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1、绥中36-1二期海底管道铺设工程铺设新技术开发和应用李小巍(海洋石油工程股份有限公司)提 要 在海洋石油工程股份有限公司（COOEC）承揽的我国目前最长的、管径最大的双层原油外输管道铺设工程-渤海湾绥中36-1油田二期开发海底管道铺设工程中，由于采用了先进的焊接、检验、组对、坡口加工技术，使得管道铺设速度比原用铺设工艺提高了三倍多。新工艺、新技术的开发和应用首次实现了我国在海底管道铺设中焊接、检验、组对和坡口准备等关键环节的自动化和半自动化。其中，近期引起世界焊接业轰动的STT表面涨力焊技术也由COOEC率先在海底管道焊接中大规模成功使用，标志着高效、高质量的有间隙焊接打底工艺和技术进入了崭新
2、的阶段。本文将着重介绍工程中所采用的新的管道铺设技术和工艺在提高铺设速度和铺设质量中所起的作用，以及它们在海底管道铺设应用中的特点分析。 Summary In the Bohai Bay SZ36-1 Phase II Subsea pipeline construction and installation project the longest and largest dual pipeline in China, the pipe laying rate is three times faster than ever before due to the application of so
3、me advanced technologies in welding, inspection, line-up and bevel preparation. The development and application of the new processes and technologies enable the contractor of the project China Offshore Oil Engineering Corporation Ltd.(COOEC) to achieve the semiautomatic and automatic operations in w
4、elding, inspection, line-up and bevel preparation for the first time in the field of construction and installation of subsea pipeline. In those advanced technologies, the STT(surface tension transfer) welding process also has been widely and successfully used in the subsea pipeline project for the f
5、irst time by COOEC. The high welding travel speed and excellent weld quality of STT welding process in this project symbolizes the fire-new stage has arrived for the open gap root pass welding of subsea pipeline. This paper will mainly introduce these technologies in the aspects of improving product
6、ion rate and quality, and analyses their characters in the installation of subsea pipeline. 关键词 海底管道 STT表面涨力焊 自保护药芯焊 气动内对口器 液压动力坡口加工机 自动射线机Key words Subsea pipeline, Surface Tension Transfer Welding (STT), Inner Shield Flux Cored Welding, Pneumatic Internal Clamp, Pipe Facing Machine, Automatic Radi
