CN102639274B - 通过内部焊接和外部焊接将管段焊接在一起的用于铺设管道的方法和焊接站 - Google Patents

通过内部焊接和外部焊接将管段焊接在一起的用于铺设管道的方法和焊接站 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于铺设管道的方法，其中实施内部焊接道次和外部焊接道次以将管段(2a、2b)焊接在一起。所述方法包括将管段(2b)设置为与管道末端(2a)相邻，由此限定待焊接的周向接头(8)，利用例如GMAW-MIG焊炬(10)在待焊接的所述接头(8)的根部(4r)上实施外部焊接道次，在此期间在待焊接的所述接头(8)的根部(4r)中沉积焊接材料，由此形成根部焊缝(4r)，随后利用例如GTAW-TIG焊炬(12)在所述根部焊缝(4r)上实施内部焊接道次，在此期间所述根部焊缝(4r)熔融并被重塑。所述方法特别适用于采用抗腐蚀合金(CRA)(6)包覆的管。

Description

通过内部焊接和外部焊接将管段焊接在一起的用于铺设管道的方法和焊接站
发明背景
本发明涉及将管道焊接在一起的设备和方法。特别但不唯一的是，本发明涉及在海上铺设水下管道时将复合管段或其它多层管段焊接在一起。
在海上从管道铺设船铺设水下管道时，管道的一端(有时称为“管柱”)由船保持，并且管段被焊接到该管道末端。随后，将管道和新焊接的管段从船上输出，因此这个过程可以重复。对于管道在铺设过程中所经历的高拉伸载荷而言，焊接接头必须是高质量的。焊接接头质量的关键是管道一旦安装就处于暴露在海中有规律的变化运动的位置处(例如管道为悬垂立管形式时)。在这种情况下，焊接接头必须能够承受其将经历的疲劳载荷。
设计用于传输腐蚀性或能够损坏标准钢管的液体或气体的管道通常在内部包覆或以其它方式内衬有CRA(耐腐蚀合金)。此外，逐渐发现，这种CRA内衬管道对于开采远距井提供了一种经济的解决方案。CRA内衬管是通过将CRA圆筒体冶金接合或压制到碳钢(CS)管内侧上而制造的。
这种将CRA内衬管焊接在一起的工艺远比焊接标准CS管要复杂的多。应该指出的是，CRA管道的生产速率通常是相同尺寸的CS管道的生产速率的1/4或1/5。典型的包覆CRA材料的CS管和在其间形成的焊接接头示于图1a、1b和2中。
一种用于焊接CRA内衬管段的已知技术是使用单个外部安装的半自动GMAW焊头用于沉积关键的第一焊接道次(其称为根部焊接道次)，接着进行内部检查以确保根部焊缝的质量具有足够高的标准。焊接区用保护性的防护气体(通常是惰性气体，如氩气)进行吹扫以降低焊接材料的氧化风险。内部检查包括超声波检测方式和摄像机辅助进行的目视检查。需要进行目视检测是因为超声波测试会由于CRA材料的剩余磁化强度而易于得到错误结果。
由于根焊工艺的特性，难以确保适当的焊透深度。整个焊接过程对于许多参数(如接头装配、磁性水平)的变化，甚至是气体组成的小变化是非常敏感的。尽管该焊接工艺提供了很大程度的自动化，但是焊缝验收仍然非常依赖于焊接者的技术。完成最初的两条根部焊接道次和进行内部检验的总周期时间相对延长。此外，如果根部焊缝不能满足严格的验收标准，则通常情况下不进行根部焊缝修复，而是将整个焊接接头切掉，从而导致进一步的迟延。接头被焊接至热焊接道次阶段并在移出焊接站之前进行内部检查。当正在实现稳态生产时，可以实现约30分钟的第一焊接站的焊接周期时间，但实现该持续时间的焊接周期可能是海洋管道铺设时的挑战。应该理解的是，在根部焊缝完成后，将管道移到后续焊接站以使用其它焊接道次进行填充和/或以其它方式进行处理/测试。但是，在制作根部焊接道次的焊接站处的操作往往是限速步骤。
本发明旨在减轻上述问题。作为替代或除此之外，本发明旨在提供改进的管道铺设方法、改进的焊接方法和/或改进的管道焊接设备。
发明内容
本发明提供一种管道铺设方法，其中管段焊接在一起形成管道。应该理解的是，管段和管道可简称为管。该方法包括以下步骤：将待焊接的管段提供至管道末端；将管段与管道末端相邻设置并由此限定待焊接的周向接头；在待焊接的接头的根部上实施外部焊接道次，在此期间在待焊接的接头的根部沉积焊接材料，从而形成根部焊缝；以及在根部焊缝上实施内部焊接道次。有利的是，在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤使根部焊缝熔融并重塑。已形成的根部焊缝的熔融可以进行为使得内表面重熔至大于0.5mm，更优选大于1mm的深度。这种根部焊缝的重熔可以提高在焊接接头根部实现完全熔合的机会，这以其它方式是难以可靠实现的。从管内部的根部焊缝的重塑可全面提高焊接质量和降低焊缝因不符合验收标准而被拒绝的几率。
