CN102848048B - 管线焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管线焊接方法，包括以下步骤：步骤1：对焊接接头进行加工与装配，形成正确的焊接接头形式；步骤2：选用GTAW+SMAW组合的焊接方法进行焊接；步骤3：对完成的焊接接头进行焊后热处理。本发明根部选用抗裂性能较好的焊接材料，并且选用GTAW焊接方法，有效抑制根部的裂纹倾向。对焊接接头的强度采用两种焊材的组合强度进行保证，该接头的整体强度高于母材的强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度/超高强度钢管的焊接工艺，具体地说是用于深水/超深水海洋钻机上的低合金高压管线的整体焊接工艺方案。
背景技术
目前，石油界对海洋油气的投资越来越大，特别是深海与寒冷海域石油的勘探开发的重要性和战略地位越来越受到业界关注。钻井装置是海洋钻井平台的核心装置，对于深水以及超深水海洋钻井平台，由于作业水深与钻井深度的要求，与泥浆/水泥/节流/压井/井控等系统有关的高压管道必须采用超高强钢管才能满足使用要求。
其中，超深水（Ultra-DepthWater，简称UDW）和超深井钻井(Ultra-DepthDrilling，简称UDD)是近十余年来海洋石油钻井不断向深水和深地层钻井而形成、用以界别普通深水和普通钻井井深区别的概念。一般以≥400m-≤1500m为深水，≥1500m（或5,000ft）为超深水(UDW）；一般钻井深度能力≥15,000ft(即4,500m)-≤25,000ft(即7,620m)为深井钻井；≥25,000ft(即≥7,620m)为超深井钻井（UDD)。
该类管线在使用中主要具有以下特点：（1）主要用于高压泥浆和水泥的输送，为钻井系统的主要管线，一旦失效将可能导致钻井作业的停止，造成巨大的经济损失；（2）此类管线设计压力最低的为7500PSI（52MPa），其中过半管道达到15000PSI（103MPa），属于超高压管线范畴，且位置处于平台的中心区域，一旦发生断裂将造成重大灾难；（3）该类平台的设计年限一般至少为25年，投产后将在深海长期服役，对此类管线虽然有非常严格的定期检查制度，但能够进行维护和维修的机会很少。
使用过程中，此类管线必须保证以下基本要求，焊接接头的整体性能也必须满足这些要求：（1）由于承受着超高压力，因此必须保证材料具有满足要求的最低屈服强度与抗拉强度；（2）运行过程中有可能承受周期性动载荷并承受水锤冲击，因此必须保证其优良的断裂力学性能；（3）由于输送介质具有腐蚀性，因此必须具有抗H2S腐蚀的性能；（4）工作于北海海域的平台需要在寒冷环境作业，这部分平台一般设计工作温度至少为-20℃，因此这部分高压管线必须具有优良的低温冲击韧性。
相对于其他的船舶与海洋工程管线的安装焊接，该类管线在安装焊接过程中主要具有以下特点：（1）焊接位置多变，特别是在现场焊接过程中，涉及所有可能发生的焊接位置，这其中包括在各种障碍情况下的焊接；（2）焊接环境多变，有可能需要在-20℃的寒冷冬季环境下进行焊接，有可能需要高空作业；（3）由于所焊接的母材为超高强调质钢，同时壁厚较厚，因此焊缝的断裂倾向较大；（4）该部分管线的焊接与检验要求在所有项目的技术规格书与行业规范中，这包括ASME、API、NORSOK等标准在内的多项国际行业标准的要求，均按照最高等级要求对待，需要进行100%的伽玛射线探伤与磁粉探伤，并以最高质量等级或超出最高质量等级的标准来进行焊缝质量的评定。
综上所述，此类管线在焊接过程中的质量难以保证其稳定性，在使用过程中又必须保证绝对的安全性，所以又必须满足最严格的质量要求。虽然对于超高强度钢的焊接已有大量的成功实践，但是对于需要在各种严酷的施工条件下进行焊接，需要满足如此多的性能要求，并要保证施工质量的稳定性，这就对焊接施工工艺，焊接过程质量控制与评价有非常高的要求，目前此类工程实践成功经验非常缺乏。
