坦桑尼亞X65海底管道焊接接頭的噴淋工藝

毛靜麗 胡艷華 王虎 劉智 滕照峰 高蕊

1. 概述

目前，在鋪管船法進(jìn)行海底管道鋪設(shè)施工時(shí)，國內(nèi)外均采用噴淋工藝對(duì)焊接接頭進(jìn)行冷卻處理。但是在高溫狀態(tài)下，冷水噴淋有可能對(duì)焊縫組織進(jìn)行淬火處理，從而影響其金相組織及接頭性能，因此需通過試驗(yàn)研究，確定噴淋水的流量等工藝參數(shù)，控制冷卻速度，使焊縫組織合理，進(jìn)而保證接頭性能達(dá)到規(guī)范的要求。

本文依托于坦桑尼亞海底管道CRC雙焊炬自動(dòng)焊施工工程，通過噴淋試驗(yàn)，確定基于CRC雙焊炬自動(dòng)焊的噴淋工藝參數(shù)（包括焊后噴淋時(shí)刻、噴淋持續(xù)時(shí)間、噴淋流量等），以達(dá)到控制焊接接頭冷卻速度，確保焊縫金相組織及硬度合理，進(jìn)而保證焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)符合技術(shù)規(guī)格書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2. 未噴淋的海底管道焊接接頭組織和硬度分析

根據(jù)坦桑尼亞海底管道鋪設(shè)工程要求，鋪設(shè)管道為海底天然氣管道API 5L X65 PSL2，φ610mm×22.2mm。按照擬定的焊接方法，φ610mm×22.2mm的鋼管采用雙焊炬自動(dòng)焊工藝，坡口為U形復(fù)合坡口。考慮到焊接過程中，熱電偶容易在焊工打磨過程中破壞失效，故在焊接接頭的0點(diǎn)、3點(diǎn)與6點(diǎn)位置表面均鑲嵌了兩根熱電偶，由此焊接過程中可最多同時(shí)檢測(cè)到6個(gè)不同位置的瞬時(shí)降溫溫度，并通過溫度測(cè)試儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)玫秸麄€(gè)焊接過程的溫度冷卻循環(huán)曲線。

如圖1所示，20℃室溫環(huán)境條件下，焊接過程中海底管道焊接接頭處的最高溫度可達(dá)900℃左右，收弧后焊接接頭不同位置的溫度一般在200~300℃。考慮到收弧后打磨焊道接頭及局部修整需1~3min，此時(shí)管接頭溫度可降至180~220℃，自然冷卻至AUT工作所需的溫度（50℃）需要40~80min。由此可以看出，自然空冷條件下，焊接接頭的冷卻速度較低，冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足海底管道快速鋪設(shè)的海上施工作業(yè)要求。按照?qǐng)D2所示測(cè)試焊接接頭HV10硬度值，未噴淋的焊接接頭硬度、金相組織及其CTOD值分別如表1、圖2和表2所示。

圖1 焊后自然冷卻曲線

圖2 硬度測(cè)試點(diǎn)分布

綜上可知，未噴淋條件下，海底管道焊接接頭的硬度值均＜250HV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；通過金相組織分析可知，焊接接頭焊縫區(qū)組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，HAZ區(qū)組織為鐵素體+珠光體（見圖3）；未噴淋條件下，6個(gè)CTOD試件的焊縫和熱影響區(qū)CTOD值均大于API 1104的要求0.05mm，CTOD值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 未噴淋的焊接接頭硬度

表2 CTOD試件的斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果（5℃）

圖3 F610mm×22.2mm 鋼管焊接接頭組織

圖4 施工現(xiàn)場(chǎng)的噴淋裝置

3. 噴淋工藝技術(shù)研究

（1）噴淋裝置的功能與特征 海底管道鋪管船法鋪設(shè)施工過程中，噴淋裝置（見圖4）的主要功能是根據(jù)海底管道鋪設(shè)流水作業(yè)中焊接施工工藝要求以及施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)規(guī)格書的規(guī)范要求，通過人工實(shí)時(shí)干預(yù)對(duì)海底管道焊接接頭進(jìn)行快速冷卻降溫，有效縮短焊縫冷卻時(shí)間和后續(xù)AUT（自動(dòng)超聲波檢測(cè)）無損檢測(cè)的等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)鋪管船作業(yè)線上海底管道鋪設(shè)施工的流水化作業(yè)與施工工序的合理銜接，從而有效提高鋪管船作業(yè)的施工效率，縮短海上作業(yè)施工周期。該裝置一般主要包括：不銹鋼水箱、噴淋泵、回水泵、溢流閥、高低液位計(jì)、流量瞬時(shí)及累計(jì)記 錄儀、噴淋頭、控制系統(tǒng)、集水槽及管道等。