该方法包括在待焊接的接头的根部上实施外部焊接道次的步骤和在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤。用于实施外部焊接道次的设备称为外部焊接设备，而用于实施内部焊接道次的设备称为内部焊接设备。
实施外部焊接道次以形成根部焊缝的步骤可采取使得根部焊缝区域的内管表面熔融或变形的方式进行。通过外部焊接道次形成的根部焊缝熔透穿过管的内表面会留下不规则且不期望的焊缝。从管内重塑该焊缝可具有如下所详述的显著益处。
从管内侧进行根部焊缝重塑可减少由于管道未对齐而造成的焊缝被拒绝的风险。如果管段未与相邻的管道末端完全对齐，则可能在围绕管周的特定周向位置处存在“高低点(hi-lo)”(从一个管段到相邻管段的台阶)。如果高低点过大，则焊缝将被拒绝。在本发明的实施方案中，可以容纳约1.5mm的高低点台阶，使得管道装配(对齐)所需的时间更短。管段的形状和尺寸方面的可接受公差也不再那么重要，从而允许潜在的成本节约。
在对同一焊缝的外部焊接步骤后进行内部焊接步骤的应用可以允许对根部焊缝中的特定缺陷以现有技术中不可设想的方式进行修复。例如，在现有技术的铺设海洋管道的焊接方法中，当根部焊珠被拒绝时没有修复选项：在这种情况下通常切除整个焊缝。
根部焊缝重熔可以提高焊缝和管之间熔合的充满度。已知窄坡口会导致缺乏侧壁熔合，尤其是在焊缝根部附近。然而，本发明的方法可以提高焊缝熔合的充满度，从而允许窄坡口更容易使用。窄坡口的最大宽度可小于10mm，优选小于7mm。管厚度(例如可为10～30mm)与坡口最大宽度之比优选为10∶1～1∶3，更优选6∶1～20∶7。
在根部焊缝上的内部焊接道次优选通过电弧焊实施。内部焊接道次可以采用非自耗电极实施。在根部焊缝上的内部焊接道次可以在不添加焊缝填充材料的情况下实施。在根部焊缝上的内部焊接道次可以例如通过自体焊接工艺实施。内部焊缝可采用等离子体焊接设备实施。内部焊缝可采用激光焊接设备实施。内部焊缝可通过采用钨电极的焊接设备实施。例如，用于形成内部焊缝的设备可包括GTAW(气体钨极电弧焊)焊炬，例如TIG(钨极惰性气体)焊炬。在根部焊缝上的内部焊接道次可以在一个或更多个用于引导内部焊接的摄像机的协助下实施。所述一个或更多个摄像机可以例如用于在视频显示装置上生成现场图像。内部焊接设备可以是部分手动控制的。例如，焊接操作者可以使用输入设备例如操纵杆，其允许操纵内部焊接设备或以其它方式进行控制。内部焊接设备可以是至少部分自动控制的。内部焊接设备可以例如以基本恒定速度沿待焊接的接头进行焊接。内部焊接设备可包括自动焊接电压控制(AVC)单元。内部焊接设备可包括内部对齐夹具，其布置为使得管对齐并在准备进行焊接的位置处夹紧。一个或更多个焊头可安装在内部对齐夹具(ILUC)上。
在根部焊缝上的外部焊接道次的实施步骤优选通过电弧焊实施。外部焊接步骤优选包括在焊缝中添加焊缝填充材料。外部焊接步骤可以使用自耗电极实施。外部焊接步骤可包括实施GMAW(气体金属电弧焊)工艺。例如，GMAW工艺可以是MIG(金属惰性气体)工艺。外部焊接设备可以是至少部分自动控制的。外部焊接设备可以例如以基本恒定速度沿焊缝进行焊接。外部焊接设备可包括自动焊接电压控制单元。外部焊接设备可包括一个或更多个焊炬，所述焊炬设置为自动跟踪(即跟随)待焊接的接头的路径中心。焊头可设置为跨越焊接接头的宽度摆动。外部焊接设备可包括在其上安装一个或更多个焊头的外部夹持机构，例如带。外部焊接设备可包括设置为绕管行进的一个或更多个自动焊接机(weldingbug)。
在根部焊缝上的外部焊接道次需要使用惰性气体的情况下，内部焊接道次(其中根部焊缝重熔)优选得到具有低氧化性的最终表面，从而减少在外部焊接道次前利用惰性气体吹扫焊缝区的需求。例如，内部GTAW焊接过程可得到具有低氧化性并且潜在改善腐蚀性能的最终表面，并且即使根部焊缝重熔也不会对根部焊缝的力学性能产生不利影响。
在根部焊缝上的外部焊接道次可包括同时使用多个独立的焊头。例如，多个焊头可以在围绕管的不同周向位置在根部中沉积焊接材料。第一外部焊接道次可利用同时使用的两个以上的焊头更快地沉积。可不必要求始终实现外部焊接道次的完全焊透，这是因为完全熔合可稍后通过内部焊接道次来实现。两个独立的焊头可定位为绕管周向相距超过60度。例如，这2台外部焊头则可彼此相对设置(即相距约180度)。
