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渤海灣海底管道焊接及安全性控制技術(shù)研究

文檔作者： ?；⒗? 李春潤(rùn)1 2 王志堅(jiān)3 呂忠義3 張瀟3 關(guān)幼耕3 文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 2．中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司海工事業(yè)部		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月07日
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第36卷第5期 石油工程建設(shè) 25
?；⒗?，2，李春潤(rùn)L 2， 王志堅(jiān)3， 呂忠義3 張 瀟3，關(guān)幼耕3
(1．中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451；2．中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300451
3．中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司海工事業(yè)部，山東青島266555)
摘要：采用鋪管船法進(jìn)行海底管道的鋪設(shè)，要求鋪設(shè)速度快、焊接質(zhì)量高，文章根據(jù)工程要求，
結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通過(guò)開(kāi)展焊接工藝、噴淋工藝及CTOD斷裂力學(xué)安全性評(píng)價(jià)技術(shù)的研究，成功將鋪
管船法施工技術(shù)應(yīng)用于渤海灣NP1—29井組海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目中，由于技術(shù)先進(jìn)，工藝恰"-3，海上
施工工期大大縮短，質(zhì)量提高，并形成了一套完整、高效、經(jīng)濟(jì)、可操作性強(qiáng)的海底管道焊接和安
全性控制技術(shù)。
關(guān)鍵詞：海底管道； 焊接；噴淋工藝； CTOD值；安全性控制
中圖分類號(hào)：TE973．3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—2206(2010)05-0025-04
O 引言
海洋石油開(kāi)發(fā)具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。海
底管道作為一種典型的海洋油氣設(shè)施，其鋪設(shè)施工
通常要求以盡可能高的鋪設(shè)速度最大限度地縮短海
上工期，以減少工程總投入，縮短油氣田開(kāi)發(fā)周
期；同時(shí)海底管道鋪設(shè)還要求極高的鋪設(shè)質(zhì)量，以
最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)_l】。
在NP1—29井組海底管道鋪設(shè)施工項(xiàng)目中，由
于采用了先進(jìn)的焊接工藝和安全性控制技術(shù)，海上
施工工期大大縮短，質(zhì)量提高，并形成了一套完
整、高效、經(jīng)濟(jì)、可操作性強(qiáng)的海底管道焊接和安
全性控制技術(shù)。
1 海底管道焊接工藝技術(shù)
海底管道的管壁厚， 且材質(zhì)為低合金高強(qiáng)
鋼，同時(shí)焊接質(zhì)量要求很高。因此，對(duì)焊接工藝
技術(shù)的要求很高，尤其是焊縫力學(xué)性能指標(biāo)中的
低溫沖擊韌性。為使采用的焊接工藝達(dá)到API
1104技術(shù)規(guī)范的質(zhì)量要求，必然對(duì)焊接設(shè)備的選
擇、焊接材料的匹配、焊接工藝試驗(yàn)進(jìn)行深入研
究。
l-l 焊接設(shè)備
用于海上施工作業(yè)的焊接設(shè)備，一方面要考慮
設(shè)備的性能，另一方面還要考慮設(shè)備的可靠性和安
全性
鋪管船法進(jìn)行海底管道的鋪設(shè)，費(fèi)用高，對(duì)焊
接速度和質(zhì)量要求高，需進(jìn)行大規(guī)范、連續(xù)焊接，
這就要求所選擇的熔化極焊接設(shè)備，在負(fù)載持續(xù)率
為100％ 的情況下，具有較大的輸出功率，且性能
穩(wěn)定可靠；同時(shí)，在海面上作業(yè)，周圍的水汽環(huán)境
