深水油气田冶金复合弯管热弯工艺及质量控制

蔡长松，张永生，张建康，张胜坤，王英豪，张永辉

（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳）

（ 2.郑州万达重工股份有限公司，河南 郑州）

1 引言

深水油气资源开发深度愈来愈深，高压油气介质对油气运输管道的强度要求越来越严格；油气成分中CO2、H2S、Cl-等腐蚀介质的腐蚀影响，以及受油气温度较高的影响，对油气运输管道的耐腐蚀性要求也越来越高。由于腐蚀介质之间强烈的交互作用，混合气田具有较强的腐蚀性，高温高压流动状态的气-水等多相介质对油套管、集输管线造成严重全面腐蚀和局部腐蚀。[1]因此，在冶金复合弯管的制造与试验过程中，不仅要控制基管的壁厚满足设计公差要求，即复合弯管满足技术规定的最小强度要求，也要控制堆焊层的厚度满足设计公差要求，即复合弯管满足技术规定的耐腐蚀性以及油气管道的通径要求。

复合弯管在热弯过程中，因其外弧壁厚存在减薄现象，内弧壁厚存在增厚现象，且在高温高压油气在流速的动势作用下，复合弯管的外弧部位更易受到腐蚀。本文着重从复合弯管各生产过程的质量控制要点、外弧部位基管壁厚及堆焊层的厚度控制、最终尺寸检测控制等方面进行了介绍，确保生产的复合弯管满足技术规范和相关标准的要求，且方便后续水下生产系统和管道的装配焊接。

2 原材料控制

2.1 基管

冶金复合弯管的基管为无缝碳钢管，生产工艺主要包括炼钢熔铸成钢坯、热轧及空冷、热处理（淬火+回火）、理化试验、无损检测、水压试验、尺寸检验等。冶金复合弯管的基管后续需进行堆焊焊接，而影响后续工序的主要尺寸参数以及机械性能参数主要包括如下：

表1 冶金复合弯管基管主要参数

其中基管壁厚的公差要求为±10%，壁厚需满足技术要求，即满足强度要求。

因复合弯管在热弯过程中，外弧位置存在减薄的问题，需对用于复合弯管的基管壁厚进行控制。按照无缝钢管轧制工艺以及尺寸精度控制的要求，对用于复合弯管的基管，主要从两方面进行尺寸精度控制，一为无缝钢管的壁厚，考虑弯管过程中的减薄率以及堆焊前内壁打磨减薄情况，壁厚公差要求为0-+10%，弯管后基管的壁厚可满足最小强度要求；二为无缝钢管的内径，鉴于弯管过程造成椭圆度发生变化，以及堆焊层厚度公差的影响，若内径偏小，会影响后续管道通径结果。

在项目实际执行过程中，如果弯管批量比较多，应与钢管厂单独明确弯管所需求管的技术参数和尺寸参数；如果弯管批量比较少，应对弯管使用的基管进行逐根测量尺寸，选取内径、壁厚满足要求的部分管用于弯管复合管的制作。

另外，由于复合弯管后续需进行热弯以及热处理等工序，该部分工序在一定程度上会降低基管的机械性能，因此用于复合弯管的基管屈服强度应高于标准值50MPa以上，可确保复合弯管热处理后，基管的机械性能满足技术要求。

基管的炉批号应尽可能一致，若炉批号较多，后续复合弯管的批次试验会增加。且因考虑到复合弯管在热弯过程中极易造成分层、焊缝裂缝等缺陷，进而产品不合格，以及MPQT试验、生产过程产品破坏性检验等因素，需准备技术需求数量2倍左右的基管。

2.2 焊材

复合弯管堆焊一般采用GTAW焊接方式，焊丝为Inconel 625实芯焊丝。

根据DNVGL相关规范要求，针对到货的焊材，按照批号进行复验，复验项目包含化学成分分析、拉伸性能等。

焊材的炉批号应尽可能一致，若批号较多，会造成焊材复验试验、复合弯管批次试验增加。

3 基管焊前打磨控制

由于基管的热轧+热处理生产工艺，基管内壁与外壁存在氧化皮，这将会影响焊接质量。因此在堆焊前，需对内壁堆焊位置进行打磨或镗床机加工。

通过打磨或机加工的方式进行氧化皮处理，会造成基管壁厚一定程度减薄。对机加工或打磨后的基管，不仅需要通过内窥镜进行表面质量检验，还应通过超声测厚仪进行壁厚测量，确保打磨或机加工后的基管壁厚满足公差要求（即满足强度要求）。另外，针对壁厚测量的位置、数量、频次等，需在ITP中明确。

基管打磨或机加工处理完成后，生成焊接目视检验报告，作为产品完工文件的组成部分。

由于用于弯管的复合管长度较长，在镗床上进行机加工比较困难，现多采用打磨的方式。

基管打磨完成后，用于复合弯管的基管进行壁厚测量，并对测量点进行编号记录，便于根据基管壁厚数据确定复合弯管的内外弧。壁厚为正公差的一侧，作为复合弯管的外弧，考虑到热弯造成基管壁厚减薄影响，复合弯管热弯之后仍可满足技术要求。

