生影響。軋管尺寸精度不高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致對接接頭出現(xiàn)錯(cuò)邊，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力集中位置易發(fā)生疲勞失效。因此有必要分析影響無縫鋼管的軋管尺寸精度的因素，從而針對性地研究和改進(jìn)深水立管的生產(chǎn)方案。

1 尺寸精度對疲勞性能的影響

英國焊接研究所（TWI）曾進(jìn)行了張力腿平臺(tái)（TLP）系索鋼管的全尺寸環(huán)焊縫疲勞試驗(yàn)，結(jié)果顯示環(huán)焊縫疲勞往往發(fā)生于根部焊道初始缺陷處，焊趾存在應(yīng)力峰值，接頭的組對偏差加劇了應(yīng)力集中，導(dǎo)致環(huán)焊縫疲勞性能降低。對于SCR 立管，一般要求接頭組對偏差 1.0 mm[1]。

文獻(xiàn)［2］研究了錯(cuò)邊對SCR 立管橫焊接頭疲勞性能的影響，認(rèn)為錯(cuò)邊量超過0.60 mm 時(shí)疲勞循環(huán)周次明顯下降，因此建議將立管環(huán)焊縫橫焊接頭在裝配時(shí)的錯(cuò)邊量限制在0.60 mm 以內(nèi)。文獻(xiàn)［3］則認(rèn)為，宜將GMAW 熔化極氣體保護(hù)焊單面焊環(huán)焊縫橫焊接頭的錯(cuò)邊量控制在0.5 mm 以內(nèi)。

關(guān)于首先發(fā)生疲勞失效的位置，文獻(xiàn)［4］的研究結(jié)果表明無錯(cuò)邊接頭的應(yīng)力分布主要受焊縫輪廓影響，根部下側(cè)焊趾易成為疲勞源；有錯(cuò)邊接頭的應(yīng)力分布除了受焊縫輪廓影響外，還會(huì)有二次彎曲應(yīng)力，使得靠近軸線的根部焊趾易成為疲勞源。文獻(xiàn)［5］研究了立管全自動(dòng)GMAW 焊接接頭疲勞行為，發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂以蓋面焊縫焊趾起裂為主，在部分試樣焊趾處發(fā)現(xiàn)有微咬邊缺陷，且橫向焊接殘余應(yīng)力在焊趾和焊縫附近母材區(qū)域側(cè)為較大的拉應(yīng)力。如果再存在較大的接頭錯(cuò)邊量，在應(yīng)力集中和拉應(yīng)力的影響下，接頭的疲勞性能會(huì)明顯降低。因此，對于立管的焊接工藝和最終服役安全要求來說，嚴(yán)格控制初始錯(cuò)邊量十分重要。

2 深水立管的尺寸控制要求

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）與中海石油（中國）有限公司海南分公司（簡稱中海油海南分公司）針對我國深水油氣田“深海一號”（陵水17-2）開展了SCR 立管的試制，目標(biāo)是在滿足高性能和高尺寸精度的前提下，從性能和尺寸的角度保證焊接接頭的疲勞性能。管端的尺寸精度目標(biāo)為：內(nèi)鏜加工后壁厚精度在±1.0 mm，內(nèi)徑精度在±0.25 mm。內(nèi)徑精度的公差范圍即代表錯(cuò)邊量應(yīng)控制在0.50 mm 以內(nèi)。針對中海油海南分公司所需的Φ273.1 mm×25.4 mm 和Φ323.9 mm×27.0 mm 規(guī)格立管，設(shè)計(jì)了主要生產(chǎn)工藝流程：管坯加熱→穿孔→連軋→定徑→調(diào)質(zhì)熱處理→超聲波和漏磁探傷→管端磁粉探傷→管端加工（內(nèi)鏜孔）→管端加工面磁粉探傷。

立管的軋管尺寸精度控制要求（表1）是鏜孔前的尺寸要求。鏜孔后的尺寸要求：①管與管之間的錯(cuò)邊量≤0.5 mm；鏜孔后的壁厚應(yīng)控制在目標(biāo)壁厚±1.0 mm，目標(biāo)壁厚不應(yīng)小于名義壁厚；內(nèi)徑波動(dòng)控制在±0.25 mm，不大于名義內(nèi)徑；鏜孔長度在152.4 mm，收尾處半徑≥1.6 mm，過渡段錐度≤1 ∶8；②外表面和內(nèi)表面需保證同心，減少壁厚偏心率；③滿足錯(cuò)邊量要求的前提下，內(nèi)表面不需要進(jìn)行100%面積鏜孔；④可以選擇磁粉檢測作為鏜孔后管端的無損檢測手段。

