中-緬海底管道焊接工藝評定

中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司（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。線路長度約5.56km，最大水深約22m，天然氣管道設計壓力10MPa，管道外徑1016mm×22.2mm，原油管道管徑813mm×19.1mm，管材X70。

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

2.海底管道焊接工藝技術

海底管道鋪設風險高、難度大，管材以低合金高強鋼為主，對焊接強度的要求很高。需要制定合適的焊接工藝技術，滿足焊縫的力學性能和低溫斷裂韌性。因此，在施工之前，按照工程要求及相關標準規定編制焊接工藝規程，對焊接工藝評定試驗提供指導。試驗后，根據焊接工藝評定結果對焊接工藝規程的相關內容進行修改，最終為實際施工中的焊接工藝提供依據。

焊接工藝規程中主要包含：焊接設備的選擇、焊材的匹配、焊接坡口的設計及焊接參數。

（1）焊接設備的選擇 選擇焊接設備是海底管道焊接工作中的重要環節，制約著焊接質量及效率，同時設備的穩定性和安全性也是一個重要因素。

依托中-緬海底管道項目的實際特點，采用STT表面張力焊打底，自保護藥芯半自動焊填充蓋面。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；自保護藥芯半自動焊效率高，電弧穩定性好。將兩種焊接方法結合起來，既能保證工程質量，又能加快工程進度。

由于海底管道處于海洋的特殊環境限制中，存在施工投資大，工程質量要求高，服役環境復雜多變的特點。在保證焊接質量的前提下，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，焊接必須在水汽環境中進行，要求設備盡可能具有抗潮濕性能。為滿足以上要求，比較和分析了國內外現有品牌的電源，選擇LINCOLN DC—400、STT等焊接電源，如圖1所示。

（2）焊材的匹配 根據項目中所選設備及管道材質，確定采用如表1所示的焊接材料進行焊接。

圖1 LINCOLN DC—400、STT焊接電源

表1 焊材選擇

（3）焊接坡口設計 考慮到本次項目選用同直徑、同壁厚鋼管對接，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，同時防止擴散氫無法及時排出，導致產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散氫的逸出，提高焊接質量。

圖2 坡口形式

（4）焊接參數 焊接之前需預熱，溫度為100～200℃，焊接方法為STT根焊、自保護藥芯焊絲半自動焊填充、蓋面，焊接試驗的焊接參數如表2所示。

表2 焊接參數

3.焊接工藝試驗

為了保證所選焊接工藝的焊接質量，按照API 1104，對焊縫進行無損檢測后，進行力學性能測試和斷裂韌性評價。通過試驗結果驗證并修正所選焊接工藝。

（1）焊縫外觀及無損檢測 焊接試驗完成后立即進行強制水冷，冷卻水流量為50L/min。24h后試件經外觀檢查合格，其內部質量經X射線探傷達到API 1104《管道及有關設施的焊接》中無損探傷驗收標準，評定合格。

（2）力學性能測試結果 試驗主要是根據中-緬海底管道項目技術規格書以及API 1104相關標準對材料特別是焊縫區域的強度、硬度、剛性、塑性和韌性等進行檢測，進而起到焊接工藝評定的作用，試驗結果如表3～表6所示。此外，側彎試驗和刻槽試驗均未發現裂紋，結果合格。

表3 典型的減截面拉伸試驗結果

表4 典型的全焊縫拉伸試驗結果

表5 典型的低溫夏比沖擊試驗結果（溫度－30℃）

表6 典型的HV10硬度試驗結果 （HV）

（3）斷裂韌性測試 由于焊接時熱循環過程不同導致組織性能不均勻，進而產生缺陷，故焊接接頭成為海底管道中的薄弱環節。加載時焊接缺陷處產生的應力集中，通常成為裂紋萌生的源頭或者轉化為裂紋擴展的推動力，導致結構強度大幅度下降，迅速發生災難性的破壞。因此，焊接接頭抗開裂性能的評價，對保證海底管道的安全使用更具現實意義。

根據標準BS7448，通過測試焊縫和熱影響區斷裂韌度CTOD值，對中-緬海底管道焊接進行斷裂韌性測試。試驗采取三點彎的形式，取樣位置和試樣尺寸如圖3、圖4所示，試驗結果如表7所示。

圖3 取樣位置

圖4 試樣尺寸

表7 CTOD試驗測試結果

4.結語

中-緬管道實際海上集輸工程中，海底管道全長5560m，累計焊接580道，最終返修24道，一次合格率達到95.9%。焊縫成形好，焊接質量高，達到了預期目標。

由于焊接工藝規程編制合理，施工計劃切合實際，各部門組織協調得當，因此該項目得以順利完工。在保證工程質量和施工安全的前提下，共計節約綜合成本850.1萬元，取得了明顯的經濟效益。