7、ographic Machine1 前 言海上石油开发具有高投入、高风险的特点。而作为其中一部分的海底输油、输气管道铺设也不例外。海底管道铺设通常要求以最高的铺设速度来最大限度地缩短海上工期，以减少工程总投入和缩短油田开发周期。同时，海底管道铺设还要求很高的铺设质量以最大限度地降低风险。在渤海绥中36-1油田二期开发原油外输管道项目中，由于采用了新的工艺和技术，使得工期大大缩短、质量大大提高。此外，这些工艺的组合形成了一套完整的、高效的、高质量的、经济的、可操作性强的海底管道铺设焊接、检验方案。2 工程概述渤海绥中36-1油田二期开发原油外输管道联结海上中心平台和陆地终端，全长约70公里。管道
8、形式为双层，其中内管管径20英寸（508毫米）、管壁厚度15.9毫米、材质为API 5L X60；外管管径26英寸（660毫米）、管壁厚度12.7毫米、材质为API 5L X52。内外管单根长度为12米。管道的海上铺设由COOEC的滨海109号铺管船作业，双节点（Double joint）预制由于船体限制在陆地进行。3 铺设工艺描述3.1 工艺描述 坡口准备、焊口组对、焊接和焊口检验是海底管道铺设工程中影响铺管速度的最为重要的关键作业环节。铺设新技术和新工艺主要在这四个重要环节进行了改进。同时，通过增加双节点预制环节来减少海上工作量、提高铺管效率。内管工艺如下：1坡口准备采用现场坡口机加工方式
9、；2焊口组对采用气动自爬行内对口器；3焊接采用STT表面涨力焊和自保护药芯焊；4焊口检验采用自动射线机。外管工艺如下：1坡口采用钢管出厂形式；2焊口组对采用外对口器；3焊接采用STT表面涨力焊和自保护药芯焊；4焊口检验采用超声波探伤。对于双层海底管道来说，内管的坡口准备、组对、焊接、检验和保温等作业是决定铺管船上管道铺设速度的关键作业，同时也是新铺设工艺、技术应用的核心。因此，本文将主要针对内管的作业来阐述新工艺和新技术。3.2 铺管船上焊接站分布铺管船上焊接站的分布参见下图1：滨海1091#2#3#4#5#焊接站图1 焊接站分布图3.3 工序流程工序流程参见下图2： 管端坡口加工 管道陆地预
10、制接长（12米+12米）铺管船 铺管船上管道铺设管道射线机坡口加工机内对口器 图标说明图2 工序流程3.4 焊接站作业描述1#焊接站：进行内管的焊口组对和焊接；2#焊接站：外管移动；3#焊接站：内管焊口外观检验和RT检验、内管的保温、外管的组对和焊接；4#焊接站：外管防腐阳极安装；5#焊接站：外管UT检验和防腐。4 铺设新工艺和新技术4.1 坡口准备 内管坡口准备采用机加工方式。加工设备为美国Sabre公司的液压动力现场坡口加工机。坡口加工详图见图3。坡口机加工的优点在于：1 通过加工窄坡口来减少焊缝金属的填充量，从而缩短焊接时间。本工程中由于采用窄坡口形式，使得内管的焊接时间较采用标准坡口（
11、详见图4）缩短了20%；2 机加工坡口的尺寸精度高、管端垂直度好，使得组对精度和组对速度得到保证。高的组对精度为高质量的打底焊提供了保障；3 机加工的坡口表面光洁，减少坡口焊前打磨时间和保证焊接质量；4 现场坡口加工机自动化程度高，设置的坡口尺寸在铺设过程中始终如一；5 坡口加工速度快，单个坡口加工的全过程只用5分钟。306060 图3组合坡口 图4 标准坡口4.2 组对本工程前，组对均采用外对口器。采用外对口器进行组对的主要缺点在于： 1.由于采用手工组对，因此组对效率低。通常的组对时间为5分钟左右。 2.组对过程中，组对间隙等参数的调节为人工调节。这不仅使组对难度增加、增加组对时间，并且不
12、容易保证组对质量。本工程中，内管的组对采用气动自爬行内对口器。内对口器在铺设过程中始终放置在管子内部，在完成一个焊口的组对和根部焊接后行走到下一个管端。对口器在组对过程中的所有动作均由管子外部的有线控制盒进行遥控。这种对口器相比外对口器的优点在于： 1组对效率高，正常组对时间为15-30秒钟； 2组对精度高； 3一旦对口器调整完毕，高的组对精度可以在后续所有焊口组对中得到保证； 4对口器可以预先设置组对间隙，保证了组对精度和高的组对效率； 5. 组对过程的所有操作都通过遥控器完成； 6. 高的组对精度为后续的根部焊接提供了质量保证；4.3 焊接4.3.1 焊接方法 采用STT表面涨力焊封底，自
