雙金屬復(fù)合海底管道環(huán)焊縫坡口開發(fā)技術(shù)

何光華，王曉峰

(1.中國船級(jí)社 上海分社，上海 200135；2.海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司，上海 200949)

隨著具有腐蝕性的油氣資源不斷開采，作為海洋油氣資源輸送大動(dòng)脈的傳統(tǒng)碳鋼海底管道已不能滿足使用要求，為解決這個(gè)問題，研制了耐腐蝕的碳鋼管內(nèi)襯抗腐蝕材料管的雙金屬復(fù)合海底管道，在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，海上鋪設(shè)過程中其環(huán)焊縫側(cè)壁未熔合缺陷多，返修量大，影響施工進(jìn)度；而且鋪管船施工日費(fèi)率高，浪費(fèi)成本。初步認(rèn)為未熔合形成的主要原因可能是焊縫區(qū)有油膜或過量的氧化物、坡口熱輸入不夠、坡口太寬、坡口角度太小、焊接速度太快等。需要確定、識(shí)別出雙金屬復(fù)合海底管道的環(huán)焊縫未熔合的原因并提出解決方案。

1 海底管道介紹

海底管道管體材料一般分碳鋼管道和耐腐蝕合金復(fù)合管道[1]。碳鋼管道按照生產(chǎn)工藝劃分一般分為高頻電阻焊鋼管、埋弧焊鋼管，以及無縫鋼管。耐腐蝕合金復(fù)合管[2]按照制造工藝一般分為冶金復(fù)合管和機(jī)械復(fù)合管。

海底管道使用專用鋪管船進(jìn)行海上鋪設(shè)，為提高生產(chǎn)效率，海底管道采用自動(dòng)焊接，一般分4道工序完成，分別是打底焊道、熱焊道、填充焊道，以及蓋面焊道，每道工序由2個(gè)自動(dòng)焊機(jī)對(duì)稱完成，每個(gè)焊機(jī)上由2個(gè)焊槍進(jìn)行焊接，打底焊道與熱焊道之間的間隔時(shí)間不能超過焊接工藝規(guī)范要求的時(shí)間，碳鋼海底管道一般不超過9 min。焊道層間可進(jìn)行微打磨，蓋面焊道可允許將表面飛濺及凹凸不平處進(jìn)行打磨。

海底管道海上鋪設(shè)是受多方面因素影響的復(fù)雜工程，鋪到海底后，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，再行修復(fù)就十分困難，因此，在海底管道鋪設(shè)到海底之前，要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，主要是焊接質(zhì)量，通過AUT無損探傷發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，及時(shí)修復(fù)，同時(shí)要優(yōu)化焊接關(guān)鍵參數(shù)、提高焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生需要修復(fù)的缺陷。

2 焊接缺陷分析

南海某8 in雙金屬復(fù)合海底管道項(xiàng)目管段海上鋪設(shè)采用傳統(tǒng)碳鋼海底管道對(duì)接環(huán)焊縫坡口形式，見圖1。

圖1 6°坡口形式

對(duì)海上鋪設(shè)生產(chǎn)線施工過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共367根復(fù)合海底管道，加上海底管道起始段和終端兩段短管共計(jì)368道環(huán)焊縫，缺陷焊縫統(tǒng)計(jì)見表1。

由表1可見，368道環(huán)焊縫中共15道焊縫缺陷需要切管返修，353道環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)需要返修的缺陷，整條海底管道一次焊接合格率95.9%。已發(fā)現(xiàn)的15道焊縫缺陷中的11道是未熔合缺陷，占總?cè)毕萘康谋壤秊?3%，是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素[3]。未熔合是指焊縫金屬與母材金屬，或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷。未熔合缺陷種類一般分根部未熔合、側(cè)壁未熔合和層間未熔合。焊縫未熔合缺陷形成的主要原因一般為焊縫區(qū)有油膜或過量的氧化物、坡口熱輸入不夠、坡口角度太小、焊接速度太快等。經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接過程進(jìn)行調(diào)查，焊縫區(qū)無油膜，焊道層間進(jìn)行打磨，無過量氧化物存在，熱輸入量和焊接速度符合焊接工藝規(guī)范要求。因此，初步判斷坡口型式是產(chǎn)生未熔合缺陷的主要因素，發(fā)生未熔合缺陷的坡口形式如圖1所示。為驗(yàn)證這個(gè)判斷，對(duì)不同坡口角度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

表1 南海某雙金屬復(fù)合海底管道 項(xiàng)目復(fù)合管施工缺陷統(tǒng)計(jì)

3 坡口角度對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)不同坡口角度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。焊接坡口角度設(shè)定見表2。

表2 焊接坡口角度設(shè)定

對(duì)坡口角度分別為6°、8°、10°、12°、14°和16°的多個(gè)試件進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接試件的環(huán)焊縫焊道進(jìn)行自動(dòng)超聲波無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了焊縫中存在部分側(cè)壁未熔合缺陷，并對(duì)未熔合缺陷的大小和位置進(jìn)行判斷，把缺陷位置進(jìn)行多次切剖，對(duì)切面進(jìn)行了金相處理，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷，同時(shí)也驗(yàn)證了自動(dòng)超聲波檢驗(yàn)出的焊接缺陷位置和實(shí)際通過切剖確定的缺陷所在位置的一致性。

