水下碳钢和低合金钢锻件制造工艺认证解析

王伟越

摘 要：水下生产系统是海洋石油工程项目的核心部分，各部件产品质量直接影响着项目的安全运行，一旦出现问题将直接导致项目停产，因此质量过程控制非常重要。该类项目中，锻件的应用比较广泛且位置重要，如各类阀门、连接器、采油树等，都是由锻件制造完成的。锻件的质量很大程度上依赖于制造工艺，经过认证、确认能符合标准要求的制造工艺是保障产品质量的基础。文章主要从碳钢和低合金钢锻件制造工艺的认证方面入手，介绍标准要求并结合南海某深水项目水下生产系统的锻件制造实践，为认证工作提供更明确清晰的指导。

关键词：水下生产系统;锻件;制造工艺;认证

中图分类号：TS913.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-005-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.003

在2015年以前，没有专门的标准对水下项目的碳钢和低合金钢锻件的生产和质量进行规定和要求，制造工艺由项目的供需双方根据陆上油气行业标准规范协商同意即可，质量要求如机械性能、无损检测等，基本参照材料规范。2015年出版的DNVGL-RP-0034，是专门针对水下产品钢锻件的标准，该标准对碳钢和低合金钢锻件的制造工艺认证过程、产品制造过程以及测试要求，有了比较明确的规定[1]，具有较强的可操作性，因此在海洋石油行业得到了越来越高的重视。

1 标准简介

DNVGL-RP-0034将锻件材料分为三个等级：SFC1级、SFC2级、SFC3级，分别对应锻件产品逐渐提高的技术、质量和认证要求，三个等级的应用场合如下：

SFC1主要指次关键部件，如不持续暴露于流动的烃类物质的部件，或形状简单的部件;

SFC2主要指承压、承重的重要部件，因尺寸、结构的复杂性，需要额外的机械性能测试和检验;文章介绍的南海某深水项目水下生产系统的锻件，采用的是SFC2级，材质主要包括ASTM A694 F65、ASTM A182 F22、AISI 8630 105 ksi。

SFC3主要指对疲劳敏感的承压、承重的部件。

该标准主要对锻件制造过程中的一些技术要求及性能要求做出了规定，包括熔炼要求、锻造、热处理、化学成分、取样及机械性能测试、无损检测等，明确提出制造过程必须基于MPS（制造工艺规程）以及对应的MPQ（制造工艺认证）。

2 制造工艺认证

工艺认证主要针对SFC2级和SFC3级材料进行，通过对根据MPS制造的样品进行测试，来证明制造结果符合相关要求。为了确保制造工艺的可靠性，尽量减少生产过程中不合格品的出现，要求制造工艺通过认证后，方可开展生产。对于成功几率较大、工期相对紧张的产品，通常工厂也会把认证和产品生产同炉进行。这样的认证和产品生产环境一样，更为真实，但是工厂要承担可能失败的损失风险。锻件制造过程主要包括钢锭生产、锻造、热处理、性能测试、NDT、机加工及尺寸检查，在工艺认证阶段，需要根据这些主要过程的要求编制制造工艺（MPS），经各方批准后，依据此MPS的要求进行工艺认证。对于工艺认证的过程，需要项目各方重点关注的主要有以下内容。

2.1 工艺覆盖

制造过程中，包括关键变量，如钢材等级、锻件规格、锻造方法、热处理工艺等，这些变量可以在一定范围内变化，否则工艺就需要重新进行认证。标准中对工艺认证的覆盖要求，参考DNVGL-RP-0034中的表4-4。

在项目执行过程中，通常锻件制造认证过程中所用的钢材等级、熔炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，一般保持跟产品一致。对于化学成分，只要控制碳当量（CE）在允许范围内即可;对于产品尺寸，包括壁厚、重量等，一般要求產品外形一样，大壁厚的产品制造工艺可以覆盖小壁厚的产品，单个产品的重量变化在允许范围内即可覆盖。以南海某深水项目水下生产系统的锻件制造为例，该项目有规格为22寸的HUB，分为IB和OB两种类型，其中OB的认证已经完成，工厂提出可以使用OB的工艺覆盖IB。通过分析比对，发现两者都是F65材料，两种产品的碳当量、热处理工艺、锻造工艺等都相同，外形也一样，只有尺寸和重量不同，如表1、图1、图2所示。OB的壁厚和单件产品的重量都大于IB，所以OB的工艺可以用于IB。

2.2 化学成分

化学成分主要在钢锭生产阶段进行控制，除材料标准外，化学成分还必须满足DNVGL-RP-0034的对应要求。需要注意的主要包括两点：

对于碳、锰、硅、铬、镍、钒以及钼的成分限制，必须在制造工艺规程中明确规定。

对于碳当量的限制，主要适用于需要焊接但不需要焊后热处理的碳钢锻件，尤其是F60和F65。当碳当量大于0.45时，后续的焊接工作包括堆焊和对接焊结束后，必须经过热处理，这是强制要求。项目执行过程中，需要根据项目焊接工艺的情况合理制定锻件碳当量的要求，既要保证与焊接工艺匹配，也要考虑后续焊后热处理的可行性。

