中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司天津?yàn)I海分公司（300457）黃 超 胡鳳杰 賀 飛 楊澤亮 赫德明

1.概述

中-緬油氣管道工程海底輸氣管道位于干線的起始段，即起于馬德島附近海域，在馬德島與陸上管道相連，穿越Fletcher hayes海峽后，再次連接陸上管道。線路長(zhǎng)度約5.56km，最大水深約22m，天然氣管道設(shè)計(jì)壓力10MPa，管道外徑1016mm×22.2mm，原油管道管徑813mm×19.1mm，管材X70。

由于該項(xiàng)目投資大、難度高，最關(guān)鍵的工作是鋪管船上的焊接，為此制定一套高質(zhì)量、高效率的焊接工藝是保證鋪管質(zhì)量及項(xiàng)目進(jìn)度的先決條件。

2.海底管道焊接工藝技術(shù)

海底管道鋪設(shè)風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，管材以低合金高強(qiáng)鋼為主，對(duì)焊接強(qiáng)度的要求很高。需要制定合適的焊接工藝技術(shù)，滿足焊縫的力學(xué)性能和低溫?cái)嗔秧g性。因此，在施工之前，按照工程要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定編制焊接工藝規(guī)程，對(duì)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)提供指導(dǎo)。試驗(yàn)后，根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果對(duì)焊接工藝規(guī)程的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行修改，最終為實(shí)際施工中的焊接工藝提供依據(jù)。

焊接工藝規(guī)程中主要包含：焊接設(shè)備的選擇、焊材的匹配、焊接坡口的設(shè)計(jì)及焊接參數(shù)。

（1）焊接設(shè)備的選擇 選擇焊接設(shè)備是海底管道焊接工作中的重要環(huán)節(jié)，制約著焊接質(zhì)量及效率，同時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性也是一個(gè)重要因素。

依托中-緬海底管道項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，采用STT表面張力焊打底，自保護(hù)藥芯半自動(dòng)焊填充蓋面。STT表面張力焊打底速度快，單面焊雙面成形，易操作，焊縫RT通過率高；自保護(hù)藥芯半自動(dòng)焊效率高，電弧穩(wěn)定性好。將兩種焊接方法結(jié)合起來，既能保證工程質(zhì)量，又能加快工程進(jìn)度。

由于海底管道處于海洋的特殊環(huán)境限制中，存在施工投資大，工程質(zhì)量要求高，服役環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn)。在保證焊接質(zhì)量的前提下，海底管道焊接要求最大限度縮短工期，從而減少施工成本；同時(shí)，焊接必須在水汽環(huán)境中進(jìn)行，要求設(shè)備盡可能具有抗潮濕性能。為滿足以上要求，比較和分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有品牌的電源，選擇LINCOLN DC—400、STT等焊接電源，如圖1所示。

（2）焊材的匹配 根據(jù)項(xiàng)目中所選設(shè)備及管道材質(zhì)，確定采用如表1所示的焊接材料進(jìn)行焊接。

圖1 LINCOLN DC—400、STT焊接電源

表1 焊材選擇

（3）焊接坡口設(shè)計(jì) 考慮到本次項(xiàng)目選用同直徑、同壁厚鋼管對(duì)接，鋼管水平固定（5G 位置）的方式，為了得到較好的單面焊雙面成形效果，同時(shí)防止擴(kuò)散氫無法及時(shí)排出，導(dǎo)致產(chǎn)生延遲裂紋等焊接缺陷，為此選擇開口較大的坡口形式（見圖2），有利于焊接過程中擴(kuò)散氫的逸出，提高焊接質(zhì)量。

圖2 坡口形式

（4）焊接參數(shù) 焊接之前需預(yù)熱，溫度為100～200℃，焊接方法為STT根焊、自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊填充、蓋面，焊接試驗(yàn)的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

3.焊接工藝試驗(yàn)

為了保證所選焊接工藝的焊接質(zhì)量，按照API 1104，對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)后，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和斷裂韌性評(píng)價(jià)。通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證并修正所選焊接工藝。

（1）焊縫外觀及無損檢測(cè) 焊接試驗(yàn)完成后立即進(jìn)行強(qiáng)制水冷，冷卻水流量為50L/min。24h后試件經(jīng)外觀檢查合格，其內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線探傷達(dá)到API 1104《管道及有關(guān)設(shè)施的焊接》中無損探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定合格。

（2）力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)主要是根據(jù)中-緬海底管道項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書以及API 1104相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料特別是焊縫區(qū)域的強(qiáng)度、硬度、剛性、塑性和韌性等進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而起到焊接工藝評(píng)定的作用，試驗(yàn)結(jié)果如表3～表6所示。此外，側(cè)彎試驗(yàn)和刻槽試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)果合格。

表3 典型的減截面拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 典型的全焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 典型的低溫夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果（溫度－30℃）

表6 典型的HV10硬度試驗(yàn)結(jié)果 （HV）

（3）斷裂韌性測(cè)試 由于焊接時(shí)熱循環(huán)過程不同導(dǎo)致組織性能不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生缺陷，故焊接接頭成為海底管道中的薄弱環(huán)節(jié)。加載時(shí)焊接缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，通常成為裂紋萌生的源頭或者轉(zhuǎn)化為裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度下降，迅速發(fā)生災(zāi)難性的破壞。因此，焊接接頭抗開裂性能的評(píng)價(jià)，對(duì)保證海底管道的安全使用更具現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS7448，通過測(cè)試焊縫和熱影響區(qū)斷裂韌度CTOD值，對(duì)中-緬海底管道焊接進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試。試驗(yàn)采取三點(diǎn)彎的形式，取樣位置和試樣尺寸如圖3、圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

圖3 取樣位置

圖4 試樣尺寸

表7 CTOD試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.結(jié)語

中-緬管道實(shí)際海上集輸工程中，海底管道全長(zhǎng)5560m，累計(jì)焊接580道，最終返修24道，一次合格率達(dá)到95.9%。焊縫成形好，焊接質(zhì)量高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

由于焊接工藝規(guī)程編制合理，施工計(jì)劃切合實(shí)際，各部門組織協(xié)調(diào)得當(dāng)，因此該項(xiàng)目得以順利完工。在保證工程質(zhì)量和施工安全的前提下，共計(jì)節(jié)約綜合成本850.1萬元，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。