发明内容
本发明提出一种管线焊接方法，以解决现有技术焊接过程中的质量难以保证其稳定性的缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种管线焊接方法，包括以下步骤：
步骤1：对焊接接头进行加工与装配，形成正确的接头形式；
步骤2：选用GTAW+SMAW组合的焊接方法进行焊接；
步骤3：对完成的焊接接头进行焊后热处理。
其中，所述管线的材料的化学成分范围为（％）：C：≤0.35，Mn：≤1.05，P：≤0.04，S：≤0.04，Si：≤1.00，Cr：≤2.75，Mo：≤1.50,V≤0.30；机械性能要求为：抗拉强度：≥620MPa，屈服强度：≥415MPa，伸长率：≥17%，断面收缩率：≥35%，硬度(HRC)：≤22，冲击韧性最高要求：-30℃下≥42J。
其中，于步骤1中，所述的坡口形式为：坡口根部间隙为1-4mm，根部钝边为0-1mm，坡口宽度为0.7-1.5倍的管道壁厚。
其中，于步骤2中，首先使用GTAW打底，然后使用GTAW填充至6-8mm厚度，再使用SMAW填充和盖面。
其中，于步骤2中，焊接时的焊接参数为：根部使用手工氩弧焊：使用直径为2.0mm的焊丝，电流130-150A，电压10-15V，氩气流量10-15/min，线能量10-30KJ/cm；填充时使用手工焊条电弧焊：选用直径为3.2mm的焊条，电流100-160A，电压19-25V，线能量10-35KJ/cm；盖面时使用手工焊条电弧焊：选用直径为3.2mm的焊条，电流110-150A，电压19-25V，线能量10-30KJ/cm。
其中，于步骤2中，焊接中预热温度和层间温度不低于120℃，且不高于250℃，预热采用电加热法，加热至温度为150-300℃，然后冷却至工艺规定的预热温度。
其中，于步骤2中，加热带的宽度以对口中心线为基准，两侧各不小于3倍壁厚，且不小于100mm。
其中，于步骤2中，在正式焊接之前进行定位焊，定位焊前使用对口器进行接头尺寸校准，该对口器使用到定位焊完成并冷却至室温之前。
其中，定位焊使用搭桥定位。
其中，定位焊的预热温度高于正式焊接的预热温度50℃。
其中，定位焊焊缝为4-6道并均匀分布。
其中，于步骤2中，焊接完毕后，使用保温棉覆盖焊接接头使焊接接头缓慢冷却至室温。
其中，于步骤3中，焊后热处理温度630-670℃，保温时间为1-3小时。
另外，本发明还提出上述的管线焊接方法焊接得到的管线。
而且，本发明还提出了包括上述管线的钻机。
而且，本发明还提出了上述钻机在海洋中的应用。
采用本发明，其根部选用抗裂性能较好的焊接材料，并且选用GTAW焊接方法，有效抑制根部的裂纹倾向。对焊接接头的强度采用两种焊材的组合强度进行保证，该接头的整体强度高于母材的强度。
附图说明
图1a为本发明中的坡口形式示意图；
图1b至图1e为本发明坡口形式的典型的演变形式示意图。
图2a为本发明中搭桥定位焊接的坡口形式要求示意图；
图2b及图2c为本发明中定位焊典型演变形式示意图；
图3为本发明中壁厚相同时热处理时绳状加热器与保温棉的设置方式示意图；
图4为本发明中壁厚不同时热处理时绳状加热器与保温棉的设置方式示意图；
图5为本发明实施例1的坡口参数示意图；
图6为本发明实施例1的热处理曲线图；
图7为本发明管材焊接方法的步骤流程图。
其中，附图标记：
图2a中：1-搭桥定位焊缝
图2b及图2c中：1-定位焊缝；2-搭桥定位块
图3及图4中：1-正式焊缝；3-绳状加热器；4-保温棉；5-管道
具体实施方式
本发明提出一种管材的焊接方法，尤其适用于高强/超高强高压管线的整体焊接施工方法，特别适用于海洋钻机高压管线的焊接方法，更特别适用于海洋深水/超深水环境的钻机高压管线焊接方法，其形成的焊接接头机械性能满足所有行业规范的要求并留有一定的安全裕度，焊接施工过程中，在保证其良好的可操作性的同时，也可很好的保证其焊接质量的稳定性。
