許可望 孫有輝 劉永貞 王偉 劉巖磊

摘要：深水鋼懸鏈立管（Steel Catenary Riser，SCR）是浮式平臺的主要部件，在服役條件下由于受到海洋特殊的海浪、潮汐、臺風等各種環(huán)境因素的影響，極其容易發(fā)生疲勞破壞。為解決鋼懸鏈立管在深水服役環(huán)境中受循環(huán)載荷的作用容易產生疲勞失效的問題，采用冷金屬過渡（Cold Metal Transition，CMT）打底、脈沖模式填充蓋面的熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW），開發(fā)了鋼懸鏈立管 S 型鋪設全自動焊工藝并進行了焊縫性能試驗研究。結果表明，橫向拉伸、全焊縫拉伸、側彎、缺口斷裂、沖擊、宏觀硬度及全尺寸疲勞等試驗結果均滿足SCR焊接規(guī)格書要求; SCR環(huán)焊縫通過全尺寸疲勞試驗測試，所有焊縫疲勞性能滿足 BS7608（1993）的外徑 D 曲線和內徑 E 曲線的95%置信水平要求;由于 CMT 冷金屬過渡封底為無襯墊單面焊雙面成型技術，具有焊接熱輸入量小、無飛濺等優(yōu)點，可確保焊縫根部成形與母材圓滑過渡，減小SCR焊縫應力集中，從而提高其抗疲勞性能。關鍵詞：鋼懸鏈立管;熔化極氣體保護焊;冷金屬過渡;焊縫性能

中圖分類號： TG457.2???? 文獻標識碼： B文章編號：1001-2303（2022）02-0097-06

Welding Process Development and Mechanical Tests for Deepwater Steel Catenary Riser

XU Kewang， SUN Youhui， LIU Yongzhen， WANG Wei， LIU Yanlei

China Offshore Oil Engineering Co. ， Ltd， Tianjin 300452

Abstract： Steel catenary riser （SCR） is the main component of floating platform. It is extremely prone to fatigue damage un‐ der service conditions due to the influence of various environmental factors such as ocean waves， tides and typhoons. In or‐ der to solve the problem about fatigue failure of steel catenary riser（SCR）affected by cyclic load in deep water environment， full-automatic GMAW welding process and mechanical tests were developed by using cold metal transition（CMT）for root pass and pulse mode for fill and cap pass for SCR S-lay. The test results of mechanical properties meet the requirements of SCR welding specification. The fatigue properties of all test welds meet or exceed the 95% level of confidence based on BS7608（1993） D mean curve as OD and E mean curve as ID.Because cold metal transition for root pass without backing is the technology of single side welding and double side forming， it has the advantages of smaller welding heat input and no spatter， ensuring the smooth transition between weld root forming and base metal， so as to reduce stress concentration and improve the fatigue resistance of SCR welds.

Keywords： steel catenary riser （SCR）; GMAW; cold metal transition （CMT）; weld properties

本文引用格式：許可望，孫有輝，劉永貞，等.深水鋼懸鏈立管焊接工藝及焊縫性能試驗研究[J].電焊機，2022，52（02）：97-102.?????? Citation：XuKewang， Sun Youhui， Liu Yongzhen， et al. Welding Process Development and Mechanical Tests for Deepwater Steel Catenary Riser[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（02）：97-102.

0 前言

隨著陸地和近海油氣資源的日益枯竭，鋼懸鏈立管（Steel Catenary Riser，SCR）以其獨特的優(yōu)勢在深水和超深水油氣資源開發(fā)方面獲得了各國的青睞，代表著國際深海平臺立管技術的發(fā)展方向，具有以下優(yōu)勢：與柔性立管相比，其成本低;與頂張力立管相比，其對浮體運動有較大適應性;能適用于高溫高壓工作環(huán)境。因此，SCR取代柔性立管和頂張力立管而成為深水開發(fā)的首選立管[1-3]。立管長期受波浪、海流、船體移動等外在荷載作用，深水平臺會產生較大的運動，SCR立管系統(tǒng)在服役期間承受巨大的極限載荷，且與平臺運動、水下渦激震蕩產生的交變荷載導致管線易產生嚴重的斷裂風險和疲勞失效問題。鋼懸鏈立管是通過許多段具有規(guī)范尺寸的鋼管按照一定的焊接方式制造而成的，高質量焊接技術及其接頭疲勞試驗評價是 SCR立管海上安裝中最關鍵的技術之一。

王震等人[12]通過 TIG 焊工藝開發(fā)研究了 SCR環(huán)縫小尺寸試樣疲勞性能及錯邊對疲勞性能影響;許可望等人[1]通過 GMAW 焊接工藝開發(fā)了研究 SCR 環(huán)縫小尺寸試樣的疲勞試驗。上述工作均為基于SCR焊縫小尺寸試樣的疲勞性能研究，鑒于小尺寸試樣由環(huán)縫機加工取樣后焊接殘余應力釋放，以及斷面機加工精度等因素會影響疲勞結果，適用于實驗室研究，缺少全尺寸疲勞試驗研究。

