油氣改造平臺(tái)雙金屬?gòu)?fù)合鋼管施工技術(shù)應(yīng)用

程 隆* 王智宇 朱 澧 王 勇 施汶娟

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

雙金屬?gòu)?fù)合鋼管由外基管和內(nèi)襯管組成，外基管負(fù)責(zé)承壓和管道剛性支撐的作用，內(nèi)襯管承擔(dān)耐腐蝕的作用，在中海油中東某改造平臺(tái)項(xiàng)目中采用的管線直徑為520 mm，外基管為壁厚為79.8 mm 的低溫碳鋼層、內(nèi)襯管為壁厚為3 mm 的鎳基合金層，總壁厚為82.8 mm 的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管。這種復(fù)合鋼管比普通單金屬鋼管硬度更大、抗拉伸強(qiáng)度更好，在陸地預(yù)制時(shí)可采用大型機(jī)床切割、大型自動(dòng)或半自動(dòng)焊機(jī)焊接，而受到海上老舊平臺(tái)操作空間的限制，沒(méi)有足夠的場(chǎng)地來(lái)使用這些大型機(jī)具，如何完成雙金屬?gòu)?fù)合鋼管的現(xiàn)場(chǎng)施工成為技術(shù)難點(diǎn)，也是海上油氣改造平臺(tái)順利投產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)。本文針對(duì)改造平臺(tái)方面雙金屬?gòu)?fù)合鋼管的施工工序、施工工藝、施工設(shè)備提出了相關(guān)解決方案。

1 施工工序

管線切割與開(kāi)坡口→管線吊裝和倒運(yùn)→組對(duì)和封堵管端→充氬氣和焊接→無(wú)損檢測(cè)→熱處理→法蘭管理→水壓試驗(yàn)→氦氮試驗(yàn)→焊道補(bǔ)漆。

2 施工工藝

2.1 切割與開(kāi)坡口

由于操作空間限制海上老平臺(tái)無(wú)法使用大型設(shè)備進(jìn)行操作，切割與開(kāi)坡口可使用外卡插口分瓣式管道切割坡口一體機(jī)，該坡口機(jī)可以同時(shí)安裝2 個(gè)刀口，切割刀和坡口刀各1 個(gè)，使切割與開(kāi)坡口一次成型，動(dòng)力源為液壓泵站，設(shè)備如圖1 和圖2 所示。外基管為低溫碳鋼層時(shí)可使用不銹鋼或碳鋼材質(zhì)的坡口刀，而內(nèi)襯管為鎳基合金層到需使用合金材質(zhì)的坡口刀。

圖1 坡口機(jī)

圖2 坡口機(jī)配套液壓泵站

對(duì)于總壁厚為82.8 m 的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，開(kāi)口型式為80°和52.5°的復(fù)合V 型坡口，如圖3 所示，坡口刀使用10°和37.5°兩種刀口，切割和開(kāi)坡口一道口總時(shí)長(zhǎng)約36 h。

圖3 復(fù)合V型坡口

2.2 管線吊裝和倒運(yùn)

管線直徑為520 mm、壁厚為82.8 mm 的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，每米質(zhì)量為861.5 kg，海上改造單管最長(zhǎng)為7 m，單管質(zhì)量達(dá)6.8 t 且安裝就位于下層甲板，倒運(yùn)就位非常困難，需使用大型浮吊和倒鏈，其中倒鏈懸掛在原有結(jié)構(gòu)的焊接吊耳上。

2.3 組對(duì)和焊接

對(duì)于管線口和管線（或管件）口組對(duì)時(shí)，如果錯(cuò)邊較多就不能正常組對(duì)，如果是外表面錯(cuò)皮，就需要將超過(guò)壁厚的部分加工成過(guò)渡口，使過(guò)渡口直角邊比例為1:3；對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合鋼管的內(nèi)錯(cuò)皮修正，一定要保證內(nèi)襯管最小壁厚要求，否則達(dá)不到防腐標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)注意項(xiàng)目規(guī)格書(shū)是否要求在根部焊道完成后進(jìn)行100%內(nèi)檢測(cè)后才可繼續(xù)施焊。