其中，对于高强度/超高强度国内外尚无统一的定义和分类方法，一般采取按照强度划分和按照强化机理划分。按强度划分可分为高强钢和超高强钢：1.按抗拉强度划分：高强钢：TS≥340MPa（冷轧）；TS≥370MPa（热轧及酸洗）超高强钢：TS＞590MPa；2.按屈服强度划分：高强钢：YS≥210MPa，超高强钢：YS＞550MP，所使用钢管强度在超高强度范围内，但是也适用于高强钢管（部分规范中最低强度要求低于此限）。
而对于高压与超高压管线的定义各国定义不一样：在国际通用的工艺管线标准ASMEB31.3的高压管线章节中有如下说明：ThisChapterpertainstopipingdesignatedbytheownerasbeinginHighPressureFluidService.Itsrequirementsaretobeappliedinfulltopipingsodesignated.HighpressureisconsideredhereintobepressureinexcessofthatallowedbytheASMEB16.5Class2500ratingforthespecifieddesigntemperatureandmaterialgroup.However,therearenospecifiedpressurelimitationsfortheapplicationoftheserules.也就是说，常温下在输送无害流体介质的情况下压力在20Mpa以上即可定义为高压管线。在我国特种设备规范TSGD3001中，对于工业管线，任何流体只要超过10Mpa即定义为最高级别。
本发明采用以下技术方案：
本发明所公开了一种管线焊接方法，尤其是一种深水/超深水海洋钻机使用的超高强管线的焊接工艺，如图7所示，包括以下步骤：
步骤1：对焊接接头进行加工与装配，形成正确的接头形式；
步骤2：选用GTAW+SMAW组合的焊接方法进行焊接；
步骤3：对完成的焊接接头进行焊后热处理
具体而言：
本发明采用的管线材料具有以下特点：化学成分范围为（％）：C：≤0.35，Mn：≤1.05，P：≤0.04，S：≤0.04，Si：≤1.00，Cr：≤2.75，Mo：≤1.50,V≤0.30。典型的机械性能要求为：抗拉强度：最小620MPa，屈服强度：最小415MPa，伸长率：最小17%，断面收缩率：最小35%，硬度(HRC)：最高22，冲击韧性最高要求：-30℃下最小42J（实际上这是比较高的一个要求，适用于较为严酷的海域，例如挪威海域；如果是较低的要求也一样可以达到，具体根据设计工况而定）。其中，HR为洛氏硬度，HRC是采用150Kg载荷和金刚石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等.其测量方法是，在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入待试材料的表面，产生凹痕，根据载荷解除后的凹痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR=（K-H）/C便可以计算出洛氏硬度。洛氏硬度值显示在硬度计的表盘上，可以直接读取。使用HRC描述更简约和专业一些。
其中，步骤1中，坡口形式：如图1a所示，对坡口面角度没有限制，但要求坡口根部间隙a3为1-4mm，根部钝边a4为0-1mm，坡口宽度a2为0.7-1.5倍的管道壁厚a5。其中虚线所示为双边对称的单面V形坡口。
图1b至图1e为本申请坡口典型的演变形式示意图，如图1b至图1e所示，图1b为单面U形坡口，图1c为底部加宽的单面V形坡口，图1e为不对称的单面V形坡口，图1d所示为图1c与单边V形坡口的组合形式。