表1 立管的軋管尺寸精度控制要求 mm

3 軋管尺寸精度影響因素

為保證內(nèi)鏜孔后的尺寸精度滿足要求，需要對軋管的尺寸精度進(jìn)行控制。因此有必要對影響軋管尺寸精度的工藝、裝備和工具因素進(jìn)行分析，通過分析其影響規(guī)律制定相應(yīng)的工藝措施，從而試制出尺寸精度滿足要求的立管樣管。

3.1 軋管機(jī)組類型

對比PQF 連軋管機(jī)組、MPM 連軋管機(jī)組、Assel 軋管機(jī)組生產(chǎn)的、相同材質(zhì)的無縫鋼管的尺寸，發(fā)現(xiàn)鋼管的壁厚精度均滿足API 標(biāo)準(zhǔn)要求，但PQF 連軋管機(jī)組生產(chǎn)的產(chǎn)品的壁厚精度最高，離散度最小，且接近正態(tài)分布[6-7]。因此，對于尺寸精度要求較高的立管在規(guī)格可制造的范圍，考慮采用PQF 連軋管機(jī)組生產(chǎn)。

3.2 設(shè)備中心線精度

無縫鋼管產(chǎn)品壁厚質(zhì)量與熱軋生產(chǎn)線各工序中心線精度關(guān)系密切，尤其是穿孔和連軋工序。

3.2.1 穿孔工序中心線

穿孔機(jī)組與軋制中心線相關(guān)的設(shè)備主要有管坯受料槽、穿孔輥、導(dǎo)衛(wèi)裝置定位面、三輥定心和頂桿小車。在生產(chǎn)過程中，由于連軋管機(jī)對壁厚的糾偏效果有限，尤其是穿孔工序產(chǎn)生的螺旋形壁厚不均在下游工序中無法消除，要想保證成品管的壁厚精度，必須在穿孔工序保證毛管的壁厚精度，避免將壁厚偏差遺留到下游工序和成品管。在穿孔工序中，穿孔輥、導(dǎo)衛(wèi)裝置和頂頭構(gòu)成孔型，設(shè)備中心線與孔型中心線不一致，勢必會(huì)影響管坯穿孔時(shí)咬入、軋制和拋鋼階段的穩(wěn)定性，從而影響毛管壁厚均勻性。保證穿孔機(jī)組軋制中心線精度是保證毛管壁厚精度的必要條件之一。

3.2.2 連軋工序中心線

連軋工序與軋制中心線相關(guān)的設(shè)備主要有限動(dòng)齒條床身、支撐輥道、主軋機(jī)、芯棒支撐機(jī)架、巷道輥和脫管機(jī)。連軋軋制中心線由主軋機(jī)中心線確定后，支撐輥高度、芯棒支撐機(jī)架位置、連軋和脫管間巷道輥位置、脫管機(jī)中心線以及脫管后的輥道高度也隨之確定。隨著軋管機(jī)的沉降、設(shè)備的不斷使用以及生產(chǎn)事故對軋機(jī)牌坊的影響，軋機(jī)機(jī)架定位面會(huì)逐漸產(chǎn)生不同程度磨損，從而導(dǎo)致軋制中心線偏差逐漸增大，長此以往必然會(huì)導(dǎo)致荒管壁厚精度下降，形成較大壁厚偏差。

3.2.3 定徑工序中心線

定徑工序與軋制中心線相關(guān)的設(shè)備主要是機(jī)架滑板和定位面。由于定徑工序?yàn)樽詈蟮淖冃喂ば颍绻行木€偏差大，會(huì)影響荒管在機(jī)架內(nèi)變形過程中的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致荒管減徑時(shí)管壁增厚不一致、壁厚偏差增大。

設(shè)備年修時(shí)，對主軋機(jī)中心線進(jìn)行測量和調(diào)整，使中心線達(dá)到要求；平時(shí)利用檢修的時(shí)間對穿孔和定徑工序中心線進(jìn)行短周期測量和調(diào)整，對連軋伺服缸進(jìn)行調(diào)零；同時(shí)可利用換孔型時(shí)間對支撐輥道、芯棒支撐機(jī)架和（連軋管機(jī)和脫管機(jī)間的）巷道輥高度進(jìn)行匹配調(diào)整，以保證其他設(shè)備精度在要求范圍。