在接头根部上的外部焊接道次的实施步骤可包括管内表面至超过1mm深度处的重熔。管内表面的重熔深度可小于4mm。典型的重熔深度可为1.5～2.5mm。
在接头根部上的外部焊接道次的实施步骤可产生根部焊缝，所述根部焊缝在管的内表面上具有粗糙的形状。在这种情况下，有利的是内部焊接道次重熔并重塑根部焊缝，使得根部焊缝在管的内表面上具有更平滑的形状。通过使管的内表面上的根部焊缝平滑，根部焊缝可较不易发生腐蚀。具有粗糙形状的焊缝暴露出更多的单位体积表面积并且更易腐蚀。具有粗糙形状的焊缝在沿截面观察时可例如具有突出部分。具有粗糙形状的焊缝可例如具有在1mm距离(例如沿纵向)上高度方面(沿管半径的尺寸)的形状变化超过1mm的截面。具有平滑形状的焊缝可基本平坦并且没有突出部分。具有平滑形状的焊缝可例如不具有在0.5mm距离上高度方面的形状变化超过0.5mm的部分。在接头根部上实施内部焊接道次的步骤优选实施为使得在管的内表面上的根部焊缝具有比在接头根部上的外部焊接道次的实施步骤后立即形成的根部焊缝形状更加平坦的形状。
在接头根部上的外部焊接道次的实施步骤可产生坡口上缺少熔合材料；根部焊缝未完全熔合至管。在这种情况下，内部焊接道次有利地使根部焊缝重熔，使其完全熔合至管。
对于给定的根部焊缝，该方法可包括对每个焊接接头只实施一次内部焊接道次。该方法可以包括对每个焊接接头只实施两次内部焊接道次。在一些实施方案中，该方法包括对每个焊接接头实施多次例如至少三次内部焊接道次。优选的是对每个焊接接头实施三次以下的内部焊接道次。在每个这样的内部焊接道次期间，根部焊缝均可以重塑。
内部焊接步骤可包括在焊缝中添加焊缝填充材料。在内部焊接道次期间添加填充金属可以例如使缺陷能够被修复并且还填充根部焊缝的凹陷。
该方法可以包括在待焊接的接头的焊帽上实施外部盖面焊接道次的步骤。例如，该方法可包括在待焊接的接头的焊帽上沉积焊接材料，由此形成盖面焊缝。在这种情况下，在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤可以在外部盖面焊接道次实施步骤完成之前进行。接头根部上的内部焊接道次可与外部焊接道次的实施同时实施。该方法可以实施为使得内部焊接道次仅在根部上的外部焊接道次已经完成后才启动。根部焊缝可以在不晚于根部焊缝上实施内部焊接道次的时间内已经凝固。
该方法可包括在其中实施无损检测(NDT)的步骤。例如，这种检测可以在在根部焊缝上实施内部焊接道次后进行。在无损检测(NDT)步骤中，可通过管内部的一个或更多个摄像机来检查根部焊缝的质量。在无损检测(NDT)步骤中，可通过超声检测来检测根部焊缝的质量。无损检测(NDT)步骤可以在外部盖面焊接道次实施步骤完成之前进行。无损检测(NDT)步骤可使用一个或更多个摄像机。
在其最广泛的意义上，本发明包括在铺设管道时将两个管段焊接在一起，所述管段随后被焊接至其它管段或管道。因此，两个管段中的一个可被认为是限定管道末端。但是，更常见的情况是，管段被加至显著长于该管段(例如长度超过10倍)的管道上。该管道可延伸进入水中，例如在所铺设的管道是海底管道的情况下。该管道的一端当然会保持在水上，例如保持在管道铺设船上，以允许将新的管段焊接至管道末端。
本发明的方法特别适用于管道为多层管道并且其具有由不同于相邻层的金属制成的一个金属层的情况。例如，管段可以是CRA内衬管道。在接头根部上的外部焊接道次的实施步骤可包括对接头添加第一类型的焊接材料。在接头根部上实施内部焊接道次的步骤可包括对接头添加第二类型的焊接材料。第二类型的焊接材料可具有不同于第一类型的组成。例如，可以在外部利用CS填充金属并且在内部利用CRA相容性填充材料来焊接复合管。第二类型的焊接材料可具有与第一类型的焊接材料相同的组成。例如，可以在外部和内部利用CRA相容性填充材料例如“Inconel”来焊接复合管。(i)实施外部焊接道次和(ii)实施内部焊接道次的步骤可共同包括将相同类型的焊接材料添加至碳钢材料和CRA材料两者。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钢和CRA材料两者。
本发明的方法特别适用于管道承受高载荷和/或疲劳载荷的情况。例如，至少部分管道可形成至少部分悬垂立管。该方法可以作为海洋管道铺设方法的一部分实施。该管道可以是水下管道或海底管道。