雙金屬?gòu)?fù)合鋼管的焊材應(yīng)根據(jù)焊接工藝程序選用，一般采用內(nèi)襯管材質(zhì)的焊絲；焊接過(guò)程對(duì)焊工要求較高，焊前打磨盡量使用拋光機(jī)，避免使用砂輪機(jī)過(guò)度打磨以免產(chǎn)生焊道“帶磁”，預(yù)熱溫度最小為50°，用丙醇烤把加熱，測(cè)氧儀應(yīng)監(jiān)測(cè)氧含量低于500 mg/L 時(shí)可焊接，嚴(yán)格控制焊接層間溫度處于150°內(nèi)，并用測(cè)溫槍監(jiān)測(cè)。對(duì)于總壁厚為82.8 mm的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，為了提高施工效率每道口采用2個(gè)焊工呈180°同時(shí)施焊，24 h 3 個(gè)班組輪換，現(xiàn)場(chǎng)焊接一道約需144 h。

2.4 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)于大壁厚雙金屬?gòu)?fù)合鋼管陸地預(yù)制采用伽馬源進(jìn)行檢驗(yàn)，而在海上平臺(tái)考慮到伽馬源輻射危害性大、海上安全防護(hù)條件有限等一般采用分層檢驗(yàn)法，即先填充10～15 mm厚度時(shí)使用射線機(jī)進(jìn)行射線檢測(cè)，焊道整體焊接完成后將焊道打磨與母材平滑過(guò)渡進(jìn)行超聲波和磁粉檢測(cè)，最后在管線焊道熱處理后再進(jìn)行一次超聲波和磁粉檢測(cè)。

2.5 熱處理

熱處理即通過(guò)加熱釋放焊縫的集中應(yīng)力，注意項(xiàng)目規(guī)格書(shū)要求碳鋼層壁厚超過(guò)多少范圍才可進(jìn)行熱處理，熱處理可以采用電阻加熱或感應(yīng)加熱局部熱處理方法，一般采用圖4 所示的陶瓷加熱片，加熱區(qū)域從焊縫兩側(cè)起25 mm 或3 倍焊焊縫厚度，二者取較大值。熱處理工件應(yīng)包裹隔熱毯，以確保在加熱帶之外的溫度場(chǎng)處于逐遞減狀態(tài)，加熱器件兩端至少300 mm 范圍內(nèi)，應(yīng)包裹至少2 層隔熱毯，工作溫度低于150 ℃之前，不允許去除保溫材料，管線兩頭應(yīng)使用防火棉封蓋以避免熱處理過(guò)程中管內(nèi)空氣流通循環(huán)。熱處理開(kāi)始之前在管下方設(shè)置支撐以防止撓曲變形，支撐材質(zhì)必須是鋼，焊縫每側(cè)至少放置1個(gè)支撐并放置在沒(méi)有包裹隔熱毯的區(qū)域。熱處理時(shí)在315 攝氏度以下時(shí)，可以自由加熱，大于315 ℃時(shí)，加熱速率不能超過(guò)200×25.4/t℃/h（其中t為最大母材控制壁厚，mm），且最大不超過(guò)200 ℃時(shí)，最后在600～610 ℃進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為2.4 min/mm，且不低于1h，然后開(kāi)始冷卻，冷卻速率不能超過(guò)速率不能超過(guò)260×25.4/t℃/h，且最大不超過(guò)260 ℃/h。。對(duì)于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬?gòu)?fù)合管現(xiàn)場(chǎng)口一道約需12 h，熱處理完成后需再進(jìn)行一次超聲波和磁粉檢驗(yàn)，以保證熱處理過(guò)程不會(huì)對(duì)焊道進(jìn)行損壞，熱處理后不允許在管線上進(jìn)行任何焊接。

圖4 熱處理設(shè)備使用的陶瓷加熱片

2.6 焊道“消磁”

對(duì)于大壁厚的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管焊道打磨，如使用砂輪機(jī)過(guò)度打磨便產(chǎn)生“帶磁”，即焊材熔化后受外力蹦出，海上改造平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)可使用便攜式指南針和鉗形電流表改造成臨時(shí)“高斯計(jì)”驗(yàn)證該海管“帶磁”，然后采取“搭橋法”和“纏繞法”相結(jié)合方式進(jìn)行“消磁”。“搭橋法”即在焊縫四周均勻點(diǎn)焊母材鋼片在鋼片的間隙中點(diǎn)焊，之后再采用分段引磁、分段焊接完成焊接工作“纏繞法”即把電焊把線纏繞在管線上，電焊地線連接到管線上，焊接時(shí)電流通過(guò)線圈形成磁場(chǎng)，與原管線磁性相抵。