3.3 管坯幾何尺寸和加熱質(zhì)量

3.3.1 管坯幾何尺寸

需要控制管坯切斜度和彎曲度，保證定心孔對中性和咬鋼穩(wěn)定性，避免穿孔咬鋼過程中頂頭不對中造成的毛管頭部壁厚不均。

3.3.2 管坯斷面溫度均勻性

管坯斷面溫度均勻是保證成品管壁厚精度的關(guān)鍵因素。在毛管穿制過程中由于頂頭在孔型垂直截面方向具有較大自由度，在巨大的變形力作用下基本處于浮動(dòng)狀態(tài)，如果管坯斷面溫度偏差大，變形抗力差異顯著，必然會(huì)迫使頂頭偏離軋制中心線，從而出現(xiàn)螺旋形壁厚不均。管坯加熱不均和穿孔頂頭對中不良或頂桿彎曲是導(dǎo)致毛管發(fā)生偏心的主要原因，通過在線壁厚檢測裝置分析鋼管壁厚不均沿縱向或橫向的分布規(guī)律可以進(jìn)行原因分析、消除影響。影響管坯加熱不均的主要因素包括加熱溫度、加熱速度、加熱時(shí)間、環(huán)形爐爐底情況和爐壓。通過選擇有利于鋼種高溫最佳塑性和最小變形抗力的溫度作為加熱溫度，同時(shí)采用慢速或階梯式加熱制度減小管坯內(nèi)外表面溫差，保證足夠的加熱時(shí)間，及時(shí)清除爐底上氧化皮，以及采取足夠的爐壓避免外部冷空氣大量吸入等措施，避免毛管表面溫度不均，從而改善鋼管壁厚精度[8]。

3.4 連軋孔型設(shè)計(jì)

出于降低成本和減少更換次數(shù)的考慮，連軋管機(jī)以一個(gè)或多個(gè)孔型，通過調(diào)整輥縫并配合不同直徑的芯棒來生產(chǎn)所有壁厚規(guī)格的鋼管。在大規(guī)格和小規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)中，輥面脫離了原始位置，導(dǎo)致孔型斷面上出現(xiàn)壁厚極厚和極薄點(diǎn)，極厚與極薄點(diǎn)與孔型設(shè)計(jì)參數(shù)、寬展量有較大關(guān)系。這就要求管棒接觸區(qū)和非接觸區(qū)有一個(gè)合適的比例。通過數(shù)值模擬輔助孔型設(shè)計(jì)具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、周期短、便于量化的特點(diǎn)[9]。制定孔型參數(shù)優(yōu)化方案，根據(jù)實(shí)際工況建立有限元模型，通過模擬分析荒管壁厚變化趨勢，選擇壁厚極差小的孔型參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。有限元軟件模擬的連軋第1 機(jī)架孔型如圖1 所示，為某廠294 mm 孔型；荒管壁厚情況如圖2 所示（考慮對稱性，只取實(shí)物的1/6 進(jìn)行模擬；橫坐標(biāo)角度指以孔型中心為原點(diǎn)，孔型對稱線為一條邊，荒管半徑方向?yàn)榱硪粭l邊所形成的角度，從槽底到輥縫為0～60°；Ⅰ～Ⅳ為不同有限元模擬孔型參數(shù)優(yōu)化方案代號）。比較不同方案的壁厚極差結(jié)果，完成孔型設(shè)計(jì)優(yōu)選并投入生產(chǎn)使用。

圖1 有限元軟件模擬的連軋第1 機(jī)架孔型

圖2 294 mm 孔型的荒管壁厚情況

3.5 工器具的裝配和使用

穿孔工序的工器具主要有穿孔輥、導(dǎo)板、頂頭和頂桿，連軋工序的工器具主要有連軋輥、脫管輥和芯棒。作為各工序孔型的組成結(jié)構(gòu)，其裝配精度和表面幾何尺寸與管料的壁厚精度息息相關(guān)。