4 基管堆焊焊接

在质量控制过程中，产品焊接是特殊过程，焊接完成之后只能进行外观检验和无损检验，无法进行破坏性试验。因此，在进行产品焊接生产之前，需进行焊接工艺试验，明确相关工艺参数和工艺要求。在实际生产过程中，按照验证过的工艺试验参数以及变动幅度进行生产质量控制。

众所周知，母材、焊材、焊接方式、焊接位置等为关键参数，任何一方面发生变化，均应进行焊接工艺试验，且经第三方见证认可。因母管长度的变化，堆焊焊接可能采用立式堆焊设备或者卧式堆焊设备，按照DNVGL规范，应分别进行焊接工艺试验。

工艺试验焊接过程，需重点关注焊接电流、电压、速度、焊材等参数，特别是使用多种焊材的产品。这些关键参数在后续生产过程中，也许重点进行检验。

基管完成堆焊焊接之后，应进行无损检验和表面外观检验，重点关注是否存在分层缺陷以及表面焊缝凹凸点。其中，分层缺陷会造成堆焊层剥离或分层面积变大，表面凹凸点容易造成堆焊层裂缝。针对焊缝表面凹凸点，应及时进行打磨处理，打磨后重新进行无损检验以及堆焊层厚度检验。

5 热感应弯管

基管堆焊检验完成后，根据基管壁厚检测记录确定的内外弧位置，将堆焊复合管固定到热弯设备，按照认可的MPS进行热弯。

在热感应弯制过程中，根据ISO 15590-1规范重点检查弯曲半径、成型速度、温度、频率等关键参数，并与认可的MPS进行对比，确保相关参数满足MPS公差范围。

在热感应弯制过程中，如若因断电或设备故障等原因造成热感应弯制过程中断，该复合弯管应被认为不合格。

热感应弯制过程采用感应圈对堆焊复合管进行加热处理，并同时用水或其他冷却液进行冷却，这个过程类似于对复合管进行了淬火处理。但是，水或冷却液主要喷在基管外表面，造成了基管与堆焊层冷却速率不一致，进而硬度变化也不一致。

尽管相关规范说明，热弯后热处理并不是强制的。但是通过分析热弯后复合弯管的表面硬度检验结果，基管的性能有所降低，且可能存在不合格的现象。

6 热处理

根据复合弯管基管表面的硬度检测数据的分析，需对热弯后的复合弯管进行整体热处理。由于弯管基管与堆焊层为不同材质，依据基管表面硬度和堆焊层硬度值数据进行分析，由工艺部联合热处理工程师确定热处理参数，并根据实验结果对复合弯管的热处理工艺进行摸索，最终确定既能满足基管机械性能又可以满足堆焊层硬度和耐腐蚀能力的热处理工艺。热处理工艺主要包括加热温度、加热速率、保温时间、冷却速率等。

复合弯管在回火热处理后，抽检发现复层硬度值超标。监理分析硬度超标的原因为：由于复合弯管基层和复层进行整体热处理，工艺部制定的热处理方案不能使两者同时达标。[2]堆焊层材质为Inconel625，基管材质为碳钢，其对温度、保温时间等的敏感程度以及造成的性能变化速率均不一样。

复合弯管经过堆焊、热感应弯管、淬火、回火等多个生产过程，基管的机械性能一定程度上会有所下降。

但是通过弯管后热处理过程（适合的热处理工艺参数），不仅能够改善基管的机械性能，还能够提高堆焊层的抗腐蚀能力，另外，通过热弯管后的整体热处理，可以减轻复合弯管的内部应力。[3]

热处理过程中，应通过热电偶对复合弯管进行温度控制，且热电偶的布放位置以及类型应在MPS中明确。

产品完成热处理之后，局部热处理或者热成型等工序是禁止的。（除非该工序之后接着进行整体热处理）

7 水压试验及产品检验

复合弯管热处理完成之后，对其进行水压试验，相关压力及保压时间需满足规范和技术要求。

水压试验完成之后，根据图纸尺寸对复合弯管端部进行机加工，包括端部内镗机加工和坡口机加工。在加工过程中，可能会使用火焰切割复合弯管端部，需注意去除HAZ影响的长度。