在水下生产系统的项目实践中，由于锻件产品后续还要进行耐腐蚀合金复合层堆焊及对接焊的工作，热处理的可操作性不高且需要较多的施工时间，所以所有锻件的碳当量都控制在0.45以内，以避免后续的热处理操作。

2.3 热处理要求

热处理是锻件制造的一个关键环节，DNVGL-RP-0034标准要求主要包括：

热处理设备需要依据ISO 10423或者API 6A的附录M进行鉴定;

SFC3级锻件不允许堆叠放置;

对于SFC1级和SFC2级的环形和棒类锻件，在满足以下条件的基础上，可以堆叠放置：每层之间要有足够间隙;热传输时要有足够的搅动;MPS要明确规定，并且在工艺认证阶段成功应用。

工件从热处理炉到淬火池的转移时间不超过90s;

要使用接触式热电偶进行温度监控;

工件从淬火池出来后要测量表面温度。

标准要求比较宽泛，在项目执行过程中，更多的关键要求需要在工艺认证阶段明确，主要包括以下几方面：

工艺认证要模拟产品生产时热处理的满载状态。要求严格按照认证用的MPS中的装炉图进行工件放置，如果只有一件工艺认证试件，而装炉图中有10件产品，则热处理炉中的其他位置，需要放置外形尺寸类似的其他工件进行模拟，且生产时实际放置的产品数不能超过10件，且产品总重量不能超过认证时的装载重量。

对于小尺寸的锻件，如果要堆叠放置，则必须在装炉图中明确堆叠层数、每一层工件数量、工件间的最小距离，堆叠放置装炉图如图3所示。

要求试样所在位置及热电偶的布置，必须位于热处理效果最差的区域[2]。因为电加热炉四周加热，外围的工件受热均匀性较好，中间的工件受热相对较差，因此能代表本炉产品的最差质量，所以试样一般放置于热处理炉中心位置。温度监控方面，至少要在热处理炉的炉门一侧角落及中心位置各放置一个热电偶，且热电偶要置于工件的壁厚最大位置，以此电偶全部到达设定温度时开始计算保温时间。如图4所示，绿色三角代表接触式热电偶，A侧为炉门。

2.4 拉伸和冲击试验

在拉伸和冲击试验方面，试验结果只要满足所用材料规范的要求和DNVGL-RP-0034标准的对应要求即可，须重点关注的是试样取样工作，因为取样位置直接关系到试样能否具有典型性和代表性。取样位置要求如表2所示。

表中的关键截面是指锻件在服役过程中应力最大的区域，一般是最薄的位置，由设计人员确定;最厚截面是指壁厚最大的位置，是机械性能最薄弱的区域，也是工艺认证的难点所在。

对于取样位置，标准的要求很明确，涵盖了热处理效果存在差异的主要区域。比如对于壁大于100mm的圆筒形锻件，厚度的中心位置热处理效果较差，如果内径不够大，距外表面3T/4的位置效果也会很差，所以这两个位置的取样很有必要。另外，取样位置（指拉伸试样长度的中心和冲击试样V型槽的根部）与试件端部距离也有明确要求：

对于空心锻件，距离端部表面距离为T;

对于实心锻件，距离端部表面距离为T/2。

在项目实践中，取样的准确性是工艺认证中的重要一环，首先要求设计人员提供明确关键截面位置的产品图纸，由生产厂家依据标准要求制定详细、明确的取样图，取样图需经项目各方批准，后续的取样过程需由獨立第三方机构代表全程见证、敲打样品编号钢印。

3 结语

水下生产系统所处的工况环境恶劣，尤其是深水项目中，一旦失效后果严重，维修成本高昂。而锻件产品主要应用于关键位置，如阀门、连接器等，因此保证其性能的可靠性至关重要[3]。

通过严格控制制造工艺来保证锻件产品的性能，是比较有效的手段，而工艺的认证过程则为工艺的可靠性以及稳定性提供了支撑。

文章通过标准中对工艺认证的关键要求的介绍，并结合水下生产系统项目在锻件制造过程中的实践应用，从工艺的覆盖范围、热处理、化学成分、取样及性能测试等关键过程进行解析，明确了工艺认证过程中的关注重点，为后续各类碳钢和低合金钢锻件的工艺认证提供了有效参考。

参考文献

[1] DNVGL-RP-0034，Steel forgings for subsea applications[S].NORSOK：DNV GL，2017.

[2] NORSOK M-650，Qualification of manufacturers of special materials[S].NORSOK：OLF，TBL，2004.

[3] 侯莉，黄晓华，孟宪武，等.水下锻件材料一般技术要求及特点[J].石油和化工设备，2014，17（5）：26.