油氣改造平臺雙金屬復合鋼管施工技術應用

程 隆* 王智宇 朱 澧 王 勇 施汶娟

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

雙金屬復合鋼管由外基管和內襯管組成，外基管負責承壓和管道剛性支撐的作用，內襯管承擔耐腐蝕的作用，在中海油中東某改造平臺項目中采用的管線直徑為520 mm，外基管為壁厚為79.8 mm 的低溫碳鋼層、內襯管為壁厚為3 mm 的鎳基合金層，總壁厚為82.8 mm 的雙金屬復合鋼管。這種復合鋼管比普通單金屬鋼管硬度更大、抗拉伸強度更好，在陸地預制時可采用大型機床切割、大型自動或半自動焊機焊接，而受到海上老舊平臺操作空間的限制，沒有足夠的場地來使用這些大型機具，如何完成雙金屬復合鋼管的現場施工成為技術難點，也是海上油氣改造平臺順利投產的關鍵點。本文針對改造平臺方面雙金屬復合鋼管的施工工序、施工工藝、施工設備提出了相關解決方案。

1 施工工序

管線切割與開坡口→管線吊裝和倒運→組對和封堵管端→充氬氣和焊接→無損檢測→熱處理→法蘭管理→水壓試驗→氦氮試驗→焊道補漆。

2 施工工藝

2.1 切割與開坡口

由于操作空間限制海上老平臺無法使用大型設備進行操作，切割與開坡口可使用外卡插口分瓣式管道切割坡口一體機，該坡口機可以同時安裝2 個刀口，切割刀和坡口刀各1 個，使切割與開坡口一次成型，動力源為液壓泵站，設備如圖1 和圖2 所示。外基管為低溫碳鋼層時可使用不銹鋼或碳鋼材質的坡口刀，而內襯管為鎳基合金層到需使用合金材質的坡口刀。

圖1 坡口機

圖2 坡口機配套液壓泵站

對于總壁厚為82.8 m 的雙金屬復合鋼管，開口型式為80°和52.5°的復合V 型坡口，如圖3 所示，坡口刀使用10°和37.5°兩種刀口，切割和開坡口一道口總時長約36 h。

圖3 復合V型坡口

2.2 管線吊裝和倒運

管線直徑為520 mm、壁厚為82.8 mm 的雙金屬復合鋼管，每米質量為861.5 kg，海上改造單管最長為7 m，單管質量達6.8 t 且安裝就位于下層甲板，倒運就位非常困難，需使用大型浮吊和倒鏈，其中倒鏈懸掛在原有結構的焊接吊耳上。

2.3 組對和焊接

對于管線口和管線（或管件）口組對時，如果錯邊較多就不能正常組對，如果是外表面錯皮，就需要將超過壁厚的部分加工成過渡口，使過渡口直角邊比例為1:3；對于雙金屬復合鋼管的內錯皮修正，一定要保證內襯管最小壁厚要求，否則達不到防腐標準，同時應注意項目規格書是否要求在根部焊道完成后進行100%內檢測后才可繼續施焊。

雙金屬復合鋼管的焊材應根據焊接工藝程序選用，一般采用內襯管材質的焊絲；焊接過程對焊工要求較高，焊前打磨盡量使用拋光機，避免使用砂輪機過度打磨以免產生焊道“帶磁”，預熱溫度最小為50°，用丙醇烤把加熱，測氧儀應監測氧含量低于500 mg/L 時可焊接，嚴格控制焊接層間溫度處于150°內，并用測溫槍監測。對于總壁厚為82.8 mm的雙金屬復合鋼管，為了提高施工效率每道口采用2個焊工呈180°同時施焊，24 h 3 個班組輪換，現場焊接一道約需144 h。

2.4 無損檢測

對于大壁厚雙金屬復合鋼管陸地預制采用伽馬源進行檢驗，而在海上平臺考慮到伽馬源輻射危害性大、海上安全防護條件有限等一般采用分層檢驗法，即先填充10～15 mm厚度時使用射線機進行射線檢測，焊道整體焊接完成后將焊道打磨與母材平滑過渡進行超聲波和磁粉檢測，最后在管線焊道熱處理后再進行一次超聲波和磁粉檢測。

2.5 熱處理

熱處理即通過加熱釋放焊縫的集中應力，注意項目規格書要求碳鋼層壁厚超過多少范圍才可進行熱處理，熱處理可以采用電阻加熱或感應加熱局部熱處理方法，一般采用圖4 所示的陶瓷加熱片，加熱區域從焊縫兩側起25 mm 或3 倍焊焊縫厚度，二者取較大值。熱處理工件應包裹隔熱毯，以確保在加熱帶之外的溫度場處于逐遞減狀態，加熱器件兩端至少300 mm 范圍內，應包裹至少2 層隔熱毯，工作溫度低于150 ℃之前，不允許去除保溫材料，管線兩頭應使用防火棉封蓋以避免熱處理過程中管內空氣流通循環。熱處理開始之前在管下方設置支撐以防止撓曲變形，支撐材質必須是鋼，焊縫每側至少放置1個支撐并放置在沒有包裹隔熱毯的區域。熱處理時在315 攝氏度以下時，可以自由加熱，大于315 ℃時，加熱速率不能超過200×25.4/t℃/h（其中t為最大母材控制壁厚，mm），且最大不超過200 ℃時，最后在600～610 ℃進行保溫，保溫時間為2.4 min/mm，且不低于1h，然后開始冷卻，冷卻速率不能超過速率不能超過260×25.4/t℃/h，且最大不超過260 ℃/h。。對于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬復合管現場口一道約需12 h，熱處理完成后需再進行一次超聲波和磁粉檢驗，以保證熱處理過程不會對焊道進行損壞，熱處理后不允許在管線上進行任何焊接。

