通過內部焊接和外部焊接將管段焊接在一起的用于鋪設管道的方法和焊接站的制作方法

專利名稱：通過內部焊接和外部焊接將管段焊接在一起的用于鋪設管道的方法和焊接站的制作方法
通過內部焊接和外部焊接將管段焊接在一起的用于鋪設管道的方法和焊接站
背景技術：
本發明涉及將管道焊接在一起的設備和方法。特別但不唯一的是，本發明涉及在海上鋪設水下管道時將復合管段或其它多層管段焊接在一起。在海上從管道鋪設船鋪設水下管道時，管道的一端(有時稱為“管柱”)由船保持，并且管段被焊接到該管道末端。隨后，將管道和新焊接的管段從船上輸出，因此這個過程可以重復。對于管道在鋪設過程中所經歷的高拉伸載荷而言，焊接接頭必須是高質量的。焊接接頭質量的關鍵是管道一旦安裝就處于暴露在海中有規律的變化運動的位置處(例如管道為懸垂立管形式時)。在這種情況下，焊接接頭必須能夠承受其將經歷的疲勞載荷。 設計用于傳輸腐蝕性或能夠損壞標準鋼管的液體或氣體的管道通常在內部包覆或以其它方式內襯有CRA(耐腐蝕合金)。此外，逐漸發現，這種CRA內襯管道對于開采遠距井提供了一種經濟的解決方案。CRA內襯管是通過將CRA圓筒體冶金接合或壓制到碳鋼(CS)管內側上而制造的。這種將CRA內襯管焊接在一起的工藝遠比焊接標準CS管要復雜的多。應該指出的是，CRA管道的生產速率通常是相同尺寸的CS管道的生產速率的1/4或1/5。典型的包覆CRA材料的CS管和在其間形成的焊接接頭示于圖la、lb和2中。一種用于焊接CRA內襯管段的已知技術是使用單個外部安裝的半自動GMAW焊頭用于沉積關鍵的第一焊接道次(其稱為根部焊接道次)，接著進行內部檢查以確保根部焊縫的質量具有足夠高的標準。焊接區用保護性的防護氣體(通常是惰性氣體，如氬氣)進行吹掃以降低焊接材料的氧化風險。內部檢查包括超聲波檢測方式和攝像機輔助進行的目視檢查。需要進行目視檢測是因為超聲波測試會由于CRA材料的剩余磁化強度而易于得到錯誤結果。由于根焊工藝的特性，難以確保適當的焊透深度。整個焊接過程對于許多參數(如接頭裝配、磁性水平)的變化，甚至是氣體組成的小變化是非常敏感的。盡管該焊接工藝提供了很大程度的自動化，但是焊縫驗收仍然非常依賴于焊接者的技術。完成最初的兩條根部焊接道次和進行內部檢驗的總周期時間相對延長。此外，如果根部焊縫不能滿足嚴格的驗收標準，則通常情況下不進行根部焊縫修復，而是將整個焊接接頭切掉，從而導致進一步的遲延。接頭被焊接至熱焊接道次階段并在移出焊接站之前進行內部檢查。當正在實現穩態生產時，可以實現約30分鐘的第一焊接站的焊接周期時間，但實現該持續時間的焊接周期可能是海洋管道鋪設時的挑戰。應該理解的是，在根部焊縫完成后，將管道移到后續焊接站以使用其它焊接道次進行填充和/或以其它方式進行處理/測試。但是，在制作根部焊接道次的焊接站處的操作往往是限速步驟。本發明旨在減輕上述問題。作為替代或除此之外，本發明旨在提供改進的管道鋪設方法、改進的焊接方法和/或改進的管道焊接設備
發明內容
本發明提供一種管道鋪 設方法，其中管段焊接在一起形成管道。應該理解的是，管段和管道可簡稱為管。該方法包括以下步驟將待焊接的管段提供至管道末端；將管段與管道末端相鄰設置并由此限定待焊接的周向接頭；在待焊接的接頭的根部上實施外部焊接道次，在此期間在待焊接的接頭的根部沉積焊接材料，從而形成根部焊縫；以及在根部焊縫上實施內部焊接道次。有利的是，在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟使根部焊縫熔融并重塑。已形成的根部焊縫的熔融可以進行為使得內表面重熔至大于0.5_，更優選大于Imm的深度。這種根部焊縫的重熔可以提高在焊接接頭根部實現完全熔合的機會，這以其它方式是難以可靠實現的。從管內部的根部焊縫的重塑可全面提高焊接質量和降低焊縫因不符合驗收標準而被拒絕的幾率。該方法包括在待焊接的接頭的根部上實施外部焊接道次的步驟和在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟。用于實施外部焊接道次的設備稱為外部焊接設備，而用于實施內部焊接道次的設備稱為內部焊接設備。實施外部焊接道次以形成根部焊縫的步驟可采取使得根部焊縫區域的內管表面熔融或變形的方式進行。通過外部焊接道次形成的根部焊縫熔透穿過管的內表面會留下不規則且不期望的焊縫。從管內重塑該焊縫可具有如下所詳述的顯著益處。從管內側進行根部焊縫重塑可減少由于管道未對齊而造成的焊縫被拒絕的風險。