具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此，要求設(shè)備的抗潮耐濕性
要好；另外，由于焊接在鋪管船上進(jìn)行，設(shè)備的放
置和操作空間小，要求設(shè)備盡可能體積小，重量
輕。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外焊接電源很多，為滿足工程的使
用要求，項(xiàng)目組對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有品牌的電源進(jìn)行比
較、分析和試驗(yàn)，從中選擇確定了LINCOLN DC一
400、S1Tr等焊接電源。
1．2 焊材的匹配
通過(guò)對(duì)收集到的焊接材料進(jìn)行工藝性能和力學(xué)
性能對(duì)比篩選，確定采用如表1所示的焊接材料進(jìn)
行焊接工藝試驗(yàn)。
表1 焊接工藝試驗(yàn)用的焊材
焊道 型號(hào) 牌號(hào) 生產(chǎn)廠家
E6010 PIPELINER 6P+ LINC0LN
打底
ER70S-G JM一58 錦泰
E8O1O-P1 PIPELINER 8P+ LINC0LN
填充、蓋面
E81T8一G Primacore SW 一88P LINCOLN
￥ ￥ 羊 ￥ ￥
★ ★ ★
石油工程建設(shè) 2010年10月
1．3 焊接工藝試驗(yàn)
1．3．1 焊接工藝
根據(jù)依托工程的施工特點(diǎn)，結(jié)合施工單位現(xiàn)有
焊接設(shè)備的實(shí)際情況(無(wú)RMD焊接設(shè)備)，并結(jié)
合本課題的要求，采用以下幾種工藝組合。利用下
向焊方法進(jìn)行海底管道的焊接：
(1)S，rr打底+自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊填
充、蓋面。
(2)手工焊打底+自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊
填充、蓋面。
(3)手工焊打底+手工焊填充、蓋面。
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為API Std 1104 (2005年版)。
1．3．2 坡口型式
焊接過(guò)程中，采取同直徑、同壁厚鋼管對(duì)接，
鋼管水平固定(5G位置)方式。
對(duì)于手工焊打底，為方便焊工操作，提高焊
接質(zhì)量，采用如圖1所示60。V型坡口。由于纖
維素焊條具有較高的含氫量，若焊接產(chǎn)生的擴(kuò)散
氫無(wú)法及時(shí)排出，則容易出現(xiàn)延遲裂紋等焊接缺
陷。該坡口型式由于開(kāi)口較大，有利于焊接過(guò)程
中擴(kuò)散氫的逸出，因此對(duì)于焊接質(zhì)量的控制具有
較好的作用。
圖1 手工焊打底坡口不意
1．3．3 焊接參數(shù)
試驗(yàn)管按圖1所示開(kāi)坡口，預(yù)熱溫度為100～
200 oC，焊接方法為手工焊、S1Tr及RMD半自動(dòng)
根焊，手工焊和自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊填充、蓋
面，典型的焊接參數(shù)見(jiàn)表2和表3。
表2 典型的根焊焊接參數(shù)
焊材直徑 焊接電流 焊根焊方法 填充材料 極性 焊接方向 接 電壓 送絲速度 焊接速度 氣體流量
／mm ／A ／V ／(mm／min) ／(mr~min) ／(L／min)
手工 PIPELINER 6P+ 3．2 DCEN 下向 80～85 25～26 130～203
STT JM一58 1．2 DCEP 下向 55，38O 19 120～15O 68～114 l8～22
表3 典型的填充、蓋面焊接參數(shù)
填蓋方法 填充材料 焊材直徑／mm 極性 焊接方向 電流／A 電壓／V 送絲速度／(m／rain1 焊接速度／(mm／min)
手工 E8O108一P1 4．O DCEP 下向 l1O～116 25～26 13O～203
半自動(dòng) E81T8-G 2．O DCEN 下向 160～225 l9 6．O～8．O 68～114
1．3．4 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)
按照API 1 104(2005年版)，對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損
檢測(cè)后，加工試樣，進(jìn)行力學(xué)及其他性能測(cè)試，典