所述管可以管轴基本水平的方式焊接在一起。例如，铺设方法可以是S-铺设方法。所述管可以垂直多于水平的方式焊接在一起。例如，铺设方法可以是J-铺设方法。管的取向不需要在材料上影响内部焊接可重熔或重塑的程度。
根据本发明的第二方面，本发明还提供一种用于管道铺设方法中的焊接站。所述焊接站可包括外部焊接设备和内部焊接设备。内部焊接设备和外部焊接设备优选设置为能够同时操作。外部焊接设备可以包括多个焊头和外部引导设备，每个焊头具有至少一个焊炬，焊头设置为从管段外侧将管段同时焊接在一起以形成焊接接头并且至少部分地通过外部引导设备沿待焊接的接头引导。内部焊接设备可包括夹持内部引导设备的内部对齐夹具和至少一个焊头，所述焊头设置为使外部焊接设备形成的焊缝接头重熔并且设置为通过内部引导设备沿接头被引导。内部对齐夹具也可夹持无损检测(NDT)装置，该装置包括例如一个或更多个电子摄像机，用于从管段内侧对根部焊缝进行无损检测。内部对齐夹具可包括用于实施内部焊缝的整合式等离子体焊接设备。焊接站可包括内部对齐夹具和与内部对齐夹具分开设置的内部焊接设备。例如，内部焊接设备可设置在独立于内部对齐夹具可移动的台架上。内部焊接设备可以设置为限定用于容纳操纵轴或工作轴的中央开口区域。在这种情况下，具有内部对齐夹具和操纵组合件以及外部焊接设备的现有焊接站装置可易于修改以通过将内部焊接设备安装在现有装置的内部对齐夹具例如内部对齐夹具的前部上来实施本发明的方法。
外部焊接设备的焊头可以是自耗电极焊头(如GMAW焊头)。内部焊接设备的焊头可以是非自耗电极焊头。内部焊接设备可包括GTAW焊接设备。内部焊接设备可包括等离子体焊接设备。内部焊接设备可包括一个或更多个GTAW和/或等离子体焊头。
根据本发明的第三方面，本发明还提供一种管道铺设船，其包括在管道铺设方向上串联设置的多个焊接站，其中至少一个焊接站是根据本发明的焊接站。
当然应该理解的是，涉及本发明一个方面的特征可引入本发明的其它方面中。例如，本发明的方法可以引入参考本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。
附图说明
以下仅参考所附示意图通过举例描述本发明的实施方案，其中：
图1a是根据常规技术焊接在一起的两个CRA复合管的纵向截面图；
图1b是沿图1a中的线B-B截取的图1a所示管的截面图；
图2是根据常规技术焊接在一起的两个管之间的焊缝接头的纵向截面图；
图3a-3c是通过根据本发明实施方案的方法焊接的坡口CRA复合管段的纵向截面图；
图4a和4b示出根据本发明实施方案焊接在一起的两个管；
图5a-5c是示出第一管接头的截面的照片，包括示出在实施实施方案的焊接方法期间和之后焊缝的截面；
图6a-6c是类似于图5a-5c的照片，只是示出的是第二管接头的截面；和
图7a-7c是类似于图5a-5c的照片，只是示出的是第三管接头的截面。
具体实施方式
本发明当前描述的实施方案涉及在从浮船上铺设水下管道的方法期间将耐腐蚀合金(CRA)复合管段对焊在一起。通过将连续管段焊接至管道末端来从船外铺设管道。在铺设管道时，正在铺设的管道中存在显著的张力并且通常为约数百千牛。在铺设和后续使用管道期间，管道接头可承受疲劳载荷。
因此特别重要的是，确保组成管道的管段之间的接头具有极高的质量。在接头已从船上下放置水中后管道中任何接头的失效都有可能是危险的和极其高代价的。
图1a示出两个管段2的纵向截面图。第一管段2a通过焊缝4连接至第二管段2b。所述管段是内部包覆有耐腐蚀合金(CRA)6的碳钢管(图1b)，在这种情况下CRA可以是镍合金，但也可以是奥氏体不锈钢或其它CRA材料。焊缝4为环焊缝形式并且通过图2所示的截面更详细显示。焊缝4是通过在两个管2a、2b之间的区域中沉积独立的焊接材料层的一个或更多个焊炬形成的。在图2中，示出焊接后的焊接接头的不同层。焊接接头包括根部区4r；两个热焊接道次区4h1、4h2；五个填充区4f1～4f5和焊缝盖面区4c。图2是各个区的示意图，它们在最终焊缝中可能不容易分辨，而是作为大致的尺寸指示，每个填充区4f具有通常0.5-3mm数量级的深度。
以下参考附图3a～7c描述涉及CRA复合管形式的管道的形成方法的本发明实施方案。