如果管段未與相鄰的管道末端完全對齊，則可能在圍繞管周的特定周向位置處存在“高低點(hi-lo)”(從一個管段到相鄰管段的臺階)。如果高低點過大，則焊縫將被拒絕。在本發明的實施方案中，可以容納約I. 5_的高低點臺階，使得管道裝配(對齊)所需的時間更短。管段的形狀和尺寸方面的可接受公差也不再那么重要，從而允許潛在的成本節約。在對同一焊縫的外部焊接步驟后進行內部焊接步驟的應用可以允許對根部焊縫中的特定缺陷以現有技術中不可設想的方式進行修復。例如，在現有技術的鋪設海洋管道的焊接方法中，當根部焊珠被拒絕時沒有修復選項在這種情況下通常切除整個焊縫。根部焊縫重熔可以提高焊縫和管之間熔合的充滿度。已知窄坡口會導致缺乏側壁熔合，尤其是在焊縫根部附近。然而，本發明的方法可以提高焊縫熔合的充滿度，從而允許窄坡口更容易使用。窄坡口的最大寬度可小于10mm，優選小于7mm。管厚度(例如可為10 30mm)與坡口最大寬度之比優選為10 : I I : 3，更優選6 : I 20 : 7。在根部焊縫上的內部焊接道次優選通過電弧焊實施。內部焊接道次可以采用非自耗電極實施。在根部焊縫上的內部焊接道次可以在不添加焊縫填充材料的情況下實施。在根部焊縫上的內部焊接道次可以例如通過自體焊接工藝實施。內部焊縫可采用等離子體焊接設備實施。內部焊縫可采用激光焊接設備實施。內部焊縫可通過采用鎢電極的焊接設備實施。例如，用于形成內部焊縫的設備可包括GTAW(氣體鎢極電弧焊)焊炬，例如TIG(鎢極惰性氣體)焊炬。在根部焊縫上的內部焊接道次可以在一個或更多個用于引導內部焊接的攝像機的協助下實施。所述一個或更多個攝像機可以例如用于在視頻顯示裝置上生成現場圖像。內部焊接設備可以是部分手動控制的。例如，焊接操作者可以使用輸入設備例如操縱桿，其允許操縱內部焊接設備或以其它方式進行控制。內部焊接設備可以是至少部分自動控制的。內部焊接設備可以例如以基本恒定速度沿待焊接的接頭進行焊接。內部焊接設備可包括自動焊接電壓控制(AVC)單元。內部焊接設備可包括內部對齊夾具，其布置為使得管對齊并在準備進行焊接的位置處夾緊。一個或更多個焊頭可安裝在內部對齊夾具(ILUC)上。在根部焊縫上的外部焊接道次的實施步驟優選通過電弧焊實施。外部焊接步驟優選包括在焊縫中添加焊縫填充材料。外部焊接步驟可以使用自耗電極實施。外部焊接步驟可包括實施GMAW (氣體金屬電弧焊)工藝。例如，GMAW工藝可以是MIG (金屬惰性氣體)工藝。外部焊接設備可以是至少部分自動控制的。外部焊接設備可以例如以基本恒定速度沿焊縫進行焊接。外部焊接設備可包括自動焊接電壓控制單元。外部焊接設備可包括一個或更多個焊炬，所述焊炬設置為自動跟蹤(即跟隨)待焊接的接頭的路徑中心。焊頭可設置為跨越焊接接頭的寬度擺動。外部焊接設備可包括在其上安裝一個或更多個焊頭的外部夾持機構，例如帶。外部焊接設備可包括設置為繞管行進的一個或更多個自動焊接機(weldingbug) o在根部焊縫上的外部焊接道次需要使用惰性氣體的情況下，內部焊接道次(其中根部焊縫重熔)優選得到具有低氧化性的最終表面，從而減少在外部焊接道次前利用惰性氣體吹掃焊縫區的需求。例如，內部GTAW焊接過程可得到具有低氧化性并且潛在改善腐蝕性能的最終表面，并且即使根部焊縫重熔也不會對根部焊縫的力學性能產生不利影響。在根部焊縫上的外部焊接道次可包括同時使用多個獨立的焊頭。例如，多個焊頭可以在圍繞管的不同周向位置在根部中沉積焊接材料。第一外部焊接道次可利用同時使用的兩個以上的焊頭更快地沉積。可不必要求始終實現外部焊接道次的完全焊透，這是因為完全熔合可稍后通過內部焊接道次來實現。兩個獨立的焊頭可定位為繞管周向相距超過60度。例如，這2臺外部焊頭則可彼此相對設置(即相距約180度)。在接頭根部上的外部焊接道次的實施步驟可包括管內表面至超過Imm深度處的重熔。管內表面的重熔深度可小于4_。典型的重熔深度可為I. 5 2. 5_。在接頭根部上的外部焊接道次的實施步驟可產生根部焊縫，所述根部焊縫在管的內表面上具有粗糙的形狀。在這種情況下，有利的是內部焊接道次重熔并重塑根部焊縫，使得根部焊縫在管的內表面上具有更平滑的形狀。通過使管的內表面上的根部焊縫平滑，根部焊縫可較不易發生腐蝕。具有粗糙形狀的焊縫暴露出更多的單位體積表面積并且更易腐蝕。具有粗糙形狀的焊縫在沿截面觀察時可例如具有突出部分。具有粗糙形狀的焊縫可例如具有在Imm距離(例如沿縱向)上高度方面(沿管半徑的尺寸)的形狀變化超過Imm的截面。具有平滑形狀的焊縫可基本平坦并且沒有突出部分。