本文依托南海深水1 500 m工程項目首條鋼懸鏈立管，采用冷金屬過渡（Cold Metal Transition， CMT）封底、脈沖模式填充蓋面的熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）全自動焊工藝，對X65材質的鋼管進行了鋼懸鏈立管S型鋪設全自動焊工藝開發(fā)和焊縫性能試驗驗證，重點研究SCR全尺寸環(huán)縫疲勞試驗，以驗證深水立管環(huán)焊縫的服役安全及疲勞壽命。

1? 焊接工藝開發(fā)

1.1 焊接設備及工藝選型

鋼懸鏈立管焊接設備采用 SERIMAX 公司的 Saturnax09全自動設備，型號為 m-GMAW-CMT/P，電源為Fronius TPS4000。焊接工藝方法采用GMAW熔化極氣體保護焊，封底采用 CMT 冷金屬過渡模式，填充和蓋面采用脈沖模式的GMAW全自動焊。1.2 SCR管材規(guī)格

SCR 管材選用意大利 Tenaris，標準規(guī)格 API? X65 QO PSL2 SMLS，外徑168.28 mm（約6.625 inch），壁厚18.29 mm，其化學成分和力學性能如表1、表2 所示。

1.3 焊接材料

焊接材料等級為AWS A5.18 ER70S-6，牌號為 SUPRAMIG（Lincoln），直徑1.0 mm，超低氫焊材要求小于4 mL/100 g，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20～30 L/min。選型原則為：一是滿足焊接規(guī)格書和標準要求，適用“高強度匹配原則”;二是滿足高斷裂韌性和抗疲勞性能要求。

1.4 焊接工藝參數(shù)

1.4.1? 坡口形式設計

焊接坡口采用窄間隙J型設計，如圖1所示，坡口單邊角度 B為3.5°±1°，R角半徑為（3.2±0.8）mm，平臺長度L為（0.5±0.3）mm，鈍邊T為（1.6±0.3）mm，單邊開口寬度W為3.3～3.6 mm。

1.4.2 焊接工藝參數(shù)

經過大量試驗確定的焊接工藝參數(shù)如表3所示，其主要特點為：

（1）根焊和熱焊的預熱溫度為200℃，是降低接頭硬度的有效措施，熱焊后最小預熱溫度為100℃，但層間溫度應嚴格控制不超過275℃。采用燃氣火焰加熱或者電磁感應加熱，溫度測量方法為數(shù)字接觸測溫計，預熱溫度測量范圍含坡口兩側75 mm，最少測量4個位置，平均間隔90°。

（2）單炬單絲焊接，封底焊接采用 CMT冷金屬過渡焊接，無飛濺、成形好。熱焊、填充和蓋面采用脈沖模式GMAW焊接工藝。

（3）采用內對中器無銅襯墊，熱焊后移除。熱焊道時間間隔為43 min，溫度降至環(huán)境溫度后熱焊需重新預熱。

（4）焊接位置為5G，焊接方向根焊時為整圈，熱焊填充蓋面為兩側下向焊。

（5）焊接保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量25±5 L/min。

（6）水冷從280℃降至48℃用時2分48秒。

1.5 焊縫無損檢驗

焊前準備中采用坡口磁粉 MT檢測;焊接完成48 h后，對焊接件進行外觀檢測VT、全自動超聲檢測AUT、手工超聲檢驗 MUT、打磨后外觀及表面粗糙度檢測，檢驗結果合格，滿足 SCR焊接規(guī)格書要求，缺陷接受標準如表4所示。

2 SCR焊縫性能測試

鋼懸鏈線立管主要應用于深水和超深水海域，復雜的水下環(huán)境和不利因素對焊接接頭的力學性能有著嚴格的要求。焊接工藝評定中，SCR焊縫性能試驗包含橫向拉伸、全焊縫拉伸、側彎、缺口斷裂、沖擊、宏觀硬度、全尺寸疲勞等，應滿足 SCR焊接規(guī)格書要求。試驗采用機加工方法從環(huán)縫接頭上制取全焊縫拉伸、彎曲、沖擊、宏觀硬度、斷裂韌性和疲勞試樣。取樣位置示意如圖2所示。

2.1 拉伸試驗

橫向拉伸試驗執(zhí)行標準為 API1104第 5.6.2章節(jié)，全焊縫拉伸試樣執(zhí)行ASTM A370和ASME IX第 QW462.1（d）章節(jié)。拉伸試驗結果如表5、表6所示，試樣斷裂位置均發(fā)生在母材，其抗拉強度和屈服強度均高于母材最小名義強度，表明拉伸性能滿足SCR焊接規(guī)格書要求。

