大壁厚CRA復合管海底管線的焊接檢驗管理

王偉越(中海石油技術檢測有限公司，天津 300452)

0 引言

海底管線是通過密閉的管線在海底連續地輸送大量油(氣)的管道，是海上油(氣)田開發生產系統的主要組成部分，也是目前最快捷、最安全和經濟可靠的海上油氣運輸方式。海底管線按輸送介質可劃分為海底輸油管線、海底輸氣管線、海底油氣混輸管線和海底輸水管線等，從結構上看可劃分為雙重保溫管線和單層管道線[5]。近年來，隨著對石油和天然氣需求的持續增長，海上油氣田開發逐漸向縱深及強腐蝕介質的油氣田轉移，常規普通碳鋼管已不能滿足開發需求。對于強腐蝕性油氣的運輸，常規的防腐措施包括添加緩蝕劑、采用塑料內涂層、采用耐腐蝕合金等單一方法，在耐腐蝕可靠性、經濟性指標上都難以平衡，難以滿足油氣田發展的需要。CRA復合管是以碳鋼管線作為基材，在管線內表面通過冶金復合或機械復合的方式形成厚度約3 mm的耐腐蝕復合層(包括不銹鋼和鎳基合金)。耐腐蝕復合層具有良好的耐腐蝕性能，碳鋼基材管線具有優異的機械力學性能，且造價成本低，從而使CRA復合管達到與耐腐蝕合金管相當的耐腐蝕性能，提高了管線安全級別，延長了使用壽命，同時具有相對耐腐蝕合金價格低廉的特點[1]。諸多優點有效地解決了強腐蝕性油氣的運輸問題，因此在海底管線中得到越來越多的應用，卡塔爾項目即是其中比較典型的應用。

1 卡塔爾項目中CRA復合管海底管線的特點

1.1 結構形式方面

在海油工程以往項目中，也有部分項目的海底管線采用CRA復合管，在管線結構方面，本項目的CRA復合管有兩個特點：一是復合形式不同，以往項目中的CRA復合管一般是通過機械復合的方式成型的，管線末端部分的耐腐蝕層通常是采用堆焊的方式形成的，而本項目的復合管是通過冶金復合的方式成型的；二是規格尺寸更大，以往的項目中CRA復合管管徑一般不超過14英寸，壁厚不超過20 mm，而本項目中的CRA復合管的管徑為20英寸，壁厚為28.4(25.4+3) mm和31.6(28.6+3) mm，大幅增加了焊接工作量。

1.2 質量要求方面

本項目的海底管線，建造參考標準是DNV-OS-F101，與常規的海底管線項目相同，但該項目存在一些特殊要求，使質量要求明顯嚴格，主要包括三方面：一是表面錯皮的要求，標準要求內表面錯皮不超過2 mm，而本項目要求是內外表面的錯皮都不能超過1 mm，對管線橢圓度、組對精確性和組對檢驗都提出了更高的要求；二是根部缺陷的驗收準則，標準規定在距離內表面4.5 mm范圍內，允許高度為1 mm、長度為25 mm的根部缺陷，而本項目的要求是，距離內表面6 mm的范圍內定義為根部區域，不允許任何面狀缺陷，也不允許對該區域進行任何返修，對焊接質量提出了更高的要求；三是AUT(全自動超聲波檢測)的缺陷定量方面，標準規定以高度為40%FSH(滿屏幕高度)的缺陷回波信號為缺陷長度測量的臨界高度，即只有回波信號達到40%FSH以上區域才計算在缺陷長度內，而本項目缺陷測長的臨界回波高度為20%FSH，使缺陷的測量長度大幅增加，進一步加劇了返修風險。

2 CRA復合管海底管線的檢驗管理

該項目CRA復合管的各項特點，導致了焊接難度和焊接工作量的大幅提升，同時也加大了質量檢驗工作的難度和工作量。為了保證焊縫質量，除了開發專用焊接工藝外，焊接的過程控制、過程檢驗、焊后檢驗以及整個檢驗過程的管理，都是必不可少的保障措施，本項目主要檢驗和管理措施包括：加強組對檢驗、焊接過程監控、打底焊接后的內表面檢驗、熱焊后RT檢驗、焊后AUT檢驗及返修后PT檢驗。

2.1 組對檢驗

本項目的焊縫接頭形式如圖1所示，鈍邊厚度為1.6～1.8 mm，坡口角度為10±1°，組對間隙為零。

(1)坡口加工完成后，需要首先對鈍邊厚度和坡口角度進行測量。鈍邊厚度必須控制在公差范圍內，否則會導致組對后錯皮要求無法滿足，也會加大封底焊接的難度；坡口角度過大，會增加焊接的工作量，而坡口角度過小，焊縫的強度將不滿足設計要求。

(2)坡口根部標記，即坡口加工完成后，采用劃線器，在距坡口鈍邊一定距離的管線外表面適當位置處劃線，根據劃線的位置，焊接完成后可以確定鈍邊位置，有利于后續AUT檢驗對根部缺陷的判別。

(3)外表面錯皮檢驗，即采用內對口器完成組對后，在封底焊接前采用焊接檢驗尺從管線外表面測量錯皮量，確保外表面錯皮量在允許誤差范圍內。

2.2 內表面檢驗

對于管線內部錯皮量的檢驗，以往項目中一般通過組對間隙將錯皮檢驗尺放入管線內部進行測量，但該項目中的焊接接頭不存在組對間隙，因此錯皮檢驗尺無法使用。為有效控制錯皮量以保證根部焊接質量，本項目在國內首次采用激光檢測內成像系統，通過該系統的使用，實現了焊縫內表面錯皮、凹陷、表面狀況等的有效檢驗，杜絕了后續因表面問題導致的返修。