具有平滑形狀的焊縫可例如不具有在0. 5mm距離上高度方面的形狀變化超過0. 5mm的部分。在接頭根部上實施內部焊接道次的步驟優選實施為使得在管的內表面上的根部焊縫具有比在接頭根部上的外部焊接道次的實施步驟后立即形成的根部焊縫形狀更加平坦的形狀。在接頭根部上的外部焊接道次的實施步驟可產生坡口上缺少熔合材料；根部焊縫未完全熔合至管。在這種情況下，內部焊接道次有利地使根部焊縫重熔，使其完全熔合至管。對于給定的根部焊縫，該方法可包括對每個焊接接頭只實施一次內部焊接道次。該方法可以包括對每個焊接接頭只實施兩次內部焊接道次。在一些實施方案中，該方法包括對每個焊接接頭實施多次例如至少三次內部焊接道次。優選的是對每個焊接接頭實施三次以下的內部焊接道次。在每個這樣的內部焊接道次期間，根部焊縫均可以重塑。內部焊接步驟可包括在焊縫中添加焊縫填充材料。在內部焊接道次期間添加填充、金屬可以例如使缺陷能夠被修復并且還填充根部焊縫的凹陷。
該方法可以包括在待焊接的接頭的焊帽上實施外部蓋面焊接道次的步驟。例如，該方法可包括在待焊接的接頭的焊帽上沉積焊接材料，由此形成蓋面焊縫。在這種情況下，在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟可以在外部蓋面焊接道次實施步驟完成之前進行。接頭根部上的內部焊接道次可與外部焊接道次的實施同時實施。該方法可以實施為使得內部焊接道次僅在根部上的外部焊接道次已經完成后才啟動。根部焊縫可以在不晚于根部焊縫上實施內部焊接道次的時間內已經凝固。該方法可包括在其中實施無損檢測(NDT)的步驟。例如，這種檢測可以在在根部焊縫上實施內部焊接道次后進行。在無損檢測(NDT)步驟中，可通過管內部的一個或更多個攝像機來檢查根部焊縫的質量。在無損檢測(NDT)步驟中，可通過超聲檢測來檢測根部焊縫的質量。無損檢測(NDT)步驟可以在外部蓋面焊接道次實施步驟完成之前進行。無損檢測(NDT)步驟可使用一個或更多個攝像機。在其最廣泛的意義上，本發明包括在鋪設管道時將兩個管段焊接在一起，所述管段隨后被焊接至其它管段或管道。因此，兩個管段中的一個可被認為是限定管道末端。但是，更常見的情況是，管段被加至顯著長于該管段(例如長度超過10倍)的管道上。該管道可延伸進入水中，例如在所鋪設的管道是海底管道的情況下。該管道的一端當然會保持在水上，例如保持在管道鋪設船上，以允許將新的管段焊接至管道末端。本發明的方法特別適用于管道為多層管道并且其具有由不同于相鄰層的金屬制成的一個金屬層的情況。例如，管段可以是CRA內襯管道。在接頭根部上的外部焊接道次的實施步驟可包括對接頭添加第一類型的焊接材料。在接頭根部上實施內部焊接道次的步驟可包括對接頭添加第二類型的焊接材料。第二類型的焊接材料可具有不同于第一類型的組成。例如，可以在外部利用CS填充金屬并且在內部利用CRA相容性填充材料來焊接復合管。第二類型的焊接材料可具有與第一類型的焊接材料相同的組成。例如，可以在外部和內部利用CRA相容性填充材料例如“Inconel”來焊接復合管。(i)實施外部焊接道次和(ii)實施內部焊接道次的步驟可共同包括將相同類型的焊接材料添加至碳鋼材料和CRA材料兩者。例如，“Inconel”材料可用于外部焊接道次，其中Inconel材料焊接至管道中的碳鋼和CRA材料兩者。本發明的方法特別適用于管道承受高載荷和/或疲勞載荷的情況。例如，至少部分管道可形成至少部分懸垂立管。該方法可以作為海洋管道鋪設方法的一部分實施。該管道可以是水下管道或海底管道。所述管可以管軸基本水平的方式焊接在一起。例如，鋪設方法可以是S-鋪設方法。所述管可以垂直多于水平的方式焊接在一起。例如，鋪設方法可以是J-鋪設方法。管的取向不需要在材料上影響內部焊接可重熔或重塑的程度。根據本發明的第二方面，本發明還提供一種用于管道鋪設方法中的焊接站。所述焊接站可包括外部焊接設備和內部焊接設備。內部焊接設備和外部焊接設備優選設置為能夠同時操作。外部焊接設備可以包括多個焊頭和外部引導設備，每個焊頭具有至少一個焊炬，焊頭設置為從管段外側將管段同時焊接在一起以形成焊接接頭并且至少部分地通過外部引導設備沿待焊接的接頭引導。內部焊接設備可包括夾持內部引導設備的內部對齊夾具和至少一個焊頭，所述焊頭設置為使外部焊接設備形成的焊縫接頭重熔并且設置為通過內部引導設備沿接頭被引導。內部對齊夾具也可夾持無損檢測(NDT)裝置，該裝置包括例如一個或更多個電子攝像機，用于從管段內側對根部焊縫進行無損檢測。