型的結(jié)果見(jiàn)表4～6。
表4 典型的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)
拉伸強(qiáng)度／MPa 642 633
斷裂位置 母材 母材
表5 典型的低溫夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)
缺 口位置 焊縫 熔合線 距熔合線 距熔合線 溫度
2mm 5 mm ，℃
沖擊功／J 82，94， 58，156， 128，196， 292，252，
- 30
l10 120 158 290
最小沖擊功，J 82 58 128 252 -30
平均沖擊功，J 95 1ll 161 278 —30
表6 典型的日 。硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)
測(cè)量點(diǎn) 日 1o值 測(cè)量點(diǎn) H 10值
1 166 9 157
2 172 1O 171
3 173 1l 178
4 153 12 177
5 134 13 159
6 146 14 177
7 l76 l5 l86
8 164 16 181
試驗(yàn)結(jié)果證明，各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，完成
的焊接工藝可以應(yīng)用于指導(dǎo)NP1—29井組海底管道
工程施工。為保證其質(zhì)量及安全性，在工藝試驗(yàn)中
邀請(qǐng)中國(guó)船級(jí)社的相關(guān)部門對(duì)工藝進(jìn)行全程監(jiān)控，
按CCS規(guī)定的技術(shù)規(guī)程，完成了焊接工藝的認(rèn)證。
2 噴淋工藝
采用鋪管船法進(jìn)行海底管道鋪設(shè)施工時(shí)，為保
第36卷第5期 牛虎理等：渤海灣海底管道焊接及安全性控制技術(shù)研究 27
證管道及時(shí)下水，提高施工效率，縮短施工周期，
在焊接完成后，需采用AUT (自動(dòng)超聲檢測(cè))立
即進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)， AUT的探頭適用工作溫度范圍
一般為O 50℃，而剛剛完成焊接的焊縫邊緣仍具
有很高的溫度。此時(shí)無(wú)法直接進(jìn)行檢測(cè)，因此，需
采取措施對(duì)焊縫進(jìn)行冷卻降溫。
目前，在采用鋪管船法進(jìn)行海底管道鋪設(shè)施工
時(shí)，國(guó)內(nèi)外均采用噴淋工藝對(duì)焊接接頭進(jìn)行冷卻處
理。即通過(guò)設(shè)計(jì)合理的噴淋裝置，利用冷水噴淋，
使焊接接頭得到快速冷卻，從而保證后續(xù)探傷環(huán)節(jié)
的順利進(jìn)行。但是，在高溫狀態(tài)下，冷水噴淋有可
能對(duì)焊縫組織進(jìn)行淬火處理．從而影響其金相組織
及接頭性能，因此，需通過(guò)試驗(yàn)研究，確定噴淋水
的流量等工藝參數(shù)，控制冷卻速度，使焊縫組織合
理，進(jìn)而保證接頭性能達(dá)到規(guī)范的要求。
2．1 噴淋裝置
進(jìn)行噴淋工作，首先需自行設(shè)計(jì)噴淋裝置。研
制的噴淋裝置如圖2所示。
1．噴頭；2．水閥1；3．出水管；4．調(diào)節(jié)螺栓；5．水箱；6．進(jìn)水管；
7．支架；8．水槽；9．水閥2；10．水泵；11．流量計(jì)；12．水閥3。
圖2 試驗(yàn)用噴淋裝置示意
2．2 噴淋措施
對(duì)于X65和X70高強(qiáng)管道鋼，其典型的CCT
(連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線)如圖3所示。
9oo
800
700
600
囂so0
贈(zèng)400
300
20O
100
7 10 100 1 0oo
冷卻時(shí)間／s(1 300℃開(kāi)始)
圖3 典型的高強(qiáng)管道鋼CCT圖
由圖3可知．合理控制冷卻速度，可避免馬氏
體的出現(xiàn)．保證焊縫的韌性。當(dāng)焊接接頭在300 qC
以下時(shí)，無(wú)論多快的冷卻速度都不會(huì)導(dǎo)致馬氏體埠
硬組織的出現(xiàn)，因此，此時(shí)噴淋流量可盡量大，以
快速冷卻降溫，而不會(huì)降低焊接接頭的韌性。
試驗(yàn)過(guò)程中，首先將噴管支架架于兩根鋼管
的接頭處，然后將噴管平穩(wěn)地放在支架上，打開(kāi)
水閥，并握緊噴管一端，在3O。角度范圍內(nèi)前后
轉(zhuǎn)動(dòng)噴管，以使鋼管沿軸向均勻冷卻。將水閥調(diào)