該成像系統安裝在管線組對對口器上(如圖2所示)，管線組對就位后，先進行封底焊接，完成兩遍焊接后將對口器移出焊縫位置，將內成像系統置于焊縫根部區域，對焊縫內表面進行掃描和拍照，得出各位置處的錯皮信息以及表面凹陷信息，如果錯皮和內凹數值在項目要求范圍內，即錯皮不超過1 mm，焊縫內部余高不低于母材，則進行下一步的焊接工作，否則作切口處理，因為根部不允許進行任何返修。另外，還可以通過系統拍攝的照片，對根部表面狀況進行檢查，以發現諸如穿絲、燒穿等表面缺陷。

圖2 激光檢測內成像對口器

2.3 射線檢驗

本項目跟以往常規項目相比，由于存在焊接量大、焊接難度高、根部不允許返修等特點，為保證焊縫質量和工作效率，在熱焊區域(焊縫厚度為8～10 mm)完成后，進行射線檢驗以提前發現熱焊區域的缺陷，最大程度的降低因返修或者切口對整個作業線的影響。在各工程項目的海底管線檢驗中，本項目首次采用了CRT(即Computed Radiography Technology計算機射線成像，屬于數字射線技術的一種)，與常規射線檢驗相比，減少了膠片沖洗的時間，節約了檢驗時間。常規射線檢驗的膠片沖洗時間通常需要約15 min，而CRT的膠片掃描時間大約為2 min。

此次對熱焊區域進行CRT 檢驗采用的是中心曝光工藝[3]，透照布置如圖3所示。為保證檢驗的有效性，加強了三方面的管理：(1)透照工藝方面，由于缺少相關應用經驗，在工藝開發階段，通過反復試驗確定了最佳的曝光參數，同時解決了如何確保射線源處于焊縫圓周幾何中心的困難，因為母材厚度約為30 mm，而焊縫厚度約為10 mm，如果射線源不能處于焊縫圓周范圍內，將導致焊縫影像投射到母材中，因透照厚度太大而無法顯示焊縫影像，導致檢驗失敗(如圖4所示)；(2)人員資質方面，由于CRT技術與傳統RT技術在底片評判方面存在較大差異，需要有對應的專項資質證書以及操作評片軟件的技能，為確保人員技能水平，在項目開始前對評片人員進行技能考核；(3)加強與各方的溝通，保證業主和第三方代表共同參與和見證評片過程，第一時間確認我方評片結果的有效性，避免后續對評片結果的質疑。

圖3 中心曝光透照布置圖

圖4 射線源偏離焊縫圓周范圍導致檢驗失敗

2.4 焊接過程管理

與傳統管線相比，雙金屬復合管的焊接難度很大，特別是根部區域，易產生未熔合、裂紋等缺陷[4]。本項目采用TT焊接工藝，采用不銹鋼焊絲，為保證焊接質量，主要加強了四方面的管理：(1)在通過項目業主組織的技能考試的基礎上，項目開工前組織焊工利用項目管線材料進行大量實踐練習，焊接質量穩定后正式投入項目；(2)檢驗人員全程監控氬氣濃度和流量；(3)與業主和第三方代表共同確認焊前的預熱溫度和焊接過程中的層間溫度，溫度不符合要求時禁止焊接；(4)檢查電流大小、焊接速度以及擺寬數值，并做好相關記錄。

2.5 焊后NDT檢驗

焊接完成后，根據焊接工藝規定，焊縫空氣冷卻至120 ℃后即可進行水冷，冷卻至50 ℃以內即可進行AUT檢驗，為保證AUT高質高效地實施，檢驗團隊開展了以下工作：(1)工藝開發階段，通過邀請第三方機構的認證，以及業主方對工藝認證的現場見證，成功開發出適用的、獲得各方認可的AUT檢驗工藝和認證試塊；(2)項目開工前，檢驗團隊通過對一系列焊工練習試驗件進行檢驗，加強與設備的磨合，同時進一步熟悉檢驗工藝；(3)對產品焊縫進行檢驗時，要求業主和第三方代表共同見證包括數據評判在內的檢驗過程，并立即對檢驗結果進行確認，提高檢驗效率的同時避免了后續對結果的質疑[2]。

如果存在返修的情況，為保證返修的準確性和有效性，一方面在返修前對缺陷部位進行精確定位，并由AUT主操人員做好缺陷標記；另一方面在返修過程中，由QC人員對返修位置和深度進行確認，確認返修到位后，對返修部位進行PT檢驗，以確認缺陷清除干凈。

3 結語

通過分析卡塔爾海管項目中CRA復合管海底管線的特點，了解了由此帶來的焊接檢驗和質量保障方面的困難，為確保焊縫質量和施工效率，檢驗團隊在以往項目的基礎上，增加了內表面檢測、熱焊后RT檢驗等檢驗環節，同時加強了焊接過程和檢驗各環節的管理，為此次大壁厚CRA復合管焊縫的質量管理提供了保障。

通過各項措施的實施，該項目的AUT檢驗返修率為1.4%，其中切口率為0.4%，對于如此高難度、高要求的復合管焊縫，也算是很不錯的結果，除了歸功于焊工的技能水平外，也得益于檢驗團隊的有效管理。