內部對齊夾具可包括用于實施內部焊縫的整合式等離子體焊接設備。焊接站可包括內部對齊夾具和與內部對齊夾具分開設置的內部焊接設備。例如，內部焊接設備可設置在獨立于內部對齊夾具可移動的臺架上。內部焊接設備可以設置為限定用于容納操縱軸或工作軸的中央開口區域。在這種情況下，具有內部對齊夾具和操縱組合件以及外部焊接設備的現有焊接站裝置可易于修改以通過將內部焊接設備安裝在現有裝置的內部對齊夾具例如內部對齊夾具的前部上來實施本發明的方法。外部焊接設備的焊頭可以是自耗電極焊頭(如GMAW焊頭)。內部焊接設備的焊頭可以是非自耗電極焊頭。內部焊接設備可包括GTAW焊接設備。內部焊接設備可包括等離子體焊接設備。內部焊接設備可包括一個或更多個GTAW和/或等離子體焊頭。根據本發明的第三方面，本發明還提供一種管道鋪設船，其包括在管道鋪設方向上串聯設置的多個焊接站，其中至少一個焊接站是根據本發明的焊接站。當然應該理解的是，涉及本發明一個方面的特征可引入本發明的其它方面中。例如，本發明的方法可以弓I入參考本發明的設備描述的任何特征，反之亦然。


以下僅參考所附示意圖通過舉例描述本發明的實施方案，其中圖Ia是根據常規技術焊接在一起的兩個CRA復合管的縱向截面圖；圖Ib是沿圖Ia中的線B-B截取的圖Ia所示管的截面圖；圖2是根據常規技術焊接在一起的兩個管之間的焊縫接頭的縱向截面圖；圖3a_3c是通過根據本發明實施方案的方法焊接的坡口 CRA復合管段的縱向截面圖；圖4a和4b示出根據本發明實施方案焊接在一起的兩個管；圖5a_5c是示出第一管接頭的截面的照片，包括示出在實施實施方案的焊接方法期間和之后焊縫的截面；圖6a_6c是類似于圖5a_5c的照片，只是示出的是第二管接頭的截面；和圖7a_7c是類似于圖5a_5c的照片，只是示出的是第三管接頭的截面。
具體實施例方式本發明當前描述的實施方案涉及在從浮船上鋪設水下管道的方法期間將耐腐蝕合金(CRA)復合管段對焊在一起。通過將連續管段焊接至管道末端來從船外鋪設管道。在鋪設管道時，正在鋪設的管道中存在顯著的張力并且通常為約數百千牛。在鋪設和后續使用管道期間，管道接頭可承受疲勞載荷。
因此特別重要的是，確保組成管道的管段之間的接頭具有極高的質量。在接頭已從船上下放置水中后管道中任何接頭的失效都有可能是危險的和極其高代價的。圖Ia示出兩個管段2的縱向截面圖。第一管段2a通過焊縫4連接至第二管段2b。所述管段是內部包覆有耐腐蝕合金(CRA)6的碳鋼管(圖lb)，在這種情況下CRA可以是鎳合金，但也可以是奧氏體不銹鋼或其它CRA材料。焊縫4為環焊縫形式并且通過圖2所示的截面更詳細顯示。焊縫4是通過在兩個管2a、2b之間的區域中沉積獨立的焊接材料層的一個或更多個焊炬形成的。在圖2中，示出焊接后的焊接接頭的不同層。焊接接頭包括根部區4r ;兩個熱焊接道次區4hl、4h2 ;五個填充區4H 4f5和焊縫蓋面區4c。圖2是各個區的示意圖，它們在最終焊縫中可能不容易分辨，而是作為大致的尺寸指示，每個填充區4f具有通常0. 5-3mm數量級的深度。以下參考附圖3a 7c描述涉及CRA復合管形式的管道的形成方法的本發明實施方案。
管道是通過將新管段焊接到保持在管道鋪設船上的管道末端來鋪設的。管道在連接前形成坡口以在管2a、2b之間產生間隙。一個管段2a由正在鋪設的管道末端所限定。另一管段2b是加在管道末端用以延長管道的新管段。不同的坡口形狀在本領域中是公知的。本實施方案中使用的坡口形狀是通過管的相對末端限定的待形成的焊接接頭的側面對于焊接接頭的大部分深度接近平行的形狀。圖3a示出典型的坡口形狀(焊接前)的示意圖。圖3b示出作為替代方案的幾何形狀，這將稍后描述。坡口尺寸的確切參數選擇取決于許多因素。在這個特殊的實施方案(根據圖3a的幾何形狀)中，管的內表面上不存在倒角(在CRA材料6上的倒角)或很小，因此不存在需要在管的內表面上通常的間隙。因此，限定第一實施方案的坡口形狀的參數(其采用包括3mm CRA材料層6的壁厚為約20mm的管2)如下A = 4mm ;B = 3. 5mm ;C = 3. 5mm ;D < 0. Imm ;G = 3° ;R! = 3. 5mm。管段2a、2b —旦形成坡口就進行端對端設置，由此限定待焊接的周向接頭8。例如，圖3a所示的坡口幾何形狀限定如圖3c中示意性示出的待焊接的接頭8。形成高質量的根部焊縫4i■是至關重要的。提供第一焊接站用于形成管段2a、2b之間的根部焊縫。管道通過內部對齊夾具(未示出)對齊并保持在合適位置。