海管裝配組對找正焊接工藝探討

魏清波，陳建梅

(天津新港船舶重工有限責任公司，天津 300457)

海洋石油開采從20世紀40年代就已經開始，開采技術隨著時代的發展而日新月異。由于全球對海洋環境的重視及保護，人們對海上采油的要求更為嚴格。采出的原油需要運輸到陸地上，以往是利用FPSO油輪與采油平臺連接，原油輸送到FPSO油輪上，再運輸到陸地，一個平臺群需要配備幾艘油輪，運輸費用很大。

為了節省費用，現在普遍采用在海底鋪設石油管道。這種方式輸送原油效率高，由于石油管道是雙層管，中間帶有絕緣，起到了保溫的作用，有利于原油的流動，而且外管對內管起到保護的作用。為了防止出現泄漏，對海管的焊接提出了更嚴格的要求。

海管進廠焊接時為雙層管，長度一般為12 m，如果都在海上焊接，因為需要鋪管船、拖輪、起重船等很多輔助設施，費用很高。如果把海上焊接工作量中的一半用于陸地焊接，會節省很多費用。我廠從2013年開始至今，每年都要焊接近100 km的海管。海管焊接中，最有挑戰性的工作是2個對接管路的裝配組對找正，且保證施工組對時環焊縫的間隙。

1 管路組對找正難點

海管是雙層管路，我廠焊接的多為普通保溫海管和外覆混凝土保溫海管，如圖1所示。

圖1 海管結構示意圖

這2種海管焊接都需要內管對接焊，外管對接焊。對于焊接施工，我廠已經有成熟工藝，但是，對于海管焊接前的組對，確實是一個難點。組對時間縮短，會提高海管完工的時間，保證海管的焊接質量。內、外管坡口示意圖如圖2所示。

圖2 海管內、外管坡口示意圖

從圖2可以看出，海管組對時，兩外管及內管之間的距離不可超過2～4 mm。根據鋼管制作焊接標準，管子對接焊的錯邊量不大于管子壁厚的10%，且不大于1.5 mm。此項目海管壁厚為14.3 mm，錯邊一般不超過1.43 mm。傳統方法是使用對口器強制使一對管子坡口對正，會造成組對管子間隙達不到要求的2～4 mm，需要頻繁地使用吊車進行調整，費工費時，影響海管交工工期。現在我廠通過改進組對找正的工藝，調整了對口器的使用順序，大大提高了生產效率，并縮短了海管交工工期。

2 管路裝配組對找正焊接施工工藝

海管進我廠時是陸地運輸，在運輸過程中，由于支點的位置及陽光照射，會造成海管的變形，這都對組對找正造成影響。

2.1 海管胎架的找正

一般我廠焊接的這種海管需要2個滾輪托架(以下簡稱架輥)，也就是說每一對海管需要4個架輥。其中，只有1個架輥為主動輥，其余3個架輥為從動輥，每個架輥表面裝有橡膠，與海管之間有摩擦力，可通過摩擦力帶動海管轉動。4個架輥前后依次放置在托架上，間距根據海管的長度進行調節。使用2根外徑一致的鋼管，外徑大小類似海管的外徑，放置到架輥上，然后拉鋼絲進行調整。鋼絲需要拉2根，1根是在管子的正上方，1根是在管子的側面，與上方的鋼絲差90°，這就能保證鋼管的上下和左右的直線度，保證2根鋼管在同一軸心線上。量取上方鋼絲距鋼管外徑的垂直距離，每根鋼管量取3點，通過調整底座托起架輥使2鋼管外徑距上方鋼絲垂直距離相等。再量取側方的鋼絲距鋼管外徑的距離，也通過調整托架使距離相等，此時，2根鋼管在同一軸心線上。那么4個架輥就是同心了。調整同心度的目的是為了海管組對接后減小旋轉阻力。

但是，理論上來講，如果這種情況下，把海管放置到架輥上，海管同心后就可進行施焊作業，但是，由于海管是旋轉焊接，需要電機驅動主動架輥來帶動海管旋轉，那么如果海管外圓圓度不好的話，有可能主動架輥與海管外徑接觸不良，所以把主動架輥在同軸心位置的基礎上，上抬5～8 mm。通過實踐證明，該方案確實可行。

利用鋼絲拉線找正，量取上方鋼絲距鋼管外徑的垂直距離，必須考慮鋼絲的下垂量，其下垂量計算公式[1]：

Y=ρlL1(L-L1)/2M，

(1)

式中：Y為計算點的下垂量， m；ρl為鋼絲的線質量，kg/m；L1為計算點至基準點的距離，m；L為兩端基準點之間的距離，m；M為鋼絲掛物質量， kg。

2.2 海管組對找正

按照傳統方法進行找正，先把一側海管放置到架輥上。然后，利用吊車吊起另一海管，當與放置好的海管靠近時，兩人分別站在兩海管組對口對側，各持一楔塊插入組對口內，此時楔塊厚度為2.5 mm，然后吊車放下海管，安裝對口器，把緊。從過程看，這個工藝是可行的，但是在實際實施過程中，需要操作人員反復地調整海管才能達到要求。當第二根海管放置到架輥上時，2根海管之間的組對間隙并沒有保持2.5 mm，錯邊量超出范圍。海管本身有自重、且長，由于露天放置時風吹日曬，會造成海管的變形，海管的軸心線放置到架輥上時是呈柔性線，不會是一條直線，所以吊車把海管放到架輥上時，撤掉外力，發現組對間隙并沒有達到我們的要求。由于放置到主動架輥上的海管上抬了5～8 mm，此時放下的海管與主動架輥上的海管錯邊量是不可控的。如果此時上對口器，雖然對口器有把2根海管錯邊調正的作用，但是如果錯邊量超過對口器的極限，此時并不能把2根海管調正。需要把海管吊起重新找正，重復進行，直到組對間隙及錯邊量達到要求。