至2．4 ma／h流量時(shí)，噴淋時(shí)間4O～50 S，可使海底
管道焊接接頭從180～200 oC降至30℃ 。其冷卻
曲線如圖4所示。
25O
2【x】
足150
鬟lo0
50
0 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42
時(shí)間／s
圖4 噴淋后的焊接接頭冷卻曲線
通過(guò)對(duì)比經(jīng)自然冷卻與噴淋冷卻的焊接接頭硬
度及金相組織可知，采取試驗(yàn)中確定的流量來(lái)進(jìn)行
冷卻，三種規(guī)格的鋼管，其金相組織和硬度等都基
本相同，不影響焊接接頭的韌性。并且由于焊后進(jìn)
行噴淋時(shí)，接頭溫度已降至300 以下，可適當(dāng)
加大噴淋水的流量，以提高冷卻速度，保證施工效
率，其結(jié)果對(duì)接頭的性能不會(huì)產(chǎn)生影響。
3 質(zhì)量及安全性控制
海底管道作為一種典型的焊接結(jié)構(gòu)，其焊接過(guò)
程常常使焊接接頭的組織性能劣化及產(chǎn)生缺陷。而
焊接缺陷處有較大的應(yīng)力集中，在使用過(guò)程中往往
成為裂紋的源頭，而管道一旦從焊接接頭處發(fā)生斷
裂，常常是突發(fā)性和災(zāi)難性斷裂。由此看來(lái)，焊接
接頭是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)格評(píng)定其強(qiáng)度、壽
命和安全可靠性，對(duì)保證管道安全可靠的使用具有
重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文根據(jù)BS 7448t 】和API Std 1 104—2005[41
的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試焊縫和熱影響區(qū)斷裂韌度CTOD值．
并以此為依據(jù)，通過(guò)對(duì)冀東南堡油田NP1—29P至
NP1—2D海底油氣混輸管道焊接接頭鋪設(shè)階段的安
全性分析，確定了平面缺陷的允許尺寸，為管道
鋪設(shè)時(shí)缺陷的驗(yàn)收提供依據(jù)。由文獻(xiàn)[5]可知，
28 石油工程建設(shè) 2010年10月
C D試驗(yàn)結(jié)果和允許的平面缺陷合格尺寸分別見(jiàn)
表7和表8。
表7 Cm D試驗(yàn)各試樣測(cè)試結(jié)果
缺口位置 試樣編號(hào) CToD|mIn
01一W 一1 0．601 2
焊縫 01一W一2 O．617 1
01一W 一3 0．525 8
01一H—l 1．306 9
熱影響區(qū) 01一H一2 1．420 8
01一H一3 1-31O 1
表8 平面缺陷合格尺寸
表面缺陷 埋藏缺陷
缺陷高度／mm 缺陷長(zhǎng)度／ram 缺陷高度／mm 缺陷長(zhǎng)度／ram
0～ 1．905 67_31 0 1．905 67_31
1．905 ～ 5．O8 48．01 1．905 ～ 5．08 48．01
>5．O8 0 >5．O8 0
4 -r-業(yè)應(yīng)用情況
4．1 工程簡(jiǎn)介
冀東南堡油田NP1—29P至NP1—2D海底管道
項(xiàng)目(南堡1—29井組海上集輸工程)于2009年5
月初開(kāi)工鋪設(shè)。該工程包括如下海底管道：
(1)一條從NP1—29PRP至NP1—2D人工島海底
混輸管道，長(zhǎng)2．36km，內(nèi)管D 168．3mmX 12．7 mm，
外管D 323．9 mm X 14．3 mm，材質(zhì)X65的雙層保溫
管，設(shè)計(jì)壽命15年。
(2)一條從NP1—29WHPC至NP1—2D人工島
海底供水管道，長(zhǎng)2．45 km，D 168．3 mm×19．1 1Tim，
材質(zhì)X70的單層管，設(shè)計(jì)壽命15年。
由于鋪管船法具有較快的鋪設(shè)速度(大約是浮
拖法和牽引法的5～6倍)，焊接質(zhì)量平穩(wěn)可靠，
并且抗風(fēng)能力強(qiáng)(可抗陣風(fēng)1O級(jí))，綜合造價(jià)約
1 400～1 500萬(wàn)元 m．相對(duì)浮拖法和牽引法1 700～
1 800萬(wàn)元／km成本較低，再加上鋪設(shè)距離較短，
且冀東油田人工島場(chǎng)地有限，不適于建造岸邊臨時(shí)
場(chǎng)地，因此施工方?jīng)Q定租用中海油新改造的俊吳3
鋪管船進(jìn)行鋪設(shè)施工。
4．2 現(xiàn)場(chǎng)施工
