國際某大型管道工程海底管道段焊接工藝

周學深 楊澤亮 黃超 方海波 馬東山 陳超

1.概述

該項目海底天然氣管道起于海島西海岸的首站，向西北方向鋪設至聯絡站，線路長度約30km，路由區最大水深約50m，設計壓力9.7MPa。路由海域條件十分復雜，涉及到6種表層地質條件，5個斜坡，17段硬質障礙物，海流流速較大，全線采用鋪管船法進行海底管道的鋪設。

考慮到海底管道施工投入高，風險大的特點，在保證工程質量的前提下，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，是保證工程質量和施工進度的先決條件。

2.海底管道焊接工藝技術

為了避免海底環境對管道產生影響，故選擇合適的管材并制定相應的焊接工藝，以確保焊縫的力學性能達到API1104技術規范的質量要求。施工前，選定管材的鋼級并編制焊接工藝規程。

（1）管材的確定 根據管道的設計壓力、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備（見圖1）。

該自動焊接系統包括內焊機/對口器（見圖2），在管道內部固定管道端頭并對正管口，兩個焊機在管道外部同時進行打底焊，平均速度為570mm/min，焊接效率約是焊條電弧焊的6倍。通過遠程遙控系統，焊接小車從管外進行其他焊道的焊接，焊接工藝主焊道采用熔化極氣體保護焊（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 選擇與焊接設備及管材相匹配的焊接材料進行焊接，如表1所示。

圖1 Fronius TPS 3200型CRC管道全位置自動焊接設備

圖2 用內對口器進行管道對接

（4）焊接坡口設計 該項目以水平固定（5G位置）方式，對相同直徑及壁厚鋼管進行對接，為獲得較好的焊接質量及成形效果，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增加0.5～2.0mm。

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

3.焊接工藝評定

依照國際標準API1104評價焊接工藝的可靠性。

（1）無損檢測試驗 焊后對焊縫進行水冷降溫。24h后試件經外觀檢查合格，其內部質量經X射線探傷達到API1104《管道及有關設施的焊接》中無損探傷驗收標準，評定合格。

（2）力學測試結果 第一，拉伸試驗。抗拉強度為576MPa，斷裂位置位于母材，符合標準要求。

第二，彎曲測試。試樣彎曲180°后未產生裂紋，結果合格。

第三，刻槽試驗。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。測試最大硬度為256HV，符合標準要求。

無損檢測和力學性能試驗均符合標準要求，確保了該焊接工藝的焊接質量和可靠性，因此可以在實際工程項目中廣泛使用。

4.工程進展情況

中石油管道建設者克服諸多不利條件，艱苦奮戰，最終該項目海底管道工程順利完成海上連頭，實現海底管道的完美對接，管線被平穩安放到海床上。

該項目的順利完成，除了依靠部門間的通力合作，更依靠焊接工藝規程編制合理，保證了施工安全和工程質量，也提高了工作效率，縮減了工期，大大加快了海底管道鋪設進程，為陸管設計施工提供了保障，極大地降低了施工成本，向世界證明了中國海洋工程建設的技術實力。

5.結語

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

針對工程的特殊性和難點選擇合適的管材并編制了相應的焊接工藝，不僅保證了該項目管道工程海底管道段的管道強度及焊接質量，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

圖3 試件坡口形式