以上坡口各有其特点：图1b可以形成较窄同时不妨碍操作的焊缝，图1c比图1b更易加工，图1e适用于某些特殊位置，在不同厂家的管件对接时常会发生图1d的情况。以上仅是部分常见情况，还可以演变出其他形式。
其中，步骤2中，选用的焊接方法为GTAW+SMAW组合：首先使用GTAW打底，然后使用GTAW填充至6-8mm厚度，再使用SMAW填充和盖面。
其中，选用的焊接材料满足以下要求：1、最终完成后的焊接接头整体性能必须满足管道材料机械性能的最低要求，这包括强度、低温冲击韧性、硬度等要求；2、对于Ni、S、P的含量要求有严格限定，保证其抗硫化物应力腐蚀断裂（SSC）或应力腐蚀裂纹（SCC）的能力。
其中，于步骤2中，焊接时的主要焊接参数如下：根部使用手工氩弧焊：使用直径为2.0mm的焊丝，电流130-150A，电压10-15V，氩气流量10-15/min，线能量10-30KJ/cm；填充时使用手工焊条电弧焊：选用直径为3.2mm的焊条，电流100-160A，电压19-25V，线能量10-35KJ/cm；盖面时使用手工焊条电弧焊：选用直径为3.2mm的焊条，电流110-150A，电压19-25V，线能量10-30KJ/cm。
其中，步骤2中，焊接中采用预热温度和层间温度不低于120℃，且不高于250℃，随着壁厚的增加（例如，壁厚为40mm时）或拘束的增强应将预热温度提高至最低230℃。预热采用电加热法，加热至温度为150-300℃，然后冷却至工艺规定的预热温度。加热带的宽度以对口中心线为基准，两侧各不小于3倍壁厚，且不小于100mm。
于步骤2中，在焊接之前进行定位焊，使用专用的对口器进行接头尺寸校准，该对口器在定位焊完成并冷却至室温之前不应撤离，最好保持至开始焊接之前。
其中，定位焊使用搭桥定位，焊接参数与正式焊接工艺相同，同时预热温度应高于焊接工艺规定的预热温度。定位焊焊缝为4-6道并均匀分布。
图2a为本发明中定位焊接的形式要求示意图；图2b及图2c为本发明中定位焊典型演变形式示意图；如图2a所示，非根部搭桥定位焊缝1使用氩弧焊焊接；搭桥定位焊缝位于坡口内远离根部之处；如图2b及图2c所示，搭桥定位块2材质与管道相同，使用氩弧焊或手工电弧焊焊接。图2b的搭桥定位块被定位焊缝定位于管道外壁，图2c的搭桥定位块被定位焊缝定位于坡口内远离根部之处。
其中，于步骤2焊接完毕后，使用保温棉4覆盖焊接接头使之缓慢冷却至室温。
其中，于步骤3中，对完成的焊接接头进行焊后热处理。焊后热处理温度630-670℃，保温时间为1-3小时。采用绳状加热器3并合理布置加热区域，壁厚较大的部件加热区应适当扩大，同时还应保证薄壁部件不能过热。
图3为本发明中壁厚相同时热处理时绳状加热器与保温棉的设置方式示意图；图4为本发明中壁厚不同时热处理时绳状加热器与保温棉的设置方式示意图；图3及图4中正式焊缝1已经焊接完毕，如图3所示，当管道5壁厚相同时，以对口中心线为基准，绳状加热器3布置加热区域的宽度a1至少为3倍壁厚；如图4所示，当管道5壁厚不同时，以对口中心线为基准，于壁厚较小端绳状加热器3布置加热区域的宽度a1至少为3倍壁厚，于壁厚较大端绳状加热器3布置加热区域的宽度a6至少为3倍较厚处的壁厚。
另外，本发明还提出了经上述管线焊接方法焊接得到的管线。
进一步，本发明还提出了包括上述管线的钻机，特别是深井/超深井钻机。
更进一步，本发明还提出了上述钻机在海洋中的应用，特别是在深水/超深水海洋中的应用。
实施例
以下结合实例和实践案例对本发明做进一步详细说明，以便于本领域人员更好地理解本发明，并非对本发明保护范围的限制。
实施例1：
在一超深水半潜式钻井平台上，使用的高压泥浆管线为：ASTMA519Gr.4130的材料，供货状态通常为调质，ASTM规范规定的化学成分范围与机械性能要求见表1和表2。