机加工完成之后，逐项进行外观检验、UT、MT、PT、剩磁、通径检验、尺寸测量等。其中，需重点关注UT、PT、端部尺寸、角度等检验结果。

复合弯管由于生产过程的特别性，极易产生分层、裂缝等焊缝缺陷，且易造成产品弧度位置椭圆度超差，进而影响通径结果。

针对UT、MT、PT、剩磁等无损检测，应编制检验程序文件，明确相关检测方法和验收标准，其参考的标准及规范应满足技术要求。

针对尺寸检验，需在ITP或MPS中明确椭圆度、弯曲角度、平整度、表面硬度、直线段长度等参数的检测方式、检测位置、检测频率等，并形成尺寸检验表，相关方签字确认。

完成相关尺寸检验与无损检验后，需对堆焊层进行酸洗钝化，编制酸洗钝化程序，并按照MPQT验证过的酸洗时间进行控制。酸洗完成后，需进行蓝点检测，确保酸洗物质全部冲洗干净。

完成酸洗程序后，采用管帽等方式及时封堵复合弯管，避免杂物进入内部，并标识产品信息以及进行运输保护包装。

8 复合弯管MPQT相关试验

复合弯管主要经过堆焊焊接工序、热弯工序、热弯后热处理工序，这几个工序在质量控制过程中均为特殊过程。且对基管的性能和堆焊层的耐腐蚀能力均有一定影响，由于产品需要保持完整性，不能进行破坏性试验，只能进行无损检验等。因此，针对焊接工序，需要通过焊接工艺试验进行验证；而针对基管的机械性能和堆焊层的耐腐蚀能力，需要通过MPQT以及生产批次试验管进行破坏性试验，来验证是否满足技术要求。

MPQT试验主要包括基管及堆焊层化学成分检验、拉伸试验、冲击试验、全厚度硬度检测、金相、剪切强度、晶间腐蚀、点腐蚀等。

针对基管为无缝钢管的复合弯管，其检测位置主要分布在直线段、过渡段（起始位置及终止位置）、内弧段、外弧段，并根据规范要求进行相关理化性能试验。

另外，根据ISO 15590-1规范相关要求，MPQT试验的复合弯管需进行表面硬度检测，并且作为生产过程中弯管表面硬度检测的控制依据。

该项目3D弯管采用堆焊、中频感应固溶、中频感应弯制、回火热处理的生产工艺，通过MPQT试验，验证该生产工艺可以满足相关规范技术要求。

8.1 力学性能试验

复合弯管经热处理后，复合弯管的力学性能较母材基管的性能数值有所降低。如下表2所示：

表2 复合弯管力学性能对比

母材基管的硬度数值（维氏硬度）多分布在185-205，技术标准值为≤235，满足技术要求；堆焊层的硬度数值（维氏硬度）多分布在220-285，技术标准值为≤310，满足技术要求。

8.2 金相试验

通过对复合弯管截面进行侵蚀，分析其金相组织以及测定晶粒度，检测结果如下表3所示：

表3 金相试验结果

图1 母材金相图（100X）

图2 HAZ金相图（100X）

图3 堆焊层金相图（100X）

8.3 腐蚀试验

点蚀和晶间腐蚀是引起不锈钢局部腐蚀的最本质、最重要也是危害最大的两类腐蚀行为。[4]因晶间腐蚀在堆焊复合管MPQT试验过程中已经验证，根据技术规范要求，对复合弯管来说，仅需做点蚀试验。

点腐蚀试验测试方法参考ASTM G48-2011（2015）进行，试验结果为：质量损耗率为0.19g/m²，且在20X显微镜下观察无点蚀情况。技术要求质量损耗率≤4g/m²，可满足技术要求。

8.4 外弧减薄率

复合弯管在中频热弯过程中，内弧基管和堆焊层厚度增加，外弧基管和堆焊层后端减薄。

根据复合弯管尺寸检验报告相关数据，与弯管前壁厚测量数据进行对比分析，外弧减薄率约为8%左右，内弧增厚率约为20%左右，且基管厚度和堆焊层厚度满足技术要求。

8.5 蓝点检测

复合弯管酸洗钝化采用酸洗钝化膏，酸洗钝化时间约为30-60min，采用高压水冲洗。

按照技术规范要求，按照比例将琼脂、铁氰化钾、氯化钠、水配置溶液，用于蓝点检测。采用电加热取暖器对复合弯管进行加热，达到温度后在堆焊层上涂抹检测溶液，检验结果为无蓝点出现，即无铁污染。

9 结语

本文主要针对复合弯管的原材料控制、焊前打磨、GTAW焊接、中频感应弯制、热处理、水压试验、无损检验及尺寸检验等工序进行了详细描述，明确各工序需要关注的关键工艺和质量控制点，确保最终产品（复合弯管）能够满足技术要求，且便于后续水下生产系统的制造与检验。另外，文中穿插一些项目管理要求，如原材料需求数量确定、相关工艺顺序、生产要求等。

同时根据MPS描述的生产工艺进行MPQT试验，对复合弯管的试验数据及检测结果进行了分析，主要包括力学性能试验、金相试验、腐蚀试验、蓝点检测等关键试验。参考项目相关技术要求，采取该工艺生产的复合弯管不仅可以满足强度（力学性能试验），也可以满足耐腐蚀性能（点蚀试验）。