管道是通过将新管段焊接到保持在管道铺设船上的管道末端来铺设的。管道在连接前形成坡口以在管2a、2b之间产生间隙。一个管段2a由正在铺设的管道末端所限定。另一管段2b是加在管道末端用以延长管道的新管段。不同的坡口形状在本领域中是公知的。本实施方案中使用的坡口形状是通过管的相对末端限定的待形成的焊接接头的侧面对于焊接接头的大部分深度接近平行的形状。图3a示出典型的坡口形状(焊接前)的示意图。图3b示出作为替代方案的几何形状，这将稍后描述。坡口尺寸的确切参数选择取决于许多因素。在这个特殊的实施方案(根据图3a的几何形状)中，管的内表面上不存在倒角(在CRA材料6上的倒角)或很小，因此不存在需要在管的内表面上通常的间隙。因此，限定第一实施方案的坡口形状的参数(其采用包括3mmCRA材料层6的壁厚为约20mm的管2)如下：A＝4mm；B＝3.5mm；C＝3.5mm；D＜0.1mm；G＝3°；R1＝3.5mm。
管段2a、2b一旦形成坡口就进行端对端设置，由此限定待焊接的周向接头8。例如，图3a所示的坡口几何形状限定如图3c中示意性示出的待焊接的接头8。
形成高质量的根部焊缝4r是至关重要的。提供第一焊接站用于形成管段2a、2b之间的根部焊缝。管道通过内部对齐夹具(未示出)对齐并保持在合适位置。焊接站包括外部焊接设备，所述外部焊接设备包括设置为围绕管段间隔180度(即在管2的相对两侧)的两个外部GMAW(MIG)焊头。在图4a、4b中只示出一个这样的外部焊头10。焊头10以本领域公知的方式安装在夹在管外侧的外部引导设备上(如“bug-on-band”系统)。在使用中，焊头10部分地被外部引导设备沿待焊接的接头8引导，所述外部引导设备包括坡口跟踪系统(虽然在其它实施方案中，焊接操作者可协助跟踪和追踪坡口)。每个外部焊头10具有一个焊炬(但在其它实施方案中，每个焊头可具有两个以上的焊炬)，其形式为使用填充焊丝的自耗电极焊炬。外部焊头10设置为从管段外侧同时将管段焊接在一起以形成焊接接头4。如果焊缝围绕管的周向形成，则该焊接过程通常称为环缝焊接。
在第一焊接站处，还提供内部焊接设备。该内部焊接设备包括上述将管保持在适当位置的ILUC(内部对齐夹具，在图4a、4b中未显示)。该ILUC还拥有内部引导设备(图4中未显示)和单个内部焊头12。内部焊头12携有单个的使用非自耗钨电极的气体钨极电弧焊GTAW(TIG)焊炬。内部GTAW焊头设置为在惰性气体通常为含氩气的混合物的保护下操作。在使用时，内部焊头12部分通过内部引导设备和部分通过焊接操作者沿待焊接的接头引导。焊接操作者可以通过操纵杆控制焊炬跨坡口宽度的移动(在平行于管轴的方向上)，同时通过安装在ILUC上的在操作者可视的视频显示器上提供视频反馈的摄像系统来监测焊接位置。
该实施方案的方法包括使用外部焊头10实施在待焊接的接头8的根部的外部焊接道次，在此期间将焊接材料沉积在接头根部中，由此形成根部焊缝4r。同时使用两个独立的外部焊头10在围绕管2的不同周向位置在根部中沉积焊接材料。随后，使根部焊缝4r冷却并开始凝固。在使用外部焊头10实施焊接道次填充以形成更高的层(热焊接道次区4h1、4h2)的同时，使用内部焊头12实施在根部焊缝4r上的内部焊接道次。焊头上的内部焊炬的行进速度为25厘米/分钟并在150A下操作。这种内部焊接道次使外部焊接设备沉积的根部焊缝熔融，而不使用任何额外的填充材料。根部焊缝4r通常被重熔，因为焊缝随后将凝固或至少部分凝固。内部焊接道次使根部焊缝和深度约1.5-2mm的周围材料熔融。由此产生的焊珠的宽度为约8～10mm。这使得对于其横向位置的变化的裕度相对高，并使得焊接操作者相对容易且具有足够精度地引导内部焊接设备。
图4a表示外部焊接道次性能，而图4b表示内部焊接道次性能。
根部焊缝4r形状的改变具有几个潜在的益处并且可以提高根部焊缝的质量。仅通过外部焊接工艺形成的根部焊缝的质量会受到诸如以下因素的不利影响：
·高低点过高(管壁未对齐，由管段的不同形状和/或管轴未对齐所致)，影响结构完整性；
·缺乏根部焊缝熔透，影响结构完整性；
·根部焊缝熔透过度，使焊缝更容易受到腐蚀；和
·根部焊缝凹陷、焊缝形状粗糙和/或焊缝形状的轻微缺陷，使焊缝更容易受到腐蚀和/或影响结构完整性。
高低失配可以产生在相邻管段之间的台阶，从而导致在疲劳载荷期间的应力集中，因此潜在地影响焊接接头的机械和结构完整性。使该步骤区域中的焊缝熔融和平坦化的内部焊接道次因此可以具有提高焊缝的质量和结构强度的作用。