表1ASTMA519Gr.4130的化学成分范围（％）
| 钢级 | C | Mn | Cr | Mo | P | S | Si |
| ASTM A519Gr.4130 | 0.28-0.33 | 0.40-0.60 | 0.80-1.10 | 0.15-0.25 | ≤0.04 | ≤0.04 | 0.15-0.35 |
表2ASTMA519Gr.4130的典型机械性能
| 钢级 | 状态 | 抗拉(MPa) | 屈服(MPa) | 伸长率(%) |
| ASTM A519Gr.4130 | 调质 | 724 | 586 | 20% |
根据海洋平台建造规范要求，需要附加冲击韧性要求，由于所建造的平台将在挪威北海区域服役，需要满足NORSOK规范的要求，所以附加的冲击韧性要求定为-30℃下最小42J。根据NACE规范，在材料硬度方面附加要求为最高22HR。
焊接材料选用瑞典伊萨（Esab）的OKTigrod13.26和Filarc118，对应的美国焊接协会(AWS)等级分别为：ER80S-Ni1和E11018-M，GTAW的焊接保护气体采用纯氩。其化学成分与机械性能如下表3和表4所示：
表3焊材的主要化学成分含量（％）
| 焊材牌号 | C | Si | Mn | Ni | Mo | P | S | Cu |
| OK Tigrod 13.26 | 0.11 | 0.81 | 1.38 | 0.88 | - | 0.022 | 0.009 | 0.48 |
| Filarc 118 | 0.053 | 0.38 | 1.78 | 2.2 | 0.42 | 0.012 | 0.008 | 0.02 |
表4焊材的典型机械性能
| 焊材牌号 | 抗拉(MPa) | 屈服(MPa) | 冲击性能(J) | 伸长率(%) |
| OK Tigrod 13.26 | 480 | 580 | -40℃，60 | 30 |
| Filarc 118 | 720 | 780 | -51℃，90 | 23 |
如图5所示，焊接坡口选用单面V形坡口，坡口角度α为55±5°，坡口根部间隙a3为2mm，根部钝边a4为0-1mm，错边量不得大于1mm。
定位焊应使用搭桥定位，尽量避免使用根部定位，焊接工艺应与正式焊接工艺相同，同时预热温度应高于焊接工艺50℃。定位焊焊缝应足够并均匀分布。坡口装配时使用对口器进行对正，并在正式焊接前撤下。
焊前应将坡口及其边缘内外表面不小于20毫米范围内的油、漆、污、锈等清除干净。如不能当天进行焊接，应使用胶带将焊口保护好。
焊接时的主要焊接参数如下：
表5焊接参数
焊接中使用较高的预热和层间温度，温度不应低于150℃，随着壁厚的增加或拘束的增强应将预热温度提高至最低230℃。
首先使用GTAW打底，然后使用GTAW填充至8mm厚度，再使用SMAW填充和盖面。在打底至妨碍焊接处将定位焊缝使用砂轮机磨去，定位焊缝处的仔细修整可在焊接此处时再进行。
手工电弧焊焊接过程中，需注意以下几点：焊接各层(道)焊缝表面应尽量平滑，易于脱渣，减少凸形焊缝的打磨量，更好的控制下层焊接的间断时间，降低了焊缝缺陷的产生。各层(道)焊缝在接头前应将收弧处打磨成缓坡状，在接头部位的前端引燃电弧，回拉至接头处进行正常焊接，盖面时焊接速度稍慢，作横向摆动运条，焊条快速运至坡口边稍作停顿，使焊缝光滑。
在焊接完成之后，尽快进行焊后热处理，其热处理曲线如图6所示，例如，对规格为141mm×31.75mm的管道，焊后热处理温度650±10℃，保温时间约90分钟，其中，T1为不受控升温，T2为受控升温，T3为保温，T4为受控降温，T5为自然降温，热处理曲线如图6所示。
本发明的有益效果：
1、本发明根部选用抗裂性能较好的焊接材料，并且选用GTAW焊接方法，有效抑制根部的裂纹倾向。
2、对焊接接头的强度采用两种焊材的组合强度进行保证。该接头的整体强度高于母材的强度。