3.5.1 工器具裝配精度

穿孔工序外表面變形工具有穿孔輥和導(dǎo)板。穿孔輥通過裝配到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)與牌坊進(jìn)行定位，導(dǎo)板通過裝配到導(dǎo)板小車的適配器進(jìn)行定位。穿孔輥和導(dǎo)板裝配后形成的孔型軋制中心線依靠與其裝配到一起的設(shè)備的中心線確定，穿孔輥和導(dǎo)板作為管坯穿制過程中的外表面變形工具，如果在裝配過程中出現(xiàn)偏差，勢必會(huì)導(dǎo)致孔型中心線與設(shè)備中心線的偏離，易造成穿制不穩(wěn)定，影響毛管壁厚精度。

實(shí)際生產(chǎn)中，連軋工序偏心軸調(diào)整影響較大。PQF 連軋管機(jī)機(jī)架為擺臂結(jié)構(gòu)，若軋輥裝配精度不高，就很難軋制出尺寸合格的荒管。連軋輥車削后需要調(diào)整偏心軸的檔位，由于三輥本身的工藝特點(diǎn)，對機(jī)架的裝配精度要求極高，若偏心軸調(diào)整不當(dāng)，勢必會(huì)造成連軋孔型錯(cuò)位，從而嚴(yán)重影響荒管的縱向壁厚均勻性。嚴(yán)重的孔型錯(cuò)位會(huì)造成荒管壁厚偏差較大，且很難通過工藝參數(shù)調(diào)整過來，需要通過更換對應(yīng)的連軋機(jī)架來保證荒管壁厚精度。

3.5.2 工器具幾何尺寸

（1） 作為管坯穿制的外表面工具，導(dǎo)板在穿孔孔型中起著控制毛管橫向變形的作用，導(dǎo)板磨損量較大時(shí)，難以起到應(yīng)有的導(dǎo)衛(wèi)作用，易導(dǎo)致毛管穿制過程不穩(wěn)定，造成壁厚偏差大。

（2） 作為內(nèi)表面變形工具，頂頭和芯棒的幾何尺寸偏差會(huì)直接影響管料的壁厚精度，如頂頭穿孔錐或芯棒外徑磨損過大會(huì)造成壁厚偏厚，頂頭橢圓度過大也會(huì)直接影響毛管的壁厚精度。

（3） 作為頂頭的支撐工具，頂桿彎曲度超標(biāo)會(huì)造成毛管壁厚螺旋不均，這是因?yàn)閺澢捻敆U會(huì)周期性地破壞穿孔孔型內(nèi)力的平衡狀態(tài)，造成毛管穿制過程不穩(wěn)定，從而影響毛管壁厚不均。可以通過自動(dòng)化的技術(shù)手段來測量頂桿的偏心運(yùn)動(dòng)，從而確定干預(yù)措施，避免因頂桿偏心導(dǎo)致毛管壁厚不均。另外，采用抗彎強(qiáng)度好的頂桿也能更好地保證毛管直度，從而改善穿孔后的壁厚不均問題[10]。

3.5.3 工器具的使用

限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組的芯棒使用對產(chǎn)品壁厚精度有較大影響，主要涉及芯棒自身的溫度均勻性和表面石墨潤滑的質(zhì)量和均勻性，這些都會(huì)影響芯棒-毛管之間傳熱的均勻性和毛管金屬變形阻力的均勻性，從而影響變形的均勻性。芯棒循環(huán)使用過程中一般要求噴涂石墨前溫度控制在（100±20）℃（根據(jù)石墨潤滑劑的組成調(diào)整），溫度過高會(huì)引起石墨的翹皮，溫度過低石墨來不及干燥固化，兩者都降低了石墨在芯棒外表的結(jié)合力，從而起不到有效的潤滑作用或?qū)е滦景舨煌恢脻櫥痪?/p>

3.6 軋制工藝

3.6.1 穿孔工序工藝調(diào)整

（1） 通過管頭定心和降低穿孔輥咬入階段轉(zhuǎn)速保證管頭壁厚精度，滿足低速咬鋼和高速軋制，保證軋制階段的穩(wěn)定性，提高毛管壁厚質(zhì)量。

（2） 及時(shí)更換磨損的頂頭和導(dǎo)板，避免頂頭幾何尺寸不一致和孔型橢圓度過大造成壁厚波動(dòng)。

（3） 保證上下輥輥距一致，避免采用“上軋制”或“下軋制”工藝，保證穿孔時(shí)管坯受力均勻。

（4） 精心調(diào)整三輥定心打開延時(shí)，避免穿孔機(jī)拋鋼時(shí)三輥定心過早打開造成鋼管尾部壁厚不均。

（5） 冷卻水的影響。穿孔機(jī)后臺(tái)三輥定心冷卻水、輥道冷卻水、連軋高壓除鱗水、連軋輥冷卻水等均有可能造成鋼管局部溫度不均，引起變形抗力和塑性變形不均，從而反映到壁厚不均上來。