2.2 側彎和缺口斷裂試驗

側彎試驗執(zhí)行API 1104第5.6.5章節(jié)，壓頭直徑90 mm，彎曲角度180°，試驗結果如表7所示，彎曲后試樣表面無裂紋缺陷，試驗合格。缺口斷裂試驗執(zhí)行API 1104第5.6.3章節(jié)。試驗結果如表8所示，試樣斷口無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，結果合格。

2.3 沖擊試驗

沖擊試驗執(zhí)行API 1104 A.3.4.2和AWS D1.1，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，取樣位于管道12點、3點、6點的焊縫中心、熔合線、熔合線+1 mm（母材一側）、熔合線+5 mm（母材一側），缺口軸線與焊縫表面垂直，每個位置取3件平行試樣為1組，試驗溫度為-20℃。試驗結果如圖3所示，沖擊功最小單值為126 J，最小平均值為147 J，滿足SCR規(guī)格書要求（最小單值≥54 J，最小平均值≥73 J）。通過數(shù)據分析，焊縫中心根焊區(qū)域的12點和6點位置的沖擊韌性較低，其原因在于5G 焊接位置管道水平固定環(huán)向焊接時12點和6點為起弧息弧接頭位置，導致焊縫性能降低。

2.4 宏觀硬度試驗

宏觀硬度取樣位于管道12點、6點、9點位置，600#拋光侵蝕，放大5～10倍如圖4所示，觀察無裂紋，無未熔合、無未熔透、無咬邊、錯邊和內凹小于0.5 mm。硬度試驗執(zhí)行ASTM E92，載荷10 kg，加載時間10 s，6條測試線，測試點間距1.5 mm，試驗結果如表9所示，硬度最大值為247 HV10，滿足 SCR規(guī)格書要求（小于250 HV10）。

2.5 全尺寸疲勞試驗

全尺寸疲勞試驗為立管試驗驗證中的重要一環(huán)，對分析立管動態(tài)響應性能、疲勞性能、疲勞壽命預測有重要作用，應滿足標準 BS7608（1993）的外徑D 曲線和內徑 E 曲線的95%置信水平校正要求。 SCR焊縫在172.4 MPa、103.4 MPa、68.9 MPa三個應力水平下測試，每個應力水平測試2個試件（包含4 個環(huán)焊縫），共計6個全尺寸疲勞試件（包含12個環(huán)焊縫）。疲勞測試開始之前，向全尺寸疲勞試件內部施加水壓87.3 MPa，達到平均應力137.9 MPa。疲勞測試時采用高頻共振彎曲疲勞設備，頻率約為30 Hz，通過轉動全尺寸試件圍繞其重心旋轉產生共振彎曲，所形成的彎曲應力作用于環(huán)焊縫環(huán)向每一點。試驗結果如表10所示，所有全尺寸疲勞試驗完成的疲勞次數(shù)均達到相應目標曲線要求。疲勞數(shù)據擬合 S-N曲線如圖5所示，所有焊縫疲勞性能均滿足 BS7608（1993）的外徑 D 曲線和內徑 E 曲線的95%置信水平要求。

3 結論

（1）采用 CMT打底、脈沖模式填充蓋面的熔化極氣體保護焊GMAW全自動焊，所開發(fā)的鋼懸鏈立管S-lay鋪設的全自動焊工藝及焊縫性能試驗研究，包括橫向拉伸、全焊縫拉伸、側彎、缺口斷裂、沖擊、宏觀硬度及全尺寸疲勞試驗等，試驗結果均滿足 SCR焊接規(guī)格書要求。

（2）SCR 環(huán)焊縫通過全尺寸疲勞試驗測試，在172.4 MPa、103.4 MPa、68.9 MPa 三個應力水平，內部施加水壓達到平均應力137.9 MPa條件下，共計12道環(huán)焊縫。試驗結果經過 S-N曲線擬合分析，所有 SCR 環(huán)焊縫外徑疲勞性能滿足 BS7608（1993）D 平均曲線的95%置信水平要求;所有SCR環(huán)焊縫內徑疲勞性能滿足 BS7608（1993）E 平均曲線的95%置信水平要求。

（3）由于CMT冷金屬過渡封底為無襯墊單面焊雙面成型技術，具有焊接熱輸入量小、無飛濺等優(yōu)點，可確保焊縫根部成形與母材圓滑過渡，減小應力集中，從而提高其抗疲勞性能。

（4）本研究領域SCR焊接設備國產化及配套焊接工藝為尚待解決的卡脖子問題，基于SCR國產管材和焊材，研發(fā)SCR焊接設備國產化及焊接工藝開發(fā)，逐步打破國外技術壟斷。

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