針對(duì)鋪管船的作業(yè)線布置情況、海底管道的施工特點(diǎn)以及焊接接頭的力學(xué)性能要求，該裝置采用先進(jìn)的液面反饋傳感、噴淋頭陣列交叉、多重過濾吸附等技術(shù)，使噴射覆蓋均勻、噴淋水自動(dòng)回收、遙控近控兼有；采用多點(diǎn)定向鑲嵌溫度傳感測(cè)試技術(shù)，制定快速降溫曲線，結(jié)合鋪管施工流程，制定基于噴淋的焊接參數(shù)，可使焊接接頭在1min內(nèi)快速冷卻至50℃以下，且接頭性能滿足規(guī)范要求，與自然空冷（約需2h）相比，可大幅提高施工效率。在試驗(yàn)過程中，冷卻水儲(chǔ)存于水槽中，利用固定安裝在水槽中的水泵將水輸入支架上的水箱中（也可不用水箱，將水槽直接與水泵和出水管噴頭相連），試驗(yàn)人員通過調(diào)節(jié)水閥大小來調(diào)節(jié)水的流量，安裝在出水管上的流量計(jì)可直接讀出冷卻水的流量大小，根據(jù)不同流量情況下對(duì)應(yīng)的焊縫組織和性能，確定最佳的噴淋工藝參數(shù)。

（2）噴淋工藝措施 根據(jù)X65和X70高強(qiáng)管線鋼典型的CCT（連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線）圖可知，合理控制冷卻速度，可避免馬氏體的出現(xiàn)，保證焊縫的韌性。當(dāng)焊接接頭在300℃以下時(shí)，無論多大的冷卻速度都不會(huì)導(dǎo)致馬氏體淬硬組織的出現(xiàn)，因此，此時(shí)噴淋流量可盡量大，以快速冷卻降溫，而不會(huì)降低焊接接頭的韌性。

試驗(yàn)過程中，首先將噴管支架架于兩根鋼管的接頭處，然后將噴管平穩(wěn)的放在支架上，打開水閥，并握緊噴管一端，在30°范圍內(nèi)前后轉(zhuǎn)動(dòng)噴管，以使鋼管沿軸向均勻冷卻。將水閥調(diào)至50~200L/min流量時(shí)，焊后2~5min開始噴淋，噴淋持續(xù)時(shí)間30~150s，可使海底管道焊接接頭從焊后180~200℃，起噴時(shí)刻的90~120℃迅速降至30~50℃。其冷卻曲線如圖5所示。

圖5 噴淋后的焊接接頭冷卻曲線

4. 結(jié)果分析

按照?qǐng)D2所示測(cè)試各點(diǎn)硬度并進(jìn)行金相組織分析，噴淋后的焊接接頭硬度、金相組織及CTOD值分別如表3、圖6、圖7和表4 所示。

表3 噴淋的焊接接頭硬度

圖6 F610mm×22.2mm鋼管接頭組織（試樣編號(hào)U4）

通過對(duì)比可知，采取試驗(yàn)中確定的流量來進(jìn)行冷卻，海底管道焊接接頭的金相組織、硬度及其斷裂韌性等指標(biāo)都基本相同，不會(huì)發(fā)生變化。

5. 結(jié)語

通過配備適用于鋪管船流水作業(yè)線工位設(shè)置的噴淋裝置，對(duì)照連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線圖，合理控制焊后噴淋時(shí)間，選取合適的噴淋工藝參數(shù)，可開發(fā)一套合理的噴淋工藝技術(shù)。采用該工藝，可使焊接接頭在1min內(nèi)快速冷卻至50℃以下，滿足海底管道焊后AUT快速探傷的要求。與未噴淋的焊接接頭相比較，噴淋后，海底管道焊接接頭的金相組織、硬度和斷裂韌性等指標(biāo)基本一致，對(duì)接頭性能未產(chǎn)生明顯影響，可確保焊接接頭的焊接質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

圖7 F610mm×22.2mm鋼管接頭組織（試樣編號(hào)U5）

表4 CTOD試件的斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果（5℃）