發(fā)現(xiàn)坡口角度6°的試件發(fā)生側(cè)壁未熔合缺陷，缺陷深度11.7 m，缺陷長(zhǎng)度為48 mm，自動(dòng)超聲波檢測(cè)結(jié)果見圖2，缺陷切面金相見圖3。

圖2 6°坡口自動(dòng)超聲波檢測(cè)截圖(mm)

圖3 6°坡口缺陷切面圖(mm)

坡口角度8°的試件發(fā)生側(cè)壁未熔合缺陷，缺陷深度10.6 mm，缺陷長(zhǎng)度131 mm，自動(dòng)超聲波檢測(cè)結(jié)果見圖4，缺陷切面金相見圖5。

圖4 8°坡口自動(dòng)超聲波檢測(cè)截圖(mm)

圖5 8°坡口缺陷切面圖(mm)

坡口角度10°的試件發(fā)生側(cè)壁未熔合缺陷，缺陷深度2.2 mm，缺陷長(zhǎng)度68 mm，自動(dòng)超聲波檢測(cè)結(jié)果見圖6，缺陷未能準(zhǔn)確切出并進(jìn)行金相處理。坡口角度12°、14°和16°的試件自動(dòng)超聲波檢測(cè)結(jié)果見圖7，都未發(fā)現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷。

圖6 10°坡口自動(dòng)超聲波檢測(cè)截圖(mm)

圖7 12°及14°和16°坡口自動(dòng)超聲波檢測(cè)截圖(mm)

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在保證焊接效率的情況下，按照焊縫寬度增加擺動(dòng)寬度和焊槍在坡口兩側(cè)停留時(shí)間，自動(dòng)超聲波檢測(cè)到的未熔合缺陷在坡口角度12°及14°和16°的焊接試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)，同時(shí)為了減少焊絲填充量，進(jìn)一步優(yōu)化減少坡口中的R角，在試驗(yàn)條件下，選用坡口角度12°U形焊縫作為后續(xù)實(shí)際工程項(xiàng)目的推薦使用坡口角度，見圖8。

圖8 12°坡口型式

4 焊接工藝評(píng)定

按照?qǐng)D8所示的焊接坡口形式，根據(jù)DNV-OS-F101[4]和《材料與焊接規(guī)范》[5]的要求，對(duì)12°U形焊接坡口形式的雙金屬復(fù)合海底管道進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，焊接工藝規(guī)范關(guān)鍵參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝規(guī)范關(guān)鍵參數(shù)

評(píng)定主要流程如下。

1)編制焊接工藝計(jì)劃書，包括母材牌號(hào)、級(jí)別、厚度和交貨狀態(tài)，焊接材料的型號(hào)、等級(jí)和規(guī)格，焊接設(shè)備的型號(hào)和主要性能參數(shù)，坡口設(shè)計(jì)，焊道布置及焊接順序，焊接位置，焊接規(guī)范參數(shù)等主要內(nèi)容。

2)進(jìn)行焊接試件的準(zhǔn)備、焊接、無損探傷和相關(guān)試驗(yàn)。

3)編制焊接工藝試驗(yàn)報(bào)告，包括母材和焊接材料相關(guān)信息、焊接參數(shù)、試樣試驗(yàn)結(jié)果等。

4)根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)報(bào)告，編寫適用于工程項(xiàng)目需要的完整焊接工藝規(guī)程。

5 工程實(shí)際應(yīng)用

將坡口角度12°U型焊縫坡口(圖8)應(yīng)用于東海某海上8in雙金屬復(fù)合海底管道項(xiàng)目施工，共焊接了338道焊縫，加上海底管道起始段和終端兩段短管共計(jì)339道環(huán)焊縫，自動(dòng)超聲波檢測(cè)缺陷統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 東海某雙金屬復(fù)合海底管道項(xiàng)目復(fù)合管施工缺陷統(tǒng)計(jì)

由表5可見：339道環(huán)焊縫中共11道焊縫缺陷需要切管返修，328道環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)需要返修的缺陷，整條海底管道一次焊接合格率96.8%。已發(fā)現(xiàn)的11道焊縫缺陷中的3道是未熔合缺陷，占總?cè)毕萘康谋壤秊?7.3%，未熔合缺陷比例大幅下降，說明焊接坡口角度采用12°在實(shí)際工程應(yīng)用中能夠大幅度降低未熔合缺陷的數(shù)量，減少海底管道切管返修數(shù)量，提高一次焊接合格率，加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本。

6 結(jié)論

海底管道環(huán)焊縫采用12°坡口角度時(shí)焊接未熔合缺陷數(shù)量少，根據(jù)管材不同壁厚，調(diào)整R角和坡口根部間隙來減少焊絲填充量，可降低成本。圖8所示坡口型式可推廣應(yīng)用到同類工程項(xiàng)目，提高海底管道施工效率和質(zhì)量。