毛靜麗 胡艷華 王虎 劉智 滕照峰 高蕊
目前,在鋪管船法進行海底管道鋪設(shè)施工時,國內(nèi)外均采用噴淋工藝對焊接接頭進行冷卻處理。但是在高溫狀態(tài)下,冷水噴淋有可能對焊縫組織進行淬火處理,從而影響其金相組織及接頭性能,因此需通過試驗研究,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,進而保證接頭性能達到規(guī)范的要求。
本文依托于坦桑尼亞海底管道CRC雙焊炬自動焊施工工程,通過噴淋試驗,確定基于CRC雙焊炬自動焊的噴淋工藝參數(shù)(包括焊后噴淋時刻、噴淋持續(xù)時間、噴淋流量等),以達到控制焊接接頭冷卻速度,確保焊縫金相組織及硬度合理,進而保證焊接接頭各項力學(xué)性能指標(biāo)符合技術(shù)規(guī)格書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
根據(jù)坦桑尼亞海底管道鋪設(shè)工程要求,鋪設(shè)管道為海底天然氣管道API 5L X65 PSL2,φ610mm×22.2mm。按照擬定的焊接方法,φ610mm×22.2mm的鋼管采用雙焊炬自動焊工藝,坡口為U形復(fù)合坡口。考慮到焊接過程中,熱電偶容易在焊工打磨過程中破壞失效,故在焊接接頭的0點、3點與6點位置表面均鑲嵌了兩根熱電偶,由此焊接過程中可最多同時檢測到6個不同位置的瞬時降溫溫度,并通過溫度測試儀的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)玫秸麄€焊接過程的溫度冷卻循環(huán)曲線。
如圖1所示,20℃室溫環(huán)境條件下,焊接過程中海底管道焊接接頭處的最高溫度可達900℃左右,收弧后焊接接頭不同位置的溫度一般在200~300℃??紤]到收弧后打磨焊道接頭及局部修整需1~3min,此時管接頭溫度可降至180~220℃,自然冷卻至AUT工作所需的溫度(50℃)需要40~80min。由此可以看出,自然空冷條件下,焊接接頭的冷卻速度較低,冷卻時間較長,不能滿足海底管道快速鋪設(shè)的海上施工作業(yè)要求。按照圖2所示測試焊接接頭HV10硬度值,未噴淋的焊接接頭硬度、金相組織及其CTOD值分別如表1、圖2和表2所示。
圖1 焊后自然冷卻曲線
圖2 硬度測試點分布
綜上可知,未噴淋條件下,海底管道焊接接頭的硬度值均<250HV,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;通過金相組織分析可知,焊接接頭焊縫區(qū)組織為鐵素體+珠光體+貝氏體,HAZ區(qū)組織為鐵素體+珠光體(見圖3);未噴淋條件下,6個CTOD試件的焊縫和熱影響區(qū)CTOD值均大于API 1104的要求0.05mm,CTOD值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 未噴淋的焊接接頭硬度
表2 CTOD試件的斷裂韌度試驗結(jié)果(5℃)
圖3 F610mm×22.2mm 鋼管焊接接頭組織
圖4 施工現(xiàn)場的噴淋裝置
(1)噴淋裝置的功能與特征 海底管道鋪管船法鋪設(shè)施工過程中,噴淋裝置(見圖4)的主要功能是根據(jù)海底管道鋪設(shè)流水作業(yè)中焊接施工工藝要求以及施工現(xiàn)場技術(shù)規(guī)格書的規(guī)范要求,通過人工實時干預(yù)對海底管道焊接接頭進行快速冷卻降溫,有效縮短焊縫冷卻時間和后續(xù)AUT(自動超聲波檢測)無損檢測的等待時間,實現(xiàn)鋪管船作業(yè)線上海底管道鋪設(shè)施工的流水化作業(yè)與施工工序的合理銜接,從而有效提高鋪管船作業(yè)的施工效率,縮短海上作業(yè)施工周期。該裝置一般主要包括:不銹鋼水箱、噴淋泵、回水泵、溢流閥、高低液位計、流量瞬時及累計記 錄儀、噴淋頭、控制系統(tǒng)、集水槽及管道等。
針對鋪管船的作業(yè)線布置情況、海底管道的施工特點以及焊接接頭的力學(xué)性能要求,該裝置采用先進的液面反饋傳感、噴淋頭陣列交叉、多重過濾吸附等技術(shù),使噴射覆蓋均勻、噴淋水自動回收、遙控近控兼有;采用多點定向鑲嵌溫度傳感測試技術(shù),制定快速降溫曲線,結(jié)合鋪管施工流程,制定基于噴淋的焊接參數(shù),可使焊接接頭在1min內(nèi)快速冷卻至50℃以下,且接頭性能滿足規(guī)范要求,與自然空冷(約需2h)相比,可大幅提高施工效率。在試驗過程中,冷卻水儲存于水槽中,利用固定安裝在水槽中的水泵將水輸入支架上的水箱中(也可不用水箱,將水槽直接與水泵和出水管噴頭相連),試驗人員通過調(diào)節(jié)水閥大小來調(diào)節(jié)水的流量,安裝在出水管上的流量計可直接讀出冷卻水的流量大小,根據(jù)不同流量情況下對應(yīng)的焊縫組織和性能,確定最佳的噴淋工藝參數(shù)。
(2)噴淋工藝措施 根據(jù)X65和X70高強管線鋼典型的CCT(連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線)圖可知,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℃以下時,無論多大的冷卻速度都不會導(dǎo)致馬氏體淬硬組織的出現(xiàn),因此,此時噴淋流量可盡量大,以快速冷卻降溫,而不會降低焊接接頭的韌性。
試驗過程中,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)的放在支架上,打開水閥,并握緊噴管一端,在30°范圍內(nèi)前后轉(zhuǎn)動噴管,以使鋼管沿軸向均勻冷卻。將水閥調(diào)至50~200L/min流量時,焊后2~5min開始噴淋,噴淋持續(xù)時間30~150s,可使海底管道焊接接頭從焊后180~200℃,起噴時刻的90~120℃迅速降至30~50℃。其冷卻曲線如圖5所示。
圖5 噴淋后的焊接接頭冷卻曲線
按照圖2所示測試各點硬度并進行金相組織分析,噴淋后的焊接接頭硬度、金相組織及CTOD值分別如表3、圖6、圖7和表4 所示。
表3 噴淋的焊接接頭硬度
圖6 F610mm×22.2mm鋼管接頭組織(試樣編號U4)
通過對比可知,采取試驗中確定的流量來進行冷卻,海底管道焊接接頭的金相組織、硬度及其斷裂韌性等指標(biāo)都基本相同,不會發(fā)生變化。
通過配備適用于鋪管船流水作業(yè)線工位設(shè)置的噴淋裝置,對照連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線圖,合理控制焊后噴淋時間,選取合適的噴淋工藝參數(shù),可開發(fā)一套合理的噴淋工藝技術(shù)。采用該工藝,可使焊接接頭在1min內(nèi)快速冷卻至50℃以下,滿足海底管道焊后AUT快速探傷的要求。與未噴淋的焊接接頭相比較,噴淋后,海底管道焊接接頭的金相組織、硬度和斷裂韌性等指標(biāo)基本一致,對接頭性能未產(chǎn)生明顯影響,可確保焊接接頭的焊接質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。
圖7 F610mm×22.2mm鋼管接頭組織(試樣編號U5)
表4 CTOD試件的斷裂韌度試驗結(jié)果(5℃)