如果外部焊接道次产生未与管完全熔合的根部焊缝，则有可能是在管的内表面附近缺少熔合。因此，内部焊接道次可重熔根部焊缝，使得其与管具有更好的熔合。应该指出的是，根部焊缝4r的重熔不会对根部焊缝的力学性能产生不利的影响。
如果外部焊接道次产生具有粗糙形状的根部焊缝，例如具有悬垂部或凹陷部或伸入管内的大突起，则实施在根部焊缝上的内部焊接道次的步骤使根部焊缝的形状平滑和平坦，使它较不易被腐蚀。焊缝中的小缺陷，例如管的内表面上或附近的小裂纹可通过焊缝重熔而被移除。
以下将参考图5a～7c来描述影响焊缝质量和可接受性的部分上述因素以及本实施方案提供的解决方案。图5a是示出内部焊缝前进(从左到右)的内表面照片。图5b示出管2a、2b在尚未经历内部焊接道次的根部焊缝4r区域中的截面图(沿图5a中指示的表面B-B)，图5c示出管2a、2b在经历内部焊接道次的根部焊缝4r区域中的截面图(沿图5a中指示的表面C-C)。图5b的截面图示出具有约3mm的高低点。在内部GTAW焊接道次之后，在内表面上的焊珠4i的形状改变焊缝4的形状，使得高低台阶变成逐渐倾斜。
图6a是示出在不同的成对管段2a、2b上的内部焊缝的前进(从左到右)的内表面照片。图6b示出管2a、2b在尚未经历内部焊接道次的根部焊缝4r区域中的截面图(沿图6a中指示的表面B-B)，图6c示出管2a、2b在经历内部焊接道次的根部焊缝4r区域中的截面图(沿图6a中指示的表面C-C)。图6b的截面图示出外部焊接道次形成的外部焊缝4e对CRA层6的熔透不足。这种熔透不足例如是由于高的根部表面造成的。在内部GTAW焊接道次之后，内表面上的焊缝4i使CRA层6和外部焊缝4e熔融，使得焊缝4完全熔透。
图7a～7c是示出在存在3mm的高低点以及焊接材料的不规则且过度熔透时内部TIG焊接道次前后的内表面和根部焊缝4r的照片。图7b的截面图(沿图7a中指示的表面B-B截取)表明，存在约3mm的高低点和具有非常粗糙和边缘尖锐轮廓的焊接材料悬垂。特别是对于右侧的管段2b而言，存在焊接材料的熔透过量。如图7c所示(示出沿图7a中指示的表面C-C的截面)，在内部GTAW焊接道次之后，内表面上的焊珠4i改变焊缝4的形状，使得高低点台阶变成逐渐倾斜，并且焊缝的悬垂和粗糙形状得到平滑和平坦化。
因此，根部焊缝的形状可显著改善以提供增强的疲劳性能，提高根部焊缝完全熔合的前景和减少管接头中存在的缺陷。
在完成内部焊接道次后，再次使根部焊缝凝固。内部焊接步骤可包括利用内部焊接设备进行一次、两次或甚至三次焊接道次。在完成在根部焊缝上的内部焊接道次后，在第一焊接站进行无损检测(NDT)。NDT检测包括利用超声波探测器检测根部焊缝和利用安装在ILUC上的摄像系统进行管内部的目视检查。如果检测到焊缝缺陷，则缺陷可以是能够通过实施一个或更多个其它内部焊接道次并且利用GTAW使根部焊缝重熔而简单修复的缺陷。与在本发明的该实施方案的方法期间制作的常规焊接道次不同的是，用于修复根部焊缝的所述一个或更多个内部焊接道次包括添加焊缝填充材料。
在第一站进行NDT检测操作以及修复过程(如果认为必要的话)后，将管段转移到后续的焊接站，在后续焊接站中实施更多的外部焊接道次，包括最终的盖面焊接。
上述实施方案的方法和设备具有许多有利的特征：
·第一外部焊接道次可利用同时使用的两个焊头和更高的行进速度而更快速地沉积。这可能是因为不需要利用该外部焊珠持续实现完全熔透，因为完全熔合可以通过GTAW焊接道次在内部实现。
·大大减少焊接周期时间和提高生产率。
·利用GTAW焊炬通过内表面内部1.5～2mm的重熔实现完全焊珠熔合和完全熔透的高度保证。
·内部焊珠的轮廓极为平坦并且对于抗腐蚀和/或抗疲劳性能最佳。
·可以在全部焊接位置中重塑内部焊珠的形状，而不论管的取向如何。
·该技术对于管装配的变化具有较高的裕度。因此，在第一站中装配管时需要更少的时间。在复合管的采购过程中，管的公差也变得不那么重要，因为管可以高低值至多为3mm的足够高的焊接质量进行连接，这可使这些项目中的成本降低。
·在内部焊接道次上使用的GTAW工艺相对简单，不需要填料焊线，并具有更高的可靠性。
·用于焊接复合管的现有技术需要相对宽的坡口以实现第一外部焊接道次的充分熔透。由于在随后进行内部GTAW焊接道次时实现外部完全熔透并不重要，所以可以减少坡口的总宽度。这有利于减少填充焊接道次的数目。也具有减少填充焊接道次中的缺陷率的潜在可能，因为随着更宽坡口所需的摆动宽度的增加，在更高的焊接道次中产生熔合不足缺陷的趋势更高。