焊接站包括外部焊接設備，所述外部焊接設備包括設置為圍繞管段間隔180度(即在管2的相對兩側)的兩個外部GMAW(MIG)焊頭。在圖4a、4b中只示出一個這樣的外部焊頭10。焊頭10以本領域公知的方式安裝在夾在管外側的外部引導設備上(如“bug-on-band”系統)。在使用中，焊頭10部分地被外部引導設備沿待焊接的接頭8引導，所述外部引導設備包括坡口跟蹤系統(雖然在其它實施方案中，焊接操作者可協助跟蹤和追蹤坡口)。每個外部焊頭10具有一個焊炬(但在其它實施方案中，每個焊頭可具有兩個以上的焊炬)，其形式為使用填充焊絲的自耗電極焊炬。外部焊頭10設置為從管段外側同時將管段焊接在一起以形成焊接接頭4。如果焊縫圍繞管的周向形成，則該焊接過程通常稱為環縫焊接。在第一焊接站處，還提供內部焊接設備。該內部焊接設備包括上述將管保持在適當位置的ILUC(內部對齊夾具，在圖4a、4b中未顯示)。該ILUC還擁有內部引導設備(圖4中未顯示)和單個內部焊頭12。內部焊頭12攜有單個的使用非自耗鎢電極的氣體鎢極電弧焊GTAW(TIG)焊炬。內部GTAW焊頭設置為在惰性氣體通常為含氬氣的混合物的保護下操作。在使用時，內部焊頭12部分通過內部引導設備和部分通過焊接操作者沿待焊接的接頭引導。焊接操作者可以通過操縱桿控制焊炬跨坡口寬度的移動(在平行于管軸的方向上)，同時通過安裝在ILUC上的在操作者可視的視頻顯示器上提供視頻反饋的攝像系統來監測焊接位置。該實施方案的方法包括使用外部焊頭10實施在待焊接的接頭8的根部的外部焊接道次，在此期間將焊接材料沉積在接頭根部中，由此形成根部焊縫4r。同時使用兩個獨立的外部焊頭10在圍繞管2的不同周向位置在根部中沉積焊接材料。隨后，使根部焊縫4r冷卻并開始凝固。在使用外部焊頭10實施焊接道次填充以形成更高的層(熱焊接道次區4hl、4h2)的同時，使用內部焊頭12實施在根部焊縫4r上的內部焊接道次。焊頭上的內部焊炬的行進速度為25厘米/分鐘并在150A下操作。這種內部焊接道次使外部焊接設備沉積的根部焊縫熔融，而不使用任何額外的填充材料。根部焊縫4r通常被重熔，因為焊縫隨后將凝固或至少部分凝固。內部焊接道次使根部焊縫和深度約I. 5-2mm的周圍材料熔融。由此產生的焊珠的寬度為約8 10_。這使得對于其橫向位置的變化的裕度相對高，并使得焊接操作者相對容易且具有足夠精度地弓I導內部焊接設備。
圖4a表示外部焊接道次性能，而圖4b表示內部焊接道次性能。根部焊縫4r形狀的改變具有幾個潛在的益處并且可以提高根部焊縫的質量。僅通過外部焊接工藝形成的根部焊縫的質量會受到諸如以下因素的不利影響 高低點過高(管壁未對齊，由管段的不同形狀和/或管軸未對齊所致)，影響結構完整性； 缺乏根部焊縫熔透，影響結構完整性； 根部焊縫熔透過度，使焊縫更容易受到腐蝕；和 根部焊縫凹陷、焊縫形狀粗糙和/或焊縫形狀的輕微缺陷，使焊縫更容易受到腐蝕和/或影響結構完整性。高低失配可以產生在相鄰管段之間的臺階，從而導致在疲勞載荷期間的應力集中，因此潛在地影響焊接接頭的機械和結構完整性。使該步驟區域中的焊縫熔融和平坦化的內部焊接道次因此可以具有提高焊縫的質量和結構強度的作用。如果外部焊接道次產生未與管完全熔合的根部焊縫，則有可能是在管的內表面附近缺少熔合。因此，內部焊接道次可重熔根部焊縫，使得其與管具有更好的熔合。應該指出的是，根部焊縫4r的重熔不會對根部焊縫的力學性能產生不利的影響。如果外部焊接道次產生具有粗糙形狀的根部焊縫，例如具有懸垂部或凹陷部或伸入管內的大突起，則實施在根部焊縫上的內部焊接道次的步驟使根部焊縫的形狀平滑和平坦，使它較不易被腐蝕。焊縫中的小缺陷，例如管的內表面上或附近的小裂紋可通過焊縫重熔而被移除。以下將參考圖5a 7c來描述影響焊縫質量和可接受性的部分上述因素以及本實施方案提供的解決方案。圖5a是示出內部焊縫前進(從左到右)的內表面照片。圖5b示出管2a、2b在尚未經歷內部焊接道次的根部焊縫4r區域中的截面圖(沿圖5a中指示的表面B-B)，圖5c示出管2a、2b在經歷內部焊接道次的根部焊縫4r區域中的截面圖(沿圖5a中指示的表面C-C)。圖5b的截面圖示出具有約3mm的高低點。在內部GTAW焊接道次之后，在內表面上的焊珠4i的形狀改變焊縫4的形狀，使得高低臺階變成逐漸傾斜。圖6a是示出在不同的成對管段2a、2b上的內部焊縫的前進(從左到右)的內表面照片。圖6b示出管2a、2b在尚未經歷內部焊接道次的根部焊縫4i■區域中的截面圖(沿圖6a中指示的表面B-B)，圖6c示出管2a、2b在經歷內部焊接道次的根部焊縫4r區域中的截面圖(沿圖6a中指示的表面C-C)。圖6b的截面圖示出外部焊接道次形成的外部焊縫4e對CRA層6的熔透不足。這種熔透不足例如是由于高的根部表面造成的。在內部GTAW焊接道次之后，內表面上的焊縫4i使CRA層6和外部焊縫4e熔融，使得焊縫4完全熔透。
