钢悬链立管管端机加工工艺改进

2022-08-11尤学刚王建华黄兆力

石油管材与仪器 2022年4期

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.衡阳钢管有限公司湖南衡阳 421099)

0 引言

随着陆地油气资源的枯竭，开发海洋油气资源提上各国日程，特别是开发深海海底油气。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，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。因其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]，对钢管悬链立管的每米重量有限制要求。综合平衡SCR立管长度、尺寸和重量的限制要求，某公司开发的钢悬链立管SCR采用冷拔+管端机加工的工艺生产，其基本工艺路线为热轧→冷拔→热处理→管端内孔机加工，此工艺国内尚未见文公开报道。本文主要阐述钢悬链立管管端机加工工艺遇到的问题以及改进优化。

1 管端尺寸技术要求

图1 Φ323.90 mm×27.0 mm管端机加工图

2 机加工过程问题

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，仅加工钢悬链立管的内孔，外表不加工，因此，在机加工工序前，控制来料钢管的几何尺寸极为重要，其不仅影响加工后钢管管端平行段壁厚尺寸，也影响钢管的每米重量。此外机加工设备和工艺的选择，对机加工质量影响较大。

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。按照海底管线规范和API 5L 46th标准，钢管管端外径要求是±0.5%D，最大±1.6 mm，椭圆度小于1%。据此要求加工钢管内孔，部分加工后钢管壁厚偏心，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3.1 mm，局部加工不完整。图2(b)所示管端机加工不完整，测量尺寸，外径椭圆度≤1.5 mm，但是加工不完整区域壁厚薄，检验壁厚，该管端壁厚偏差3.36 mm，管端壁厚偏差过大导致加工不完整或者黑皮。

图2 Φ323.90 mm×27.0 mm管端加工

2.2 加工波浪纹和车刀印

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纹[6]，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，如图3和图4所示，而且加工后钢管内径偏差较大，甚至超出技术规范要求。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。

图3 加工后表面比例纹路

图4 车削后表面波浪纹

卧式车床加工钢悬链立管管端，存在的主要问题是管端加工面存在着波浪形纹路和车刀印。车刀印深约0.2～0.4 mm，车刀印在反复受力的情况下，易产生疲劳裂纹，在严重的情况下裂纹失稳扩展，贯穿钢管壁厚，发生断裂。除了影响服役安全，车刀印还影响内径精度。内径测量在车刀印的底部，内径偏大，测量在车刀印的顶部，内径偏小。

3 工艺改进

3.1 对来料进行规范

针对部分管端加工不完整现象，对来料钢管的尺寸进行限定，将Φ323.90 mm×27.0 mm规格外径偏差设定在目标外径±0.7 mm，管端弯曲度限定在2.5 mm/1.5 m，管端壁厚偏差限定在目标壁厚±3%S。通过上述限定，基本杜绝了因来料钢管几何尺寸原因导致加工不完整的情况，提高了生产效率。

3.2 设备和工艺改进

SCR立管加工面出现波浪形，如前所述为钢管夹持时，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。

在加工Φ323.90 mm×27.0 mm长SCR立管管端前，需要做好装夹准备，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。装夹加工示意图如图5所示。

图5 装夹加工示意图

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]，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R5 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。

高效率的加工出钢悬链立管的管端，主要采取了以下3项措施：

1)限定规范来料钢管的尺寸；

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

加工完成后对钢管逐支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，每端同一截面等间距测量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和表2。

表1 Φ323.90 mm×27.0 mm一端机加工数据

续表

表2 Φ323.9 mm×27.0 mm另一端机加工数据

采用本文第3部分的3项措施，有效地解决了钢悬链立管管端加工的车刀印和波浪纹问题。首先是限定规范来料钢管的尺寸和弯曲度，通过限定来料钢管的尺寸和弯曲度，解决了部分钢管内径大、壁厚薄，导致的加工不完整或者黑皮现象，或者是加工后，加工区壁厚薄，不能满足合同要求；其次是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，通过多处夹持，减缓了钢管旋转带来的甩动和振动；最后，减慢加工转速，可以进一步减缓钢管旋转带来的甩动和振动，减小进刀量，有效提高加工面光洁度。