3.6.2 連軋工序工藝調(diào)整

（1） 調(diào)整支撐輥高度，避免芯棒預(yù)穿時(shí)接觸單側(cè)毛管，致使接觸面上溫降過快造成壁厚不均。

（2） 監(jiān)控在線測厚系統(tǒng)，通過輥縫調(diào)整保證荒管周向壁厚均勻性，通過頭尾削尖保證管端和管體壁厚縱向均勻性，滿足壁厚極差要求[11-12]。

（3） 巷道輥單輥高度的影響。連軋管機(jī)拋鋼時(shí)荒管抖動(dòng)，容易磕碰到巷道輥輥面，因此需要精心調(diào)整巷道輥高度。

（4） 提高限動(dòng)芯棒速度能夠明顯改善荒管在孔型中的變形條件，從而改善荒管的壁厚精度和橢圓度，但會(huì)導(dǎo)致芯棒軸向力增加[13]。

（5） 雖然通過輥縫調(diào)整可以有效增加同一規(guī)格芯棒的鋼管壁厚軋制范圍，降低芯棒規(guī)格的儲(chǔ)備量，但是調(diào)節(jié)連軋輥縫將產(chǎn)生鋼管壁厚的橫向不均，降低鋼管的壁厚精度，且輥縫的調(diào)整量越大，鋼管的壁厚不均越嚴(yán)重。因此應(yīng)根據(jù)客戶對產(chǎn)品壁厚的要求，合理選擇芯棒規(guī)格和輥縫調(diào)整方案[14]。

3.6.3 充分利用在線質(zhì)量控制系統(tǒng)

充分利用現(xiàn)場質(zhì)量控制系統(tǒng)，制定各工序的詳細(xì)控制方案，生產(chǎn)時(shí)密切監(jiān)控壁厚、直徑和長度數(shù)值變化，及時(shí)根據(jù)要求對相應(yīng)工序和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保障成品管幾何尺寸的精度[15]。通過在線測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行尺寸的規(guī)律性分析，還可以對導(dǎo)致鋼管精度不足的主要來源進(jìn)行分析，比如來自加熱爐或軋制的某個(gè)環(huán)節(jié)[10]。

4 樣管試制情況

寶鋼股份通過控制管坯成分均勻性、管坯加熱均勻性、工具使用壽命和尺寸精度、軋輥裝配精度、管端內(nèi)鏜加工精度等，成功小批量試制Φ273.1 mm×25.4 mm 和Φ323.9 mm×27.0 mm 規(guī)格立管樣管，管端尺寸精度如圖3～4 所示，最終管端尺寸精度可以滿足陵水17-2 項(xiàng)目關(guān)于內(nèi)鏜后壁厚精度±1.0 mm 和內(nèi)徑精度±0.25 mm 的公差控制要求。

圖3 Φ273.1 mm×25.4 mm 規(guī)格樣管管端尺寸精度

圖4 Φ323.9 mm×27.0 mm 規(guī)格樣管管端尺寸精度

5 結(jié) 語

（1） 深水鋼懸鏈線立管是對軋管尺寸精度要求較高的無縫管線管品種，其在深水環(huán)境下服役時(shí)受到各種嚴(yán)苛的載荷的作用，焊接接頭是易于失效的主要位置，焊接前鋼管的尺寸精度會(huì)影響焊接接頭的錯(cuò)邊量，進(jìn)而影響應(yīng)力集中和受力情況，因此需要嚴(yán)格控制鋼管的管端尺寸精度。

（2） 無縫管軋管尺寸精度的影響因素來源有軋管機(jī)組類型、設(shè)備精度、工具使用及裝配精度、孔型、管坯加熱質(zhì)量、軋制工藝、冷卻水使用、自動(dòng)化控制手段等。寶鋼股份通過控制管坯成分均勻性、管坯加熱均勻性、工具使用壽命和尺寸精度、軋線裝配精度、管端內(nèi)鏜加工精度，成功小批量試制了管端加工后的尺寸精度滿足用戶高要求的立管樣管，達(dá)到了技術(shù)目標(biāo)。