圖7a 7c是示出在存在3mm的高低點以及焊接材料的不規則且過度熔透時內部TIG焊接道次前后的內表面和根部焊縫4i■的照片。圖7b的截面圖(沿圖7a中指示的表面B-B截取)表明，存在約3mm的高低點和具有非常粗糙和邊緣尖銳輪廓的焊接材料懸垂。特別是對于右側的管段2b而言，存在焊接材料的熔透過量。如圖7c所示(示出沿圖7a中指示的表面C-C的截面)，在內部GTAW焊接道次之后，內表面上的焊珠4i改變焊縫4的形狀，使得高低點臺階變成逐漸傾斜，并且焊縫的懸垂和粗糙形狀得到平滑和平坦化。因此，根部焊縫的形狀可顯著改善以提供增強的疲勞性能，提高根部焊縫完全熔合的前景和減少管接頭中存在的缺陷。在完成內部焊接道次后，再次使根部焊縫凝固。內部焊接步驟可包括利用內部焊接設備進行一次、兩次或甚至三次焊接道次。在完成在根部焊縫上的內部焊接道次后，在第一焊接站進行無損檢測(NDT)。NDT檢測包括利用超聲波探測器檢測根部焊縫和利用安裝在ILUC上的攝像系統進行管內部的目視檢查。如果檢測到焊縫缺陷，則缺陷可以是能夠 通過實施一個或更多個其它內部焊接道次并且利用GTAW使根部焊縫重熔而簡單修復的缺陷。與在本發明的該實施方案的方法期間制作的常規焊接道次不同的是，用于修復根部焊縫的所述一個或更多個內部焊接道次包括添加焊縫填充材料。在第一站進行NDT檢測操作以及修復過程(如果認為必要的話)后，將管段轉移到后續的焊接站，在后續焊接站中實施更多的外部焊接道次，包括最終的蓋面焊接。上述實施方案的方法和設備具有許多有利的特征 第一外部焊接道次可利用同時使用的兩個焊頭和更高的行進速度而更快速地沉積。這可能是因為不需要利用該外部焊珠持續實現完全熔透，因為完全熔合可以通過GTAW焊接道次在內部實現。 大大減少焊接周期時間和提聞生廣率。 利用GTAW焊炬通過內表面內部I. 5 2mm的重熔實現完全焊珠熔合和完全熔透的高度保證。 內部焊珠的輪廓極為平坦并且對于抗腐蝕和/或抗疲勞性能最佳。 可以在全部焊接位置中重塑內部焊珠的形狀，而不論管的取向如何。 該技術對于管裝配的變化具有較高的裕度。因此，在第一站中裝配管時需要更少的時間。在復合管的采購過程中，管的公差也變得不那么重要，因為管可以高低值至多為3_的足夠高的焊接質量進行連接，這可使這些項目中的成本降低。 在內部焊接道次上使用的GTAW工藝相對簡單，不需要填料焊線，并具有更高的可靠性。 用于焊接復合管的現有技術需要相對寬的坡口以實現第一外部焊接道次的充分熔透。由于在隨后進行內部GTAW焊接道次時實現外部完全熔透并不重要，所以可以減少坡口的總寬度。這有利于減少填充焊接道次的數目。也具有減少填充焊接道次中的缺陷率的潛在可能，因為隨著更寬坡口所需的擺動寬度的增加，在更高的焊接道次中產生熔合不足缺陷的趨勢更高。 在內部使用GTAW允許在被拒絕時一定程度地修復根部焊珠，因為焊珠可通過進一步的焊接道次而重熔。在現有技術中，在根部焊珠被拒絕時沒有修復選項，其結果是整條焊縫通常被切除。
因為根部焊接道次被重熔，所以不需要在外部焊接道次前吹掃焊縫區。內部GTAW工藝給出具有低氧化和增強的抗腐蝕性能的最終焊珠表面。該設備當然還可用于不同的坡口幾何形狀。坡口幾何形狀可被適當地適應性修改。應該牢記的因素包括1)如果不使用銅襯墊，則根部面可能需要足夠厚以維持第一外部焊縫；2)尺寸C必須厚于包覆層，以減少在第一外部焊接道次的焊接過程中涉及的CRA材料；3)可能需要提供用于內部焊接設備的內部凹槽和在內部焊接道次上使用的填充材料，在這種情況下，尺寸D和角度E需要調節尺寸以使TIG弧完全到達進入槽中，但上述尺寸和角度不能太大，以避免沉積過量的填充金屬。上述實施方案的設備可用于圖3b所示的坡口幾何形狀。圖3b所示的坡口可通過以下一組參數進行限定A = 3. 2mm ;B = 2. 3mm ;C = 3. 8mm ;D = 4mm ；E = 15。；G = 3。；R1 = 3. 2，R2 = 2. 4mm。將會觀察到，這些參數需要使用在內部焊接道次上的填充材料以橋接形成在管內表面上的管段3a、3b之間的凹槽。