3、根部选用严格控制Ni、S、P含量的焊材，保证了对使用过程中的抗硫化物应力腐蚀断裂（SSC）或应力腐蚀裂纹（SCC）的能力。
4、焊条选用脱渣性较好的材料，降低了在难以焊接的条件下夹渣的几率。
5、采用了对口器与非根部定位结合的方式进行接头定位，有效防止根部缺陷的产生，特别是裂纹的产生几率。
6、采用了GTAW+SMAW的组合焊接方式，这两种方式对全位置焊接有较好的适应，并在狭窄空间与有障碍物的情况下仍可灵活处理。
7、优化了焊接工艺参数，同时对焊接坡口形式没有严格的限制，使其可以根据实际操作位置微调，更好的保证其可操作性。
8、对热处理保温温度的限定，可保证热处理后能够不影响接头的力学性能，这包括对金属组织的强度、冲击韧性、硬度的整体保证。例如：对于ASTMA519Gr.4130材质的管线，可保证机械性能达到如下标准：抗拉强度：≥620MPa，屈服强度：≥415MPa，冲击韧性：-30℃下最小42J，硬度(HRC)：≤22。
9、对热处理使用设备和缠绕方式的限定，保证温度场的平衡。可保证热处理质量的稳定。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种管线焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对焊接接头进行加工与装配，形成正确的接头形式；
步骤2：选用GTAW+SMAW组合的焊接方法进行焊接，在正式焊接之前进行定位焊，定位焊前使用对口器进行接头尺寸校准，该对口器使用到定位焊完成并冷却至室温之前，所述定位焊使用搭桥定位，定位焊焊缝为4-6道并均匀分布；使用GTAW打底，然后使用GTAW填充至6-8mm厚度，再使用SMAW填充和盖面，焊接中预热温度和层间温度不低于120℃，且不高于250℃，预热采用电加热法，加热至温度为150-300℃，然后冷却至工艺规定的预热温度，加热带的宽度以对口中心线为基准，两侧各不小于3倍壁厚，且不小于100mm，焊接时的焊接参数为：根部使用手工氩弧焊：使用直径为2.0mm的焊丝，电流130-150A，电压10-15V，氩气流量10-15L/min，线能量10-30KJ/cm；填充时使用手工焊条电弧焊：选用直径为3.2mm的焊条，电流100-160A，电压19-25V，线能量10-35KJ/cm；盖面时使用手工焊条电弧焊：选用直径为3.2mm的焊条，电流110-150A，电压19-25V，线能量10-30KJ/cm；
步骤3：对完成的焊接接头进行焊后热处理，焊后热处理温度630-640℃，保温时间为1-3小时。
2.根据权利要求1所述的管线焊接方法，其特征在于，所述管线的材料的化学成分范围为％：0＜C≤0.35，0＜Mn≤1.05，0≤P≤0.04，0≤S≤0.04，0＜Si≤1.00，0＜Cr≤2.75，0＜Mo≤1.50,0≤V≤0.30,余量为Fe；机械性能要求为：抗拉强度：≥620MPa，屈服强度：≥415MPa，伸长率：≥17％，断面收缩率：≥35％，硬度HRC：≤22，冲击韧性最高要求：-30℃下≥42J。
3.根据权利要求1所述的管线焊接方法，其特征在于，于步骤1中，坡口形式为：坡口根部间隙为1-4mm，根部钝边为0-1mm，坡口宽度为0.7-1.5倍的管道壁厚。
4.根据权利要求1所述的管线焊接方法，其特征在于，所述定位焊的预热温度高于正式焊接的预热温度。
5.根据权利要求1所述的管线焊接方法，其特征在于，于步骤2中，焊接完毕后，使用保温棉覆盖焊接接头使焊接接头缓慢冷却至室温。
6.经权利要求1至5中任意一项所述的管线焊接方法焊接得到的管线。
7.一种应用权利要求6的管线的钻机。
8.权利要求7的钻机在海洋中的应用。
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