雙金屬復合海底管道環焊縫坡口開發技術

何光華，王曉峰

(1.中國船級社 上海分社，上海 200135；2.海隆石油工業集團有限公司，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脈的傳統碳鋼海底管道已不能滿足使用要求，為解決這個問題，研制了耐腐蝕的碳鋼管內襯抗腐蝕材料管的雙金屬復合海底管道，在實際工程應用中發現，海上鋪設過程中其環焊縫側壁未熔合缺陷多，返修量大，影響施工進度；而且鋪管船施工日費率高，浪費成本。初步認為未熔合形成的主要原因可能是焊縫區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、識別出雙金屬復合海底管道的環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合管道[1]。碳鋼管道按照生產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。耐腐蝕合金復合管[2]按照制造工藝一般分為冶金復合管和機械復合管。

海底管道使用專用鋪管船進行海上鋪設，為提高生產效率，海底管道采用自動焊接，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個自動焊機對稱完成，每個焊機上由2個焊槍進行焊接，打底焊道與熱焊道之間的間隔時間不能超過焊接工藝規范要求的時間，碳鋼海底管道一般不超過9 min。焊道層間可進行微打磨，蓋面焊道可允許將表面飛濺及凹凸不平處進行打磨。

海底管道海上鋪設是受多方面因素影響的復雜工程，鋪到海底后，一旦發現質量問題，再行修復就十分困難，因此，在海底管道鋪設到海底之前，要嚴把質量關，主要是焊接質量，通過AUT無損探傷發現焊接缺陷，及時修復，同時要優化焊接關鍵參數、提高焊接質量，避免產生需要修復的缺陷。

2 焊接缺陷分析

南海某8 in雙金屬復合海底管道項目管段海上鋪設采用傳統碳鋼海底管道對接環焊縫坡口形式，見圖1。

圖1 6°坡口形式

對海上鋪設生產線施工過程中發現的缺陷進行統計，共367根復合海底管道，加上海底管道起始段和終端兩段短管共計368道環焊縫，缺陷焊縫統計見表1。

由表1可見，368道環焊縫中共15道焊縫缺陷需要切管返修，353道環焊縫未發現需要返修的缺陷，整條海底管道一次焊接合格率95.9%。已發現的15道焊縫缺陷中的11道是未熔合缺陷，占總缺陷量的比例為73%，是影響焊接質量的關鍵因素[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合在一起的缺陷。未熔合缺陷種類一般分根部未熔合、側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。經對現場焊接過程進行調查，焊縫區無油膜，焊道層間進行打磨，無過量氧化物存在，熱輸入量和焊接速度符合焊接工藝規范要求。因此，初步判斷坡口型式是產生未熔合缺陷的主要因素，發生未熔合缺陷的坡口形式如圖1所示。為驗證這個判斷，對不同坡口角度進行對比試驗。

表1 南海某雙金屬復合海底管道 項目復合管施工缺陷統計

3 坡口角度對比試驗

對不同坡口角度進行對比試驗。焊接坡口角度設定見表2。

表2 焊接坡口角度設定

對坡口角度分別為6°、8°、10°、12°、14°和16°的多個試件進行焊接，并對焊接試件的環焊縫焊道進行自動超聲波無損檢測，發現了焊縫中存在部分側壁未熔合缺陷，并對未熔合缺陷的大小和位置進行判斷，把缺陷位置進行多次切剖，對切面進行了金相處理，發現側壁未熔合缺陷，同時也驗證了自動超聲波檢驗出的焊接缺陷位置和實際通過切剖確定的缺陷所在位置的一致性。

發現坡口角度6°的試件發生側壁未熔合缺陷，缺陷深度11.7 m，缺陷長度為48 mm，自動超聲波檢測結果見圖2，缺陷切面金相見圖3。

圖2 6°坡口自動超聲波檢測截圖(mm)

圖3 6°坡口缺陷切面圖(mm)

坡口角度8°的試件發生側壁未熔合缺陷，缺陷深度10.6 mm，缺陷長度131 mm，自動超聲波檢測結果見圖4，缺陷切面金相見圖5。

圖4 8°坡口自動超聲波檢測截圖(mm)

圖5 8°坡口缺陷切面圖(mm)

坡口角度10°的試件發生側壁未熔合缺陷，缺陷深度2.2 mm，缺陷長度68 mm，自動超聲波檢測結果見圖6，缺陷未能準確切出并進行金相處理。坡口角度12°、14°和16°的試件自動超聲波檢測結果見圖7，都未發現側壁未熔合缺陷。

圖6 10°坡口自動超聲波檢測截圖(mm)

圖7 12°及14°和16°坡口自動超聲波檢測截圖(mm)

對比試驗結果發現，在保證焊接效率的情況下，按照焊縫寬度增加擺動寬度和焊槍在坡口兩側停留時間，自動超聲波檢測到的未熔合缺陷在坡口角度12°及14°和16°的焊接試驗中未發現，同時為了減少焊絲填充量，進一步優化減少坡口中的R角，在試驗條件下，選用坡口角度12°U形焊縫作為后續實際工程項目的推薦使用坡口角度，見圖8。

圖8 12°坡口型式

4 焊接工藝評定

按照圖8所示的焊接坡口形式，根據DNV-OS-F101[4]和《材料與焊接規范》[5]的要求，對12°U形焊接坡口形式的雙金屬復合海底管道進行焊接工藝評定，焊接工藝規范關鍵參數見表4。

表4 焊接工藝規范關鍵參數

評定主要流程如下。

1)編制焊接工藝計劃書，包括母材牌號、級別、厚度和交貨狀態，焊接材料的型號、等級和規格，焊接設備的型號和主要性能參數，坡口設計，焊道布置及焊接順序，焊接位置，焊接規范參數等主要內容。

2)進行焊接試件的準備、焊接、無損探傷和相關試驗。

3)編制焊接工藝試驗報告，包括母材和焊接材料相關信息、焊接參數、試樣試驗結果等。

4)根據焊接工藝試驗報告，編寫適用于工程項目需要的完整焊接工藝規程。

5 工程實際應用

將坡口角度12°U型焊縫坡口(圖8)應用于東海某海上8in雙金屬復合海底管道項目施工，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339道環焊縫，自動超聲波檢測缺陷統計見表5。

表5 東海某雙金屬復合海底管道項目復合管施工缺陷統計

由表5可見：339道環焊縫中共11道焊縫缺陷需要切管返修，328道環焊縫未發現需要返修的缺陷，整條海底管道一次焊接合格率96.8%。已發現的11道焊縫缺陷中的3道是未熔合缺陷，占總缺陷量的比例為27.3%，未熔合缺陷比例大幅下降，說明焊接坡口角度采用12°在實際工程應用中能夠大幅度降低未熔合缺陷的數量，減少海底管道切管返修數量，提高一次焊接合格率，加快施工進度，節約施工成本。

6 結論

海底管道環焊縫采用12°坡口角度時焊接未熔合缺陷數量少，根據管材不同壁厚，調整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用到同類工程項目，提高海底管道施工效率和質量。