·在内部使用GTAW允许在被拒绝时一定程度地修复根部焊珠，因为焊珠可通过进一步的焊接道次而重熔。在现有技术中，在根部焊珠被拒绝时没有修复选项，其结果是整条焊缝通常被切除。
·因为根部焊接道次被重熔，所以不需要在外部焊接道次前吹扫焊缝区。内部GTAW工艺给出具有低氧化和增强的抗腐蚀性能的最终焊珠表面。
该设备当然还可用于不同的坡口几何形状。坡口几何形状可被适当地适应性修改。应该牢记的因素包括：1)如果不使用铜衬垫，则根部面可能需要足够厚以维持第一外部焊缝；2)尺寸C必须厚于包覆层，以减少在第一外部焊接道次的焊接过程中涉及的CRA材料；3)可能需要提供用于内部焊接设备的内部凹槽和在内部焊接道次上使用的填充材料，在这种情况下，尺寸D和角度E需要调节尺寸以使TIG弧完全到达进入槽中，但上述尺寸和角度不能太大，以避免沉积过量的填充金属。
上述实施方案的设备可用于图3b所示的坡口几何形状。图3b所示的坡口可通过以下一组参数进行限定：A＝3.2mm；B＝2.3mm；C＝3.8mm；D＝4mm；E＝15°；G＝3°；R1＝3.2，R2＝2.4mm。将会观察到，这些参数需要使用在内部焊接道次上的填充材料以桥接形成在管内表面上的管段3a、3b之间的凹槽。在进行CS和CRA材料之间的异质焊接时，尤其是考虑到对于所得的焊接接头的冶金学可能产生的不利后果，需要仔细考虑坡口尺寸和实施内部和外部焊接的方式的选择。例如，高Ni合金往往易于热开裂，其原因在于：1)由于不同材料(碳钢)的稀释导致劣化的大幅度的凝固间隙；2)焊缝区中存在杂质(S、P、低熔点金属)；和3)稀释，Ni比例下降至30％～50％，导致高度易于发生热开裂。据认为，在实践中允许(考虑到结构完整性的风险)CS基体材料与CRA填充材料焊接，但反之不行。在任何情况下，有利的是减少CRA材料的稀释量以不妨碍CRA材料的防腐蚀性能。在本实施方案中，坡口几何形状允许后续在CS基体材料上使用合适的填充焊丝(例如“Inconel”焊丝，SpecialMetalsCorporation，ofNewYork，US制造的奥氏体镍铬基超合金)进行内部焊接。
应该指出的是，坡口的选择也可能影响内部和外部弧之间的相互作用(GTAW和GTMW)，如果该弧同时使用并且同时跨越同一位置的话。电弧可通过与一个焊炬相关的磁场进行相互作用，使得另一电弧被干扰并造成偏差(磁吹作用)。在同一位置同时使用内部和外部电弧可能使焊接材料过热，潜在地导致烧穿，这可能损伤焊炬中的一者或两者和/或产生不可接受的缺陷。然而，已发现由于同时使用内部和外部弧，使得一层焊缝沉积提供足够保护以防止不期望的影响。
虽然本发明已参考特定实施方案进行描述和说明，但是本发明所属技术领域的普通技术人员将会理解本文中没有明确说明的许多不同的变化方案。仅仅作为举例，以下将描述一些可能的变化方案。
上述实施方案的设备可用于焊接标准(非复合)钢管。实施方案具有例如对于高度疲劳敏感的碳钢悬垂立管的应用。
可以在沉积外部根部焊接道次到完全完成所有外部焊接道次之间的任意点处实施进行根部焊缝形状控制的内部焊接道次。不需要在第一焊接站实施内部焊接道次。
内部焊接方式可以包括等离子体焊炬，而不包括气体钨电弧焊GTAW(TIG)焊炬。
对于提高效率和可靠性可以有进一步的发展，列举如下：
·PAW(或等离子体-MIG混合)技术对于提高内部焊接道次的行进速度、熔透控制和电极耐久性的评估。
·TIG热焊线工艺对于提高填料金属沉积(如果内部焊接道次需要的话)的评估。
·对可市购的特殊焊剂允许增加TIG工艺的熔透性的评估和研究。这可有助于解决在异质焊接过程中由于不同材料的可润湿性造成的最终问题。
·对添加少量H2的不同气体混合物组成应提高熔透性和限制焊珠表面氧化的评估。
如果在上述说明中，提及的整体或要素具有已知、明显或可预见的等同替代方案，那么这种等同替代方案在此单独列出并入本文。在引用权利要求书来确定本发明的真正范围时，应解释为包括任何这样的等同替代方案。阅读者也应该理解，作为优选、有利或常规选择等描述的发明的整体或特征是任选的，不限制独立权利要求的范围。此外，应该理解的是，这些任选的整体或特征，虽然在本发明的部分实施方案中可能有利，但是在其它实施方案也可能是不期望的并因此可能不存在。

Claims (15)

1.一种用于铺设海面下管道的方法，其中将管段焊接在一起以形成所述管道，所述管道为多层管道形式，具有由不同于相邻层的金属制成的一个金属层，和/或所述管道为海底悬垂立管形式，其中所述方法包括以下步骤：