圖4 熱處理設備使用的陶瓷加熱片

2.6 焊道“消磁”

對于大壁厚的雙金屬復合鋼管焊道打磨，如使用砂輪機過度打磨便產生“帶磁”，即焊材熔化后受外力蹦出，海上改造平臺現場可使用便攜式指南針和鉗形電流表改造成臨時“高斯計”驗證該海管“帶磁”，然后采取“搭橋法”和“纏繞法”相結合方式進行“消磁”?！按顦蚍ā奔丛诤缚p四周均勻點焊母材鋼片在鋼片的間隙中點焊，之后再采用分段引磁、分段焊接完成焊接工作“纏繞法”即把電焊把線纏繞在管線上，電焊地線連接到管線上，焊接時電流通過線圈形成磁場，與原管線磁性相抵。

2.7 法蘭管理

確保螺栓連接法蘭節點的安全密封，包含螺栓緊固、螺栓抹潤滑脂、掛標志牌、加螺栓帽。

對于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬復合管，使用液壓螺栓拉伸器進行緊固，在第一組的交替的法蘭螺栓上安裝液壓工具，施加壓力A 緊固2 次，然后再把液壓工具轉移到第二組交替的法蘭螺栓上，施加壓力B 緊固2 次。

擰緊螺栓之前，需要在螺紋和PTFE 涂層上，以及螺母和法蘭的接觸面涂抹鎳基潤滑油。

最后在螺栓和法蘭的節點上掛綠色標志牌，在外露螺栓頭上加聚四氟已烯螺栓帽。

2.8 管線水壓試驗

試壓包批復→查線及A 類尾項整改完成→沖洗/吹掃→壓力試驗→清潔干燥→管線復位。

試壓包包含試壓包封面、查線跟蹤簽字、試壓包目錄、壓力數據表、試壓工藝圖、原工藝圖、加設三維圖（帶標注）、詳設三維圖（帶標注）等內容；壓力試驗前應必須先清除A 類尾項，影響投產的焊接、檢驗等工作；必須用水流先對系統進行沖洗。以670 kPa/min 速度緩慢升壓至0.17 MPa 保壓10 min，分別升至試驗壓力的25%、50%、75%保壓15 min，升至試驗壓力的100%保壓60 min；按以下分步降壓：以1 379 kPa/ min 緩慢泄壓至試驗壓力的75%，保壓15 min，分別降至試驗壓力的50%、25%，保壓15 min，最后再降至0。試壓完成后，用無油干燥氣體進行系統干燥；吹掃及壓力試驗時所有臨時拆除項在試壓完成后按照圖紙進行復位。對于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬復合鋼管，應使用飲用水試壓，pH 應為6.5～7.5，氯離子質量分數不超過25%，水壓試驗壓力達到647 kPa。

2.9 氦氮試驗

海上老平臺上進行氦氮試驗的設備布置詳見圖5，應特別考慮以下2 點。

圖5 拖輪上布置的試驗設備

（1）降低試驗壓力，減小安全風險。對于試驗壓力值，國際上普遍做法是采用0.95 倍設計壓力，對于總壁厚為82.8 mm 的雙金屬復合鋼管這樣試驗壓力值將達到328 kg，對于一個已服役多年腐蝕嚴重的老平臺來說，施工安全風險非常高，根據ISO 13703 2000，推動使用以1.1 倍的操作壓力代替0.95 倍的設計壓力使壓力降至165 kg。試驗壓力降低，不僅降低了安全風險，也節約了項目成本。

（2）充分考慮到海上老平臺空間限制和氣密高壓安全風險較大影響，將試驗設備布置在拖輪上，使用高壓軟管將氣體接入到測管線，遠程連接完成氦氮試驗。通過這種方式對海上老平臺現有設施影響降到最低，同時也降低了現場操作風險。

3 結語

雙金屬復合鋼管具有外基管和內襯管的所有優點，由于其自身具有較強的耐蝕性能和較好的經濟性已開始運用于海上油氣平臺，同時雙金屬復合鋼管施工技術要比純材金屬高，本文詳細介紹了海上油氣改造平臺雙金屬復合鋼管的施工工序、施工工藝、施工設備及注意事項，為后續受限空間條件下雙金屬復合鋼管施工提供了借鑒和參考。