海底柔性管骨架层生产过程中的质量控制

2023-11-10吕旭鹏周培玉

化工设计通讯 2023年9期

关键词：钢带毛刺骨架

杨曼，吕旭鹏，周培玉

[1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200000；2.中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300000]

1 海底柔性管及骨架层简介

1.1 海底柔性管的定义和分类

海底柔性管骨架层是一种关键性的海洋设备，为管道提供径向刚度，承受外压载荷，主要抵抗静水外压载荷、环控压力载荷引起非黏结柔性管道压溃失效。在海洋工程中，按照制造工艺将海洋柔性管道分为黏结柔性管道和非黏结柔性管道。

柔性管的复合结构结合了提供流体完整性的低刚度聚合物密封层和提供强度的高刚度螺旋金属铠装层。因而与轴向拉伸刚度相比，柔性管的抗弯刚度较低，其曲率半径远小于抗压能力相同的均质管。其性能特点如下所示。

（1）弯曲半径小（柔性）。非黏结柔性管道各层间相对独立且各层之间可相对滑动，弯曲半径较小，很好地贴合海床地形，可用于不平坦的海床环境，避免进行海床处理，也可降低因海底滑坡导致管道大幅位移和损坏的风险。

（2）运输、安装方便。非黏结柔性管道连续缠绕在立式大盘，每盘柔性管预制长度可达几公里（6"约2.5 km/8"约2.2 km/10"约1.2 km）。可通过船舶将多盘柔性管运输至码头进行倒驳，在码头可完成立式大盘柔性管与施工船上卧式大盘倒驳工作，使得海上连接工作量少，铺设周期短，可降低管道铺设成本，也可避免平台端的膨胀弯安装，降低管道末端法兰连接成本。

（3）可回收和环保。非黏结柔性管道便于回收和重复利用，从而在整体上节约深海油田投资。

（4）深抗水和恶劣环境下，柔性管的安装比钢管更为经济。

（5）抗腐蚀要求较低。非黏结柔性管道金属铠装层并不会与输送流体直接接触，其抗腐蚀性能要求较低。但是，柔性管最内层的骨架层与输送流体相接触，要求其具有抗H2S/CO2等耐蚀性。

1.2 骨架层的作用和结构

柔性管骨架层作为海底管道的支架承重组件，其质量和性能的稳定性对于油气输送具有至关重要的意义。在海水环境中，海底柔性管骨架层不仅要承受深海水的压力，还要抵御海中海流、海浪、海底岩石等外界因素的影响，因此在设计和生产中需要极高的技术含量。

骨架层为S 形截面钢带螺旋缠绕的互锁结构，层间存在间隙，具备一定的弯曲能力，保证结构有足够的柔性，通常作为非黏结柔性管道的最内层使用，以防止由于压降、外压、抗拉铠装层压力和机械挤压引起的内压密封层压溃。

1.3 材料选取和性能

为了保证柔性管骨架层的稳定性和可靠性，设计和生产过程中需要考虑多种因素。以下是其中一些重要的因素。

（1）海底环境：在海洋环境下运行的柔性管道必须能够承受特殊的温度、压力和流动条件。这意味着在柔性管道的设计和生产过程中，必须考虑到这些因素，并确保材料能够承受这些环境的影响。

（2）材料选择：柔性管道的骨架层所使用的原材料决定了其在海底环境下的性能。例如，在选择骨架层原材料时，应该考虑到管道安装条件和管道内的海水等因素。钼元素可以大幅提高不锈钢的耐腐蚀性能，从而有效地提高了柔性管道对管内介质和海水的抵御能力，故常采用含有钼元素的超低碳奥氏体不锈钢钢带（316 L）作为优选材料。

1.4 骨架层的成形原理

骨架层的成形流程：钢带焊接→钢带储料→钢带预成形→钢带互锁成形→牵引机→立式大盘（收线）。

骨架层互锁铠装机是同心旋转体，储带盘上的不锈钢带通过其旋转体转盘上的6组呈一线式分布成形滚轮，逐渐将矩形横截面钢带挤压成形为近S 形横截面的金属型材，近S 形横截面的金属型材通过与管体轴线呈近88.5°的螺旋缠绕角度进入6组呈螺旋式均匀分布滚压轮，逐渐滚压互锁成S 形横截面的螺旋管。（根据所缠绕管的直径和配置的管材模芯胎具，6组滚压轮沿轴向形成一个完整的节距，旋转体转盘带动6组滚压轮对模芯圆周6点滚压互锁成形管材和推出）。

