海底输油（气）管线干式修复自动焊接技术与装备

海底输油（气）管线干式修复自动焊接技术与装备

江苏海龙水下工程有限公司编制

摘 要：在对比研究国内外现有的海底输油管线破损管段的干式和湿式维修方法的基础上，指出干式高压焊接维修是一种质量可靠而又便于向深海拓展其使用范围的修复方法。国内渤海湾水域特殊的地质条件和油品特性又使得双层管干式高压TIG自动焊接设备及工艺的研究课题成为迫在眉睫的现实。文中最后还论述了相关自动焊接设备及其控制器的方案设计。

关键词：干式高压焊接；海底管线修复；水下焊接；自动焊

 前 言

    我国海洋油气资源丰富，是重要的能源后备基地，海洋油气总资源量365亿吨。据不完全统计，至1999年底在我国海域己铺设的海底管道达到2000kM，至2005年至少会有约1700kM新的海底管道投入运营。目前，我国海域己铺设的海底管道达到2000kM，“十五”期间至少会有约1700kM新的海底管道投入运营，管道维护的潜在需求量很大。
    海底管线的维修是一项复杂而庞大的工程，国外发展维修海底管线技术始于六十年代，最初都是依靠潜水员入水进行检查并实施作业，但随着管线敷设和埋设的水深和管线长度的不断增加，仅仅依靠人工维修已不能满足需要，因此从七十年代开始，英、美等国都开始发展各种水下管线维修装置，目前都已趋向成熟。我国海洋石油和天然气的勘探和开发起步较晚，在与之相关的海洋工程服务方面，与国外相比，在技术、设备等方面有不小的差距。目前我国还没有能够实施水下管线维修的作业装置，相应水下管线的维修工作几乎都是委托给国外的工程公司进行，费用昂贵。
    水下管道维修按维修环境分湿式和干式二种，湿式维修是在水环境中对管道直接进行焊接或机械修补。由于湿式焊接质量低，湿式维修多采用法兰或抱箍等机械维修法。在大深度水下，因人员无法安全有效地作业，国外重点采用无人遥控潜水器（R0V）进行湿式维修。头等专用海底管道维修工具（目前国外用的这些工具大多有专利保护）。
    干式维修是在水下创造一个干式环境，由人员直接进行管道维修。在水质混浊条件下，R0V等无人作业法受到很大限制，人员
直接介入必不可少，而当水深小于60米时，人员可以进行空气潜水，并能安全有效地工作，因此采用干式维修法是必要和可行的。干式条件下，可采用法兰或抱箍等机械维修法，也可采用焊接法，因干式焊接质量能得到保证，多以焊接法为主。干式维修又分常压和高压，因常压舱密封技术要求高，在压力小，对人员作业安全和效率影响小的情况下，多采用高压干式维修法。
   “水下千式管道维修系统”是国家“十五”863计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”所属专题“海底管道修复技术”中的一项课题，课题依托单位是中国海洋石油总公司中国海洋石油工程股份公司，项目总经费达到8500万元。作者正在主持进行所承担的“水下干式高压焊接”子课题的研究工作。

1 高压焊接技术研究

    作者所在单位承担的子课题包括以下研究内容：高压焊接实验舱的研制，高压TIG焊接电源的研制和高压TIG管道焊接工艺研究。TIG焊是最容易控制的焊接技术，在水下复杂环境下是首选的焊接方法。

1．1手工高压TIG焊

    手工TIG焊用在不规则管道的打底焊和局部焊点的修补焊接。在海底高压且潮湿的干式舱中，采用高频放电引弧对于潜水员是极不安全的，计算机控制的焊接电源可以对焊接电流和焊接电压进行复杂精确控制，通过钨极和工件的直接接触实现引弧是可能的。

1．2 压力对TIG焊电弧电压的影响规律

    压力对TiG焊的重要影响是弧压增加。工作电压的增加是因为高压环境吸热能力的增加。因为热量更容易从电弧外部区域损失，电弧可以通过减少直径来减少热量损失。事实上，这就要求工作电流的电弧交叉区域小，从而增加电流密度、电离水平和工作温度。额外的能量需求导致上述的弧压增加。
    如果这个弧压由位于母船上的电源提供，则需要增加—个额外电压，以满足连接电源与焊接舱的电缆阻抗的要求。因为环境对TIG弧压的影响，在建立焊接过程合适的工作电压限值之前，这些因素必须特别地考虑。

1．3 压力对TIG焊焊接效率的影响规律

    对于TIG焊，效率从l个大气压时的90％下降到6bar（6×102kPa） 时的70％， 而8bar（8×102kPa）时又恢复到75％，之后基本保持恒定。对于恒定的工作电流，弧压随水深增加的速度比焊接效率下降速度快。
    随着环境压力增加，TIG焊电弧稳定性降低。对影响规律更细致的分析表明，不稳定的程度与屏蔽气体的大量流动有关，已经确证其原因是，钨极尖端的空气动力学效应与电弧周围的漂浮效应的共同作用。电弧稳定性还受到工作电流、弧长、焊接准备的几何形状以及外磁场的存在等等的影响。

2 焊接自动化的必要性

    潜水作业不管呼吸压缩空气还是人工配制的混合气，都存在水下作业时间短、减压时间长、工作效率低的特点。以空气常规潜水为例，潜水深度60m以内，在较浅深度适宜的水下工作时间较长，而在较大深度适宜的水下工作时间较短。表1列出的空气常规潜水深度和水下适宜工作时间均按国标《空气潜水减压技术要求》（GB12521－90）的规定。
    空气常规潜水的潜水深度和水下适宜工作时间表，见表1，无论从提高焊缝质量的角度，还是从提高焊接效率的角度，都应该尽量选用自动焊。当然，考虑到水下操作环境的恶劣，管道坡口的制备有时很难达到自动焊所要求的水平，这时，不得不选用手工焊进行打底焊接。