在進行CS和CRA材料之間的異質焊接時，尤其是考慮到對于所得的焊接接頭的冶金學可能產生的不利后果，需要仔細考慮坡口尺寸和實施內部和外部焊接的方式的選擇。例如，高Ni合金往往易于熱開裂，其原因在于1)由于不同材料(碳鋼)的稀釋導致劣化的大幅度的凝固間隙；2)焊縫區中存在雜質(S、P、低熔點金屬)；和3)稀釋，Ni比例下降至30% 50%，導致高度易于發生熱開裂。據認為，在實踐中允許(考慮到結構完整性的風險)CS基體材料與CRA填充材料焊接，但反之不行。在任何情況下，有利的是減少CRA材料的稀釋量以不妨礙CRA材料的防腐蝕性能。在本實施方案中，坡口幾何形狀允許后續在CS基體材料上使用合適的填充焊絲(例如“Inconel”焊絲，Special Metals Corporation, of New York, US制造的奧氏體鎮絡基超合金)進行內部焊接。應該指出的是，坡口的選擇也可能影響內部和外部弧之間的相互作用(GTAW^PGTMW)，如果該弧同時使用并且同時跨越同一位置的話。電弧可通過與一個焊炬相關的磁場進行相互作用，使得另一電弧被干擾并造成偏差(磁吹作用)。在同一位置同時使用內部和外部電弧可能使焊接材料過熱，潛在地導致燒穿，這可能損傷焊炬中的一者或兩者和/或產生不可接受的缺陷。然而，已發現由于同時使用內部和外部弧，使得一層焊縫沉積提供足夠保護以防止不期望的影響。雖然本發明已參考特定實施方案進行描述和說明，但是本發明所屬技術領域的普通技術人員將會理解本文中沒有明確說明的許多不同的變化方案。僅僅作為舉例，以下將描述一些可能的變化方案。上述實施方案的設備可用于焊接標準(非復合)鋼管。實施方案具有例如對于高度疲勞敏感的碳鋼懸垂立管的應用。可以在沉積外部根部焊接道次到完全完成所有外部焊接道次之間的任意點處實施進行根部焊縫形狀控制的內部焊接道次。不需要在第一焊接站實施內部焊接道次。內部焊接方式可以包括等離子體焊炬，而不包括氣體鎢電弧焊GTAW(TIG)焊炬。對于提高效率和可靠性可以有進一步的發展，列舉如下-PAK或等離子體-MIG混合)技術對于提高內部焊接道次的行進速度、熔透控制和電極耐久性的評估。-TIG熱焊線工藝對于提高填料金屬沉積(如果內部焊接道次需要的話)的評估。
對可市購的特殊焊劑允許增加TIG工藝的熔透性的評估和研究。這可有助于解決在異質焊接過程中由于不同材料的可潤濕性造成的最終問題。 對添加少量H2的不同氣體混合物組成應提高熔透性和限制焊珠表面氧化的評估。如果在上述說明中，提及的整體或要素具有已知、明顯或可預見的等同替代方案，那么這種等同替代方案在此單獨列出并入本文。在引用權利要求書來確定本發明的真正范 圍時，應解釋為包括任何這樣的等同替代方案。閱讀者也應該理解，作為優選、有利或常規選擇等描述的發明的整體或特征是任選的，不限制獨立權利要求的范圍。此外，應該理解的是，這些任選的整體或特征，雖然在本發明的部分實施方案中可能有利，但是在其它實施方案也可能是不期望的并因此可能不存在。
權利要求
1.一種用于鋪設管道的方法，其中將管段焊接在一起以形成所述管道，其中所述方法包括以下步驟 將待焊接的管段提供至管道末端， 將所述管段設置為與所述管道末端鄰接，由此限定待焊接的周向接頭， 在所述待焊接的接頭的根部上實施外部焊接道次，在此期間在所述待焊接的接頭的根部中沉積焊接材料，由此形成根部焊縫，和 在所述根部焊縫上實施內部焊接道次，在此期間所述根部焊縫被熔融并被重塑。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟利用非自耗電極實施。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中所述在根部焊縫上實施外部焊接道次的步驟利用自耗電極實施。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述在根部焊縫上實施外部焊接道次的步驟包括同時使用多個獨立的焊頭在圍繞所述管的不同周向位置在根部中沉積焊接材料。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中 所述在所述接頭的根部上實施外部焊接道次的步驟產生根部焊縫，所述根部焊縫在所述管的內表面上具有粗糙的形狀，并且 所述在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟使所述根部焊縫重熔和重塑，使得在所述管的內表面上，所述根部焊縫具有更平滑的形狀。