2.7 法蘭管理

確保螺栓連接法蘭節(jié)點(diǎn)的安全密封，包含螺栓緊固、螺栓抹潤(rùn)滑脂、掛標(biāo)志牌、加螺栓帽。

對(duì)于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬?gòu)?fù)合管，使用液壓螺栓拉伸器進(jìn)行緊固，在第一組的交替的法蘭螺栓上安裝液壓工具，施加壓力A 緊固2 次，然后再把液壓工具轉(zhuǎn)移到第二組交替的法蘭螺栓上，施加壓力B 緊固2 次。

擰緊螺栓之前，需要在螺紋和PTFE 涂層上，以及螺母和法蘭的接觸面涂抹鎳基潤(rùn)滑油。

最后在螺栓和法蘭的節(jié)點(diǎn)上掛綠色標(biāo)志牌，在外露螺栓頭上加聚四氟已烯螺栓帽。

2.8 管線水壓試驗(yàn)

試壓包批復(fù)→查線及A 類尾項(xiàng)整改完成→沖洗/吹掃→壓力試驗(yàn)→清潔干燥→管線復(fù)位。

試壓包包含試壓包封面、查線跟蹤簽字、試壓包目錄、壓力數(shù)據(jù)表、試壓工藝圖、原工藝圖、加設(shè)三維圖（帶標(biāo)注）、詳設(shè)三維圖（帶標(biāo)注）等內(nèi)容；壓力試驗(yàn)前應(yīng)必須先清除A 類尾項(xiàng)，影響投產(chǎn)的焊接、檢驗(yàn)等工作；必須用水流先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗。以670 kPa/min 速度緩慢升壓至0.17 MPa 保壓10 min，分別升至試驗(yàn)壓力的25%、50%、75%保壓15 min，升至試驗(yàn)壓力的100%保壓60 min；按以下分步降壓：以1 379 kPa/ min 緩慢泄壓至試驗(yàn)壓力的75%，保壓15 min，分別降至試驗(yàn)壓力的50%、25%，保壓15 min，最后再降至0。試壓完成后，用無(wú)油干燥氣體進(jìn)行系統(tǒng)干燥；吹掃及壓力試驗(yàn)時(shí)所有臨時(shí)拆除項(xiàng)在試壓完成后按照?qǐng)D紙進(jìn)行復(fù)位。對(duì)于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，應(yīng)使用飲用水試壓，pH 應(yīng)為6.5～7.5，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)25%，水壓試驗(yàn)壓力達(dá)到647 kPa。

2.9 氦氮試驗(yàn)

海上老平臺(tái)上進(jìn)行氦氮試驗(yàn)的設(shè)備布置詳見(jiàn)圖5，應(yīng)特別考慮以下2 點(diǎn)。

圖5 拖輪上布置的試驗(yàn)設(shè)備

（1）降低試驗(yàn)壓力，減小安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于試驗(yàn)壓力值，國(guó)際上普遍做法是采用0.95 倍設(shè)計(jì)壓力，對(duì)于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬?gòu)?fù)合鋼管這樣試驗(yàn)壓力值將達(dá)到328 kg，對(duì)于一個(gè)已服役多年腐蝕嚴(yán)重的老平臺(tái)來(lái)說(shuō)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，根據(jù)ISO 13703 2000，推動(dòng)使用以1.1 倍的操作壓力代替0.95 倍的設(shè)計(jì)壓力使壓力降至165 kg。試驗(yàn)壓力降低，不僅降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，也節(jié)約了項(xiàng)目成本。

（2）充分考慮到海上老平臺(tái)空間限制和氣密高壓安全風(fēng)險(xiǎn)較大影響，將試驗(yàn)設(shè)備布置在拖輪上，使用高壓軟管將氣體接入到測(cè)管線，遠(yuǎn)程連接完成氦氮試驗(yàn)。通過(guò)這種方式對(duì)海上老平臺(tái)現(xiàn)有設(shè)施影響降到最低，同時(shí)也降低了現(xiàn)場(chǎng)操作風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

雙金屬?gòu)?fù)合鋼管具有外基管和內(nèi)襯管的所有優(yōu)點(diǎn)，由于其自身具有較強(qiáng)的耐蝕性能和較好的經(jīng)濟(jì)性已開(kāi)始運(yùn)用于海上油氣平臺(tái)，同時(shí)雙金屬?gòu)?fù)合鋼管施工技術(shù)要比純材金屬高，本文詳細(xì)介紹了海上油氣改造平臺(tái)雙金屬?gòu)?fù)合鋼管的施工工序、施工工藝、施工設(shè)備及注意事項(xiàng)，為后續(xù)受限空間條件下雙金屬?gòu)?fù)合鋼管施工提供了借鑒和參考。