2 海底柔性管骨架层生产过程中的质量控制

柔性管骨架层的生产过程一直是一个复杂而困难的任务。这个过程需要多种工艺、材料和设备的配合，才能制造出高质量、耐用的产品。然而，由于较低的生产效率和可能出现的各种质量问题，严格控制每个环节的品质和耐久性问题非常必要。在柔性管骨架层的生产过程中，会发生多种问题，如生产周期过长、不稳定的产品质量、成本高昂等。在柔性管骨架层的生产过程中，生产周期是一个问题。由于其复杂性，整个生产周期可能会非常漫长。另一个问题是产品质量的不稳定性。由于柔性管骨架层采用的是复杂的生产工艺和材料，因此产品的质量可能会受到各种外部因素的影响。为了解决这个问题，生产过程中应该严格控制每个环节的品质问题，同时进行严格的产品质量控制。

2.1 骨架层截面变形

骨架层截面变形是骨架层生产过程中的一个主要问题。这种变形可能是由于生产设备的装配精度不高、操作不当或其他原因引起的。这种变形会导致骨架层的截面结构不符合设计要求，使骨架层失去了原本的抗压溃的能力，从而影响骨架层产品的质量和可靠性。

为了解决这个问题，可以采取多种措施。首先，需要对生产设备进行定期维护、更新和调试，以确保设备的稳定性和准确性。同时，骨架层的生产速度也需要加以控制，骨架层生产速度越快，骨架层设备旋转体转速也越高，旋转体带动6组滚压轮加快对骨架层1个节距内的滚压互锁及推出过程，生产稳定性降低。因此，在设计骨架层生产线时，应该考虑到这个问题，设置适当的生产速度，以保证骨架层的截面结构符合设计要求。其次，通过调整骨架层设备旋转体转速可以达到减缓变形的目的，数据显示速度由0.1~0.12 m/min 降至0.08~0.06 m/min，截距大小由20.4 mm 降至 16.32 mm。可以通过降低骨架层的生产速度，以弥补设备的不稳定性，从而达到减缓变形的目的。可以通过数据分析来确认最优旋转体转速以加强操作和提高生产效率。此外，生产过程中还需要注意精细化操作，尽量避免外力的影响，以确保骨架层的截面结构符合设计要求。

2.2 骨架层边缘变形

骨架层变形问题可能会导致外观变化和边缘尖锐、毛刺产生的情况。这种变形通常由于被滚压轮挤压导致表面局部压扁，轮廓发生变化等原因引起。这不仅会影响骨架层的外观质量，还会影响其整体结构和稳定性。为了解决这个问题，可以采取多种措施来确保骨架层的质量。

首先，需要质量控制团队对生产过程进行全面检查，每6h 需对机器进行一次校核，并形成记录，及时发现和处理问题。同时，也需要制定出符合骨架层特点的检验方法和标准，确保所有骨架层产品都符合质量要求。

其次，在生产过程中，应加强工人的效率和技术水平培训，保证生产操作的标准化和精细化。此外，也可以对生产设备进行适当的改进和升级，提高生产效率和准确性，减少骨架层变形的可能性。

2.3 成形滚轮中钢带压裂

未成形钢带纵向撕裂是骨架层生产过程中的另一个常见问题。该问题通常由于导向滚轮与钢带尺寸不匹配造成，导致钢带在滚压过程中无法正常成形，从而出现纵向撕裂的情况。

为了解决这个问题，应首先确保生产设备的调试工作得到充分、专业的确认。需要有专业人员对各方面进行认真调试，确保调试工作的各个环节都能得到妥善的关注。同时，还需要制定详细的骨架层调试文件，包括调试过程中的各种参数、程序和流程等信息，以确保调试工作的规范性、透明度和可追溯性。这对于保证生产质量和进度具有重要的意义。除了上述措施外，还可以通过一些技术手段来防止钢带纵向撕裂的问题。例如，可以通过使用精密加工的导向滚轮和准确的钢带尺寸来减少不匹配的问题。此外，还可以采用改进后的生产工艺和设备，提高生产效率和精度，减少钢带纵向撕裂的发生。