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中 所述在所述接頭的根部上實施外部焊接道次的步驟產生未完全熔合至所述管的根部焊縫，并且 所述在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟使所述根部焊縫重熔，使得所述根部焊縫變為完全熔合至所述管。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中 所述方法包括在所述待焊接的接頭的焊帽上實施外部蓋面焊接道次的步驟，在此期間在所述待焊接的接頭的焊帽上沉積焊接材料，由此形成蓋面焊縫，并且 所述在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟在所述實施外部蓋面焊接道次的步驟完成前實施。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中在所述在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟之后，實施無損檢測(NDT)步驟，在此期間利用在所述管內部的一個或更多個攝像機來檢測根部焊縫的質量。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述方法包括對每個焊接接頭實施多次內部焊接道次。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述管道為多層管道，具有由不同于相鄰層的金屬制成的一個金屬層。
11.根據權利要求10所述的方法，其中 所述管道為內部具有抗腐蝕合金的碳鋼管道，和 (i)在所述接頭的根部上實施外部焊接道次的步驟以及(ii)在所述接頭的根部上實施內部焊接道次的步驟均包括將相同類型的焊接材料加到所述管道中的碳鋼材料中和所述管道中的抗腐蝕合金材料兩者中。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述管道的至少一部分形成海底懸垂立管的至少一部分。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述在根部焊縫上實施內部焊接道次的步驟包括使用等離子體焊接設備。
14.一種用于管道鋪設方法的焊接站，其中將管段焊接在一起以形成所述管道，其中所述焊接站包括 外部焊接設備，包括多個焊頭和外部引導設備，每個焊頭具有至少一個焊炬，所述焊頭設置為從所述管段的外側同時將所述管段焊接到一起以形成焊接接頭并且至少部分地通過所述外部引導設備沿待焊接的接頭被弓I導，和 內部焊接設備，包括夾持內部引導設備的內部對齊夾具和至少一個焊頭，所述焊頭設置為使由所述外部焊接設備形成的焊接接頭重熔并且設置為通過內部引導設備沿所述接頭被引導， 所述內部焊接設備和所述外部焊接設備設置為能夠同時操作。
15.根據權利要求14所述的焊接站，其中所述外部焊接設備的焊頭是自耗電極焊頭，并且所述內部焊接設備的焊頭是非自耗電極焊頭。
16.根據權利要求14或15所述的焊接站，其中所述內部焊接設備包括等離子體焊炬。
17.根據權利要求14 16中任一項所述的焊接站，其中所述內部對齊夾具還夾持用于從所述管段的內側對所述根部焊縫實施無損檢測的無損檢測(NDT)設備。
18.—種管道鋪設船，包括在管道鋪設方向上串聯設置的多個焊接站，其中所述焊接站中的至少一個是根據權利要求14 17中任一項所述的焊接站。
全文摘要
描述了一種用于鋪設管道的方法，其中實施內部焊接道次和外部焊接道次以將管段(2a、2b)焊接在一起。所述方法包括將管段(2b)設置為與管道末端(2a)相鄰，由此限定待焊接的周向接頭(8)，利用例如GMAW-MIG焊炬(10)在待焊接的所述接頭(8)的根部(4r)上實施外部焊接道次，在此期間在待焊接的所述接頭(8)的根部(4r)中沉積焊接材料，由此形成根部焊縫(4r)，隨后利用例如GTAW-TIG焊炬(12)在所述根部焊縫(4r)上實施內部焊接道次，在此期間所述根部焊縫(4r)熔融并被重塑。所述方法特別適用于采用抗腐蝕合金(CRA)(6)包覆的管。
文檔編號B23K9/167GK102639274SQ201080054747
公開日2012年8月15日 申請日期2010年11月30日 優先權日2009年12月1日
發明者喬納森·鮑爾斯 申請人:塞彭公司