将待焊接的管段提供至管道末端，
将所述管段设置为与所述管道末端邻接，由此限定待焊接的周向接头，
在所述待焊接的接头的根部上实施外部焊接道次，在此期间多个独立的焊头在围绕所述管的不同周向位置在根部中同时沉积焊接材料，由此形成根部焊缝，和
使用等离子体焊接设备在所述根部焊缝上实施内部焊接道次，在此期间所述根部焊缝被熔融并被重塑。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述在根部焊缝上实施外部焊接道次的步骤利用自耗电极实施。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
所述在所述接头的根部上实施外部焊接道次的步骤产生根部焊缝，所述根部焊缝在所述管的内表面上具有粗糙的形状，并且
所述在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤使所述根部焊缝重熔和重塑，使得在所述管的内表面上，所述根部焊缝具有更平滑的形状。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
所述在所述接头的根部上实施外部焊接道次的步骤产生未完全熔合至所述管的根部焊缝，并且
所述在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤使所述根部焊缝重熔，使得所述根部焊缝变为完全熔合至所述管。
5.根据权利要求1所述的方法，其中
所述方法包括在所述待焊接的接头的焊帽上实施外部盖面焊接道次的步骤，在此期间在所述待焊接的接头的焊帽上沉积焊接材料，由此形成盖面焊缝，并且
所述在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤在所述实施外部盖面焊接道次的步骤完成前实施。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述在根部焊缝上实施内部焊接道次的步骤之后，实施无损检测(NDT)步骤，在此期间利用在所述管内部的一个或更多个摄像机来检测根部焊缝的质量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括对每个焊接接头实施多次内部焊接道次。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述管道为多层管道，具有由不同于相邻层的金属制成的一个金属层，其中
所述管道为内部具有抗腐蚀合金的碳钢管道，和
(i)在所述接头的根部上实施外部焊接道次的步骤以及(ii)在所述接头的根部上实施内部焊接道次的步骤均包括将相同类型的焊接材料加到所述管道中的碳钢材料中和所述管道中的抗腐蚀合金材料两者中。
9.一种用于根据权利要求1所述的铺设海面下管道的方法的焊接站，其中所述焊接站包括：
外部焊接设备，包括多个焊头和外部引导设备，每个焊头具有至少一个焊炬，所述焊头设置为从所述管段的外侧同时将所述管段焊接到一起以形成焊接接头并且至少部分地通过所述外部引导设备沿待焊接的接头被引导，
内部对齐夹具，用于固定对齐的管段，和
内部焊接设备，具有至少一个焊头，包括等离子体焊炬，所述焊头设置为使由所述外部焊接设备形成的焊接接头重熔并且设置为通过内部引导设备沿所述接头被引导，
其中
所述外部焊接设备设置为能够与所述内部焊接设备同时操作。
10.根据权利要求9所述的焊接站，其中所述外部焊接设备的焊头是自耗电极焊头。
11.根据权利要求9所述的焊接站，其中
所述内部对齐夹具包括操纵组合件，并且
所述内部焊接设备限定用于容纳所述操纵组合件的中央开口区域。
12.根据权利要求9所述的焊接站，其中所述内部对齐夹具夹持所述内部引导设备。
13.根据权利要求9所述的焊接站，其中所述内部焊接设备设置在独立于所述内部对齐夹具可移动的台架上。
14.根据权利要求9所述的焊接站，其中所述内部对齐夹具还夹持用于从所述管段的内侧对所述根部焊缝实施无损检测的无损检测(NDT)设备。
15.一种管道铺设船，包括在管道铺设方向上串联设置的多个焊接站，其中所述焊接站中的至少一个是根据权利要求9～14中任一项所述的焊接站。
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