2.4 钢带尺寸

钢带宽度偏差是骨架层生产过程中的另一个常见问题。这种偏差可能会影响钢带的成形和压制，导致骨架层产品的质量不稳定。为了解决这个问题，可以采取多种措施。

首先，需要质检团队对传送至骨架层设备储带盘的每盘钢带首尾端的宽度进行检验，并形成检验记录。在检验过程中，特别需要对钢带组前后的钢带宽度进行检查，以避免出现宽度不一致的钢带被焊接在一起的情况。

其次，需要加强生产工人的培训和质量意识，确保生产过程中所有环节都符合相应的要求和标准。同时，应制定出针对钢带宽度偏差的相应工艺和控制措施，以最大限度地减少该问题的发生。

2.5 毛刺

骨架层毛刺的产生是骨架层生产过程中的一大难题。根据实践经验，骨架层毛刺主要产生在两个位置，并由不同的原因所致。

第一个位置是钢带经过成形滚轮后，不锈钢带边缘产生毛刺，经过圆盘纵剪的钢带本身有尖锐边缘，再与成形滚轮接触后，形成毛刺。为避免这种情况的发生，建议在生产过程中对钢带两侧边缘进行倒圆角处理（如R0.27 mm），以防止毛刺的产生。

第二个位置是截面为紧S 形的钢带经过滚压轮互锁成形后，骨架层边缘受到6组滚压轮挤压，形成毛刺。要解决这个问题，应当及时观察6组滚压轮与骨架层接触情况，如果可能的话微调滚压轮的位置并适当降低其转速，以避免毛刺的产生和骨架层的变形。

由于目前还无法完全避免骨架层毛刺的产生，生产线上的质检人员需要加强跟踪检验和及时处理骨架层毛刺，并形成相应的检验记录，以保证内压密封层的生产不受影响。

在处理骨架层毛刺时，骨架层生产速度较慢，有利于进行清理。因此，在内压密封层生产之前，应将骨架层上的毛刺全部清理干净，以保证产品的质量和稳定性。

3 案例分析

骨架层是海底柔性管的关键部件，但是在某些生产项目中，骨架层质量不良的情况也时有发生。以一个实际案例为基础，深入探讨骨架层质量不良的原因、影响及对策措施。

在本案例中，某一海底柔性管生产项目出现了6次骨架层质量不合格的情况，包括2次截面变形、2次边缘变形、1次钢带压裂和1次毛刺问题。这些问题的出现给项目的进度和成本带来了不良影响，也引发了对骨架层质量控制的深入思考。

在2次骨架层截面变形中，发现截面形状和互锁度都不符合设计要求。根据经验，这种质量问题的根本原因通常是由于生产速度过快，而未及时采取相应措施来避免截面变形。因此，立即采取了相应的措施来解决这个问题。对设备进行了重新调试，切除了变形区域，并按照工厂出具的处理措施，将成形钢带重新焊接、重新互锁成形、与已生产的完好骨架层重新连接，并检验连接位置骨架层外观、尺寸，检验结果符合技术要求，处理一次骨架层截面变形，需占用6d生产时间。

2次骨架层边缘变形的问题是由于生产速度过快，滚压轮将焊缝之后的骨架层轻微压制变形所致。同时这个问题的间接原因是质检人员的漏检。因此，工厂将边缘变形位置进行修模抛光处理，将此位置圆滑过渡，并去除因骨架层边缘变形产生的毛刺，并检验连接位置骨架层外观、尺寸，检验结果符合技术要求，处理一次边缘变形需占用2h 生产时间。

1次钢带压裂的问题，直接原因是当钢带通过一线式分布的成形滚轮时，钢带边缘被滚轮压裂。为了解决这个问题，更换了与钢带宽度相匹配的设备导向滚轮，重新调试了设备，并重新生产了骨架层。处理一次钢带压裂问题，需占用2d 生产时间。

由此可见，骨架层的质量是极其重要的。质量不合格不仅会影响生产效率和生产时间，还会对工厂的信誉和声誉带来不良影响。因此，在骨架层的生产过程中，质量控制是一个非常必要的环节。必须在每个环节严格检查，确保每个环节都符合生产标准，从而保证生产出高质量的骨架层产品，并避免返工和损失。通过质量控制，可以确保骨架层产品的质量稳定，并提高产品的质量水平，从而提高整个工厂的竞争力和地位。