國際某大型管道工程海底管道段焊接工藝

周學(xué)深 楊澤亮 黃超 方海波 馬東山 陳超

1.概述

該項(xiàng)目海底天然氣管道起于海島西海岸的首站，向西北方向鋪設(shè)至聯(lián)絡(luò)站，線路長度約30km，路由區(qū)最大水深約50m，設(shè)計(jì)壓力9.7MPa。路由海域條件十分復(fù)雜，涉及到6種表層地質(zhì)條件，5個斜坡，17段硬質(zhì)障礙物，海流流速較大，全線采用鋪管船法進(jìn)行海底管道的鋪設(shè)。

考慮到海底管道施工投入高，風(fēng)險大的特點(diǎn)，在保證工程質(zhì)量的前提下，最大限度縮減海上工期，以減少工程投入。管材的選擇和焊接工藝的制定，是保證工程質(zhì)量和施工進(jìn)度的先決條件。

2.海底管道焊接工藝技術(shù)

為了避免海底環(huán)境對管道產(chǎn)生影響，故選擇合適的管材并制定相應(yīng)的焊接工藝，以確保焊縫的力學(xué)性能達(dá)到API1104技術(shù)規(guī)范的質(zhì)量要求。施工前，選定管材的鋼級并編制焊接工藝規(guī)程。

（1）管材的確定 根據(jù)管道的設(shè)計(jì)壓力、海流對管道的沖擊和增加配重平衡浮力，鋼管鋼級選用X65，φ610mm×22.2mm，并增加混凝土配重層85mm/95mm。

（2）焊接設(shè)備的選擇 該工程海底段全線選用Fronius TPS 3200型CRC管道全位置自動焊接設(shè)備（見圖1）。

該自動焊接系統(tǒng)包括內(nèi)焊機(jī)/對口器（見圖2），在管道內(nèi)部固定管道端頭并對正管口，兩個焊機(jī)在管道外部同時進(jìn)行打底焊，平均速度為570mm/min，焊接效率約是焊條電弧焊的6倍。通過遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，焊接小車從管外進(jìn)行其他焊道的焊接，焊接工藝主焊道采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）打底、熱焊、填充及蓋面，焊縫返修選用焊條電弧焊（SMAW）打底+自保護(hù)藥芯半自動焊（FCAW）熱焊、填充、蓋面。

（3）焊材的匹配 選擇與焊接設(shè)備及管材相匹配的焊接材料進(jìn)行焊接，如表1所示。

圖1 Fronius TPS 3200型CRC管道全位置自動焊接設(shè)備

圖2 用內(nèi)對口器進(jìn)行管道對接

（4）焊接坡口設(shè)計(jì) 該項(xiàng)目以水平固定（5G位置）方式，對相同直徑及壁厚鋼管進(jìn)行對接，為獲得較好的焊接質(zhì)量及成形效果，主焊道選用U形坡口（見圖3a），鈍邊（1.5±0.2）mm，根部間隙0～0.5mm，焊縫余高0～2mm，蓋面焊縫寬度在坡口上每側(cè)增加0.5～2.0mm。返修選用V形坡口（見圖3b），鈍邊厚度（1.6±0.8）mm，根部間隙2～3.5mm，焊縫余高0～2mm，蓋面焊縫寬度在坡口上每側(cè)增加0.5～2.0mm。

（5）焊接參數(shù) 管材在焊接之前需要進(jìn)行80～150℃預(yù)熱處理，選用火焰加熱或中頻電阻加熱方式。并選用內(nèi)對口器固定鋼管的位置。焊接過程中，需要保證環(huán)境濕度＜90%RH。如果環(huán)境溫度＜5℃，需要采用有效的保護(hù)措施，以避免過度的快速冷卻。環(huán)境風(fēng)速要求＜2m/s。焊接參數(shù)如表2所示。

3.焊接工藝評定

依照國際標(biāo)準(zhǔn)API1104評價焊接工藝的可靠性。

（1）無損檢測試驗(yàn) 焊后對焊縫進(jìn)行水冷降溫。24h后試件經(jīng)外觀檢查合格，其內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線探傷達(dá)到API1104《管道及有關(guān)設(shè)施的焊接》中無損探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，評定合格。

（2）力學(xué)測試結(jié)果 第一，拉伸試驗(yàn)?？估瓘?qiáng)度為576MPa，斷裂位置位于母材，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

第二，彎曲測試。試樣彎曲180°后未產(chǎn)生裂紋，結(jié)果合格。

第三，刻槽試驗(yàn)。試樣拉斷后，每個刻槽錘斷試樣的斷裂面完全焊透和熔合。

第四，硬度試驗(yàn)。測試最大硬度為256HV，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

無損檢測和力學(xué)性能試驗(yàn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，確保了該焊接工藝的焊接質(zhì)量和可靠性，因此可以在實(shí)際工程項(xiàng)目中廣泛使用。

4.工程進(jìn)展情況

中石油管道建設(shè)者克服諸多不利條件，艱苦奮戰(zhàn)，最終該項(xiàng)目海底管道工程順利完成海上連頭，實(shí)現(xiàn)海底管道的完美對接，管線被平穩(wěn)安放到海床上。

該項(xiàng)目的順利完成，除了依靠部門間的通力合作，更依靠焊接工藝規(guī)程編制合理，保證了施工安全和工程質(zhì)量，也提高了工作效率，縮減了工期，大大加快了海底管道鋪設(shè)進(jìn)程，為陸管設(shè)計(jì)施工提供了保障，極大地降低了施工成本，向世界證明了中國海洋工程建設(shè)的技術(shù)實(shí)力。

5.結(jié)語

按照API1104要求，針對X65管道用鋼進(jìn)行焊接性分析，編寫焊接工藝規(guī)程，形成一套適合于海底管道工程的焊接工藝技術(shù)。

針對工程的特殊性和難點(diǎn)選擇合適的管材并編制了相應(yīng)的焊接工藝，不僅保證了該項(xiàng)目管道工程海底管道段的管道強(qiáng)度及焊接質(zhì)量，而且提高工作效率，縮短了工期，降低了成本。

表1 焊接所選焊材

表2 焊接參數(shù)

圖3 試件坡口形式