現(xiàn)場(chǎng)焊接施工中，對(duì)于X65鋼混輸管道采用
《WPS一66》焊接工藝規(guī)程，X70注水管道采用
(WPS一67》焊接工藝規(guī)程。由勝利油田勝利建設(shè)監(jiān)
理有限責(zé)任公司進(jìn)行監(jiān)理，四川派普公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)
AUT探傷．施工依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為DNV—OS—F101(主規(guī)
范)和API l104 (焊接規(guī)范)。
4．3 應(yīng)用結(jié)果分析
NP1—29井組海上集輸工程中，共計(jì)完成注水
管道節(jié)點(diǎn)焊接190道，長(zhǎng)2 325 133，累計(jì)返修8道，
焊接一次合格率為95．8％ ；完成?昆輸管道節(jié)點(diǎn)焊接
184道，累計(jì)長(zhǎng)2 257 m，外管累計(jì)返修1道，內(nèi)
管累計(jì)返修3道，內(nèi)管焊接一次合格率為97．8％ ，
外管焊接一次合格率為98．8％ ，完全達(dá)到預(yù)期目
標(biāo)。
由于焊接施工工藝合理，組織得當(dāng)，該工程得
以順利進(jìn)行。并提前完成，共計(jì)節(jié)約租船、培訓(xùn)、
返修等綜合成本1 015．2萬(wàn)元，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)
效益。
5 結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)X65及X70管道鋼焊接性的分析，
按照API 1104和船級(jí)社規(guī)范要求，開(kāi)展了焊接工
藝技術(shù)研究，形成了一套適合于NP1—29井組海底
管道工程的焊接工藝技術(shù)。
(2)結(jié)合高強(qiáng)鋼的CCT曲線，設(shè)計(jì)研制了流
量可控的快速冷卻噴淋裝置，制訂出合理的噴淋工
藝，滿足了海底管道焊后AUT快速探傷的需要。
(3)依據(jù)API 1104和BS 7448標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)海底
管道焊接接頭的安全性進(jìn)行分析，確定了平面缺
陷的允許尺寸，為管道鋪設(shè)階段的安全性提供了
依據(jù)。
(4)通過(guò)技術(shù)研究，保證了“NP1—29井組集
輸工程” 的現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量，并使工程提前完成，焊
接合格率提高到98．8％，節(jié)約了租船、返修等大量
綜合成本，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[11李小巍．綏中36—1油田II期工程海底管道鋪設(shè)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和
應(yīng)用[J】．中國(guó)海上油氣(工程)，2001，13(1)：7-10．
【2]BS 7448：Part l：Method for determination of KIC，critical CTOD and
critical J values ofmetallic materials(1991)[s】．
【3】BS 7448：Part 2：Method for determination of KIC，critical CTOD and
critical J values of welds in metallic materials(1991)[S】．
『4】APIStd 1104，WeldingofPipelines andRelatedFacilities(2005)[S]，
【5]李春潤(rùn)，牛虎理，侯澤峰，等．南堡油田NP1—29P海底管道焊接接
頭安全性分析『JI．石油工程建設(shè)，2010，36(3)：37—4O．
作者簡(jiǎn)介：牛虎理(1978一)， 男， 河北石家莊人，工程師，
2005年畢業(yè)于天津大學(xué)，工學(xué)碩士， 現(xiàn)主要從事石油工程
焊接設(shè)備和技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作。
收稿日期：2010—05—31；修回日期：2010—07—26

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