根據以往的施工經驗，我廠找出一簡便方法來進行海管的組對找正。首先，設計一楔塊，表面標有刻度，每個刻度差值為0.5 mm，每個刻度對應的楔塊厚度與刻度值相等，刻度一般是從1.5～8.0 mm。1根海管放置到架輥上，且其中1架輥應為主動架輥。吊起組對的另一根海管直接與在架輥上的海管無間隙靠嚴，或者有間隙，但不能超過要求的坡口間隙。此時，安裝對口器，但對口器不可完全緊固。此時，吊車放下海管，把吊點移至距一側海管端部1/3長度處起吊，海管起吊示意圖如圖3所示。

圖3 海管起吊示意圖

從圖3可知，海管起吊后呈傾斜狀態，那么在海管對口的正下方會形成間隙。然后根據要求的坡口間隙，插入楔塊，楔塊的刻度要與要求的組對間隙相一致，然后放下海管，把緊對口器，此時，兩海管的組對間隙及錯邊量都滿足技術要求。在放下海管時，由于對口器把兩海管相對固定，那么錯邊量不會出現變化，被放下的海管也不會向后側移動，也就是說對口器限制了組對間隙及錯邊量的變化。由于下方有楔塊定位，上方則會自然形成與下方一樣的間隙，保證了工藝要求，此時再把緊對口器，那么錯邊量及組對間隙均會在要求的范圍之內。

工藝改進有以下幾點好處。

1)每天組對數由20組提高到36組，生產效率提高了80%，大大縮短了海管施工的工期。

2)傳統方法組對，最少需要2人進行組對，現在，只需要1人進行組對就可以，節省了至少1人的工作量。

3)實現了錯邊量及間隙的可控性，保證了后續焊接質量的可靠性。

2.3 焊接

我廠施工海管的材質為X65，內外均為焊接管制成。組對焊接時采用封底加埋弧半自動焊接工藝。封底焊接設備為肯倍X450焊機，采用熔化極實芯焊絲封底，直徑為1.2 mm，型號：TM-60，為數字化短路過渡焊接。短路過渡焊接比較典型的是美國林肯公司的STT表面張力過渡焊，而我廠選用的為數字化短路過渡焊，屬于新一代焊機。填充及蓋面設備選用唐王MZ-630焊機，選用直徑3.2 mm的埋弧焊絲，型號：TSW-E40，埋弧焊劑為TF-210。一般海管焊接基地填充及蓋面設備采用美國林肯公司設備。從封底及填充蓋面總的成本來看，我廠選用的設備組合成本遠遠低于林肯設備組合成本。

此種封底焊接與其他焊接相比特點如下。

1)焊接時不需要襯墊即可完成焊接。

2)焊接質量探傷合格率為99.99%。

3)如果海管外徑橢圓，會造成錯邊大，錯邊量不大于4 mm的情況下，依然可以焊接成形。

4)坡口間隙在7 mm時，單面焊雙面成形。

5)全位置下行焊接。

6)短路過渡法熔敷效率高，低熱輸入量，生產成本低。

一般海洋鋪管船上的焊接使用自保護藥芯焊，這種焊接的最大弊端是煙塵大、飛濺大，導致工人的作業環境差，存在作業環境污染問題。我廠焊接海管是在廠房進行，選用此種焊絲就不合適了，所以用CO2氣體保護埋弧焊。此種焊接與其他焊接相比特點如下：煙塵小；我廠研制出可升降的焊接平臺，焊機可隨海管外徑調整高度，焊工勞動強度低；探傷合格率高，內管RT合格率及外管UT合格率均超過99.9%；設備成本低廉，但質量并沒有降低。

3 注意事項

在焊接過程中，還需要注意的是整個焊接回路的設計，4個架輥底部應用鋼板條連在一起，形成電流回路。但由于架輥表面是橡膠制成，絕緣不導電，所以在焊接海管時，需要在海管一端連接接地設施。先用一鐵夾夾緊海管，然后從鐵夾引1根150 mm2的電焊線到接地端子上。但是在實際施工過程中，海管是旋轉的，那么接地線就會隨著海管的旋轉而旋轉，幾圈過后，接地線會纏繞扭斷，所以，需要接地線的端部應不能隨著海管旋轉。

當海管轉動時，活套在海管上的接地端子是保持向下的，不會轉動。旋轉地線夾后端旋轉部分為銅質，與前端鋼質部分連接，既起到良好的導電作用，又降低制造成本。

4 結束語

本文對海管組對找正焊接工藝進行了介紹，為今后海管陸地工程提供了參考。隨著海洋工程的不斷推進及發展，海管工程的項目會不斷增加，而且為了節省海上裝配的成本，在陸地上的組對量不斷加大。在今后的生產過程中，還會對焊接工藝進行研究，提出更好的方案，提高焊接水平及質量，提高工作效率。