13、保护药芯焊填充和盖面。STT表面涨力焊是美国林肯公司90年代最新技术，采用STT表面涨力焊封底具有封底速度快、背面成型好、容易操作等特点，非常适合管道的封底焊接；自保护药芯焊具有焊接速度快、抗风能力强等特点，是取代传统手工向下焊的一种半自动焊接方法。4.3.2 新焊接工艺特点 STT表面涨力焊工艺特点:1.较世界上海底管道铺设采用的其它气体保护具有不需要焊接衬垫能完成打底焊的特点； 2.焊缝RT通过率超过99%；3.在坡口间隙和管口错皮量较大情况下，依然能完成单面焊双面成型；4.全位置焊接5.焊丝自动送进，焊接效率是纤维素下向焊的2倍；6.100%CO2气体保护，成本低。 自保护药芯焊工艺特点
14、:1.焊丝自动送进，焊接效率高2.焊缝金属熔敷速度最高达3.6公斤/小时（纤维素效率只有1.5公斤/小时）3.无须气体保护，抗风能力强，适合海上作业；4.焊缝机械性能满足-40C低温冲击韧性要求，更适合目前及将来对焊缝高强度、高的低温冲击韧性要求；5.全位置焊接；6.焊缝RT通过率超过99%；4.3.3 焊接参数工程中内管焊接工艺所选用的焊接参数见表1：表1 焊接参数填充金属焊接电流焊层焊接直径牌号电流极性电流方法(mm)背景峰值封底GMAW1.2JM-58DC(+)60- 80420-460填充FCAW2.0NR-207DC(-)240-280盖面FCAW2.0NR-207DC(-)220-
15、260表1 焊接参数（续）电压送丝气流量行走焊层速度气体速度(V)(in/min)类型(L/min)(mm/min)封底16-18120-150CO221-22120-150填充19-21100-120_100-160盖面18-2090-110_90-1104.3.4 焊接工艺评定试验数据典型的焊接工艺评定试验的力学性能参见表2：表2 力学性能抗拉强度缺口拉伸180侧弯试验-10冲击韧性值（J）（N/mm2）试验（压头直径90mm）平均值单个值（最小）590合格合格80(WM)271(FL)294(HAZ)48(WM)230(FL)294(HAZ)4.4 检验工程中内管的焊口检验采用了自动伽马
16、射线机，外管的检验采用超声波检验。其中，自动伽马射线机的暴光方式为360度圆周暴光，射线源为伽马。射线机由国内厂家根据COOEC的技术要求进行设计和制造。自动伽马射线机的功能主要包括：1射线机的行走通过管道外部的控制箱进行控制；2射线机在焊口处的定位通过焊口附近的定位源进行自动定位；3伽马源的出源和收源为自动控制；4射线机装有冷却装置，保证机器在管内温度不超过80度情况下正常使用；5焊口暴光一次完成，检验时间短；5 新工艺和新技术的效率分析5.1 作业时间采用新工艺和技术后内管主要作业时间参见表3：作业名称坡口加工焊口组对焊接检验时间（分钟）5130-325-75.2 焊接效率对比新焊接工艺与
17、纤维素下向焊工艺对于工程中内管焊接的焊接效率对照参见表4，其中焊接时间为两名焊工同时进行一道内管焊接的情况。表4 焊接效率对照表焊接工艺电弧时间（分钟）全部焊接过程（分钟）新工艺21-2230-32纤维素下向焊38-4460-705.3 新工艺在管道铺设效率上与旧工艺的比较5.3.1 说明 新工艺在管道铺设效率上与旧工艺的比较是针对渤海湾绥中36-1油田二期开发海底管道铺设工程进行的。5.3.2 铺管船日管道铺设效率 旧工艺每日最多能铺设12米长的双层管段15根；新工艺在工程中实现了最多每日能铺设68根。6 结 论 1. STT表面涨力焊和自保护药芯焊在海底管道铺设焊接中是一种高效和高质量的焊接方法； 2. STT表面涨力焊是进行有开口间隙根部焊接的最佳焊接方法； 3. 可预设坡口间隙的气动自爬行内对口器与STT表面涨力焊的组合是目前进行有开口间隙根部焊接的最佳方案；4. 坡口机加工、气动自爬行内对口器、STT表面涨力焊、自保护药芯焊和自动伽马射线机的组合是一套完整的、高效、高质量、经济的、可操作性强的海底管道铺设组对、焊接、检验方案。