钢悬链立管管端机加工工艺改进

尤学刚，王建华 ,黄兆力

1.中海石油（中国）有限公司 海南分公司（海南 海口 570100）

2.衡阳华菱钢管有限公司 技术中心（湖南 衡阳 421001）

0 引言

钢悬链立管（简称SCR）连接海洋平台和海底管线管，是各种立管中性价比较高的一种方案。此前，钢悬链立管的开发、加工和使用被国外垄断，我国一直未能突破该项技术。因钢悬链立管一端连接海洋浮式平台，另一端连接着海底管线管，受到海洋、浪涌等复杂应力影响，所以管端尺寸尤为重要。若管端尺寸精度差，焊接容易产生错边[1]，易产生疲劳裂纹，危害服役安全。因对管端尺寸精度要求高，常规的热轧和冷拔均难以实现如此高的精度，常规采用内镗外扒工艺[2]，但是钢悬链立管长度较长，内镗外扒工艺难以实现，并且效率低、金属消耗高。此外，海洋浮式平台承载重量有限[3]，对钢管悬链立管的重量有限制要求。综合平衡SCR 立管长度、尺寸和重量的限制要求，国内某公司开发的钢悬链立管（SCR）采用热轧+冷拔+管端机加工生产工艺，其基本工艺路线为热轧→冷拔→热处理→管端内孔机加工，阐述了钢悬链立管管端机加工过程遇到的问题以及优化改进措施。

1 管端尺寸技术要求

钢悬链立管涉及多个规格，以Φ323.90 mm×27.0 mm规格为例，其管端技术要求如图1所示。加工后要求：钢管长度为（12.2±0.1）m；管端内径（ID）为（268.8±0.25）mm；管端内孔过渡区锥度为1:8；管端内孔过渡圆弧半径（R）为最小半径1.6 mm；光洁度为表面光洁度RMS≤6.4 μm；加工后内孔圆柱平行段长度为（152.4+10.0）mm或（152.4+5.0）mm。

图1 Φ323.90 mm×27.0 mm管端纵截面机加工图

2 机加工过程中出现的问题

钢悬链立管（SCR）经过热处理、矫直、水压和探伤后，进入管端机加工工序。管端机加工时仅加工钢悬链立管的内孔，外表不加工。在加工过程部悬空，钢管旋转时容易甩动，导致卧式车床定心滚轮易磨损，内加工面有粗糙的车刀印和波浪形[6]，如图3和图4所示。不论是表面粗糙度还是尺寸精度，均无法满足钢悬链立管的要求。而且加工后钢管内径偏差较大，甚至超出技术规范要求。车刀印中，经常出现管端加工不完整、加工面波浪形及车刀印的问题。

图3 加工后表面波浪形

图4 车削后表面车刀印

2.1 管端加工不完整

钢悬链立管重量较重，长度（12.2±0.1）m，在机械加工行业，属于超长件加工[4]，对钢管本身的几何尺寸以及机加工工艺有严格要求。按照客户技术规范和API 5L 第46 版标准，钢管管端外径要求是±0.5%D（D为外径），最大外径偏差±1.6 mm，椭圆度小于1%，管端内径±0.25 mm。

由于钢管壁厚偏心，造成管端内孔加工不完整，无法满足加工区壁厚要求，如图2（a）所示。测量管端外径椭圆度为3.1 mm，局部加工不完整；管端机加工不完整，测量其尺寸，该管端壁厚偏差3.36 mm，管端壁厚偏心导致加工不完整或者黑皮，如图2（b）所示。

图2 Φ323.9 mm×27 mm管端加工不完整

2.2 加工面波浪形和车刀印

采用传统卧式车床加工[5]钢悬链立管，定心滚轮找正，定心找正慢，而且加工时，夹持加工端，中深约0.2～0.4 mm，车刀印在反复受力的情况下，易产生疲劳裂纹，严重的情况下易形成裂纹失稳扩展，贯穿钢管壁厚，发生断裂。长轴类产品加工时一端振动会导致此种现象[7]，因此，减轻钢管振动对改善管端机加工质量有重要意义。

3 工艺改进

3.1 来料尺寸精度控制

来料尺寸精度低，易造成管端加工不完整，影响产品质量。综合考虑后续加工对来料加工精度和原料生产工艺成本的限制，控制Φ323.9 mm×27 mm 规格尺寸精度，将管端壁厚控制在目标壁厚的±3%S（S为壁厚），目标外径±0.7 mm，管端弯曲度控制在2.5 mm/1.5 m，既保证后续精度，又解决管端加工不完整的问题。

3.2 设备和工艺改进

SCR 立管加工面出现波浪形，是由于钢管夹持时中部悬空，导致旋转时抖动。针对此原因，选择带有两个旋转中心架的重型卧式车床来加工。其优势是可以多处夹持，减少钢管旋转时甩动和振动，并且旋转中心架有4个精确定位，可独立调节螺杆，用于定正不同外径钢悬链立管中心。此调节定心对于车削SCR立管非常重要，钢悬链立管外表并非正圆（带一定椭圆度），通过调节不同的螺杆深度，找正钢管圆心，保证内孔加工后加工端壁厚均匀。

1）在加工Φ323.9 mm×27 mm SCR立管管端前，需要做好装夹准备。装夹加工示意图如图5 所示，采用端头卡爪、环形中心架分别夹持SCR立管的端头、中部和立管另一端约300～500 mm 处，装夹完毕后，调整旋转中心架的定位螺杆，定心找正，至此装夹准备完毕。

图5 装夹加工示意图

2）装夹定心找正后，开始钢悬链立管内孔加工。采用先粗加工，后精加工原则。粗车时，采用普通尖角硬质合金刀具加工[8-10]，以0.45～0.55 mm/r进给量进刀，车床转速控制在50～80 r/min；精车时，使用半径为5 mm 半圆形刀具以0.35～0.45 mm/r 进给量进刀，车床转速为30～50 r/min，用较慢的转速保证过渡圆弧以及加工面光洁度。

综上所述，加工出满足合同要求的钢悬链立管管端，主要采取了以下3项措施：①来料尺寸精度控制；②采用两个环形中心架夹持钢悬链立管，一个环形中心架夹持在管端300～500 mm 位置，夹持部位距离管端越短，加工质量愈佳；③在车削加工时，采用较慢的转速以及较小的进刀量。

4 加工效果

加工完成后对逐支钢管两端的内孔尺寸进行测量，每端同一截面等间距测量8个位置壁厚、等间距测量4 个位置，其余指标按照技术要求测量。抽取前后各5支合计10支钢管两端数据，见表1，其中字母“A”和“B”分别代表钢管不同端头。

表1 Φ323.9 mm×27 mm钢管管端加工数据

续表1

通过对来料尺寸精度控制，基本杜绝了钢悬链立管内孔加工不完整问题。针对传统卧式车床加工钢悬链立管管端出现的波浪形，通过在车床上增加两组环形中心架，多个部位夹持钢管，并减慢机加工转速和减小进刀量，减缓了钢管旋转带来的甩动和振动，有效解决了钢管波浪形和车刀印问题。车削后管端几何尺寸优良，满足技术协议和合同要求。

上述加工完成的钢悬链立管技术，成功应用于南海陵水17-2 油气田，在平均水深1 500 m 的深海稳定了采油采气。钢悬链立管的国产化，在相关领域实现了从零到一的突破，对于深海油气开采有重大意义。