用于将管子焊接在一起的方法和设备技术

一种用于在水下布设管线（６）的方法，包括步骤：保持管线（６）的一端，设置用于延长管线（６）的管段（５），使管段（５）与所述管线（６）的端部相邻布置，从而确定出要焊接的环形接缝（７），并且将管子（５、６）焊接在一起。多个焊炬沿着环形接缝（７）运动并同时工作，以便对管子进行焊接。管子（５、６）由ＴＭＣＰ－ＡＣ钢（采用通过加速冷却且具有重量百分比在０．１％以下的碳含量的热机械控制工艺制成的钢）制成。在敷设根部焊缝之后，在环形接缝（７）的区域中，安装在管子（５、６）内侧的内夹具上的冷却环（１）从管子（５、６）内表面上的喷嘴中喷出冷却液、例如雾化水（１０）和空气的流体喷淋，从而对管子（５、６）进行冷却。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于将管子焊接在一起的设备和方法。更具体地说，本专利技术涉及一种当在水下、尤其是在深海之下布设管线时将管段电弧焊接在一起。当在深海之下(例如深度大于1,000m)布设管线时，通常需要在一个布线驳船上将独立的管段焊接成一个管线(引导向海床的管线)，该管线垂直(或大致垂直)于海平面，以便管线形成看似“J”形的形状。这种方法通常称为J式布线。焊接过程在布线驳船上进行。管段可以由在布线驳船上焊接在一起的多种管长构成，以便在需要时形成管段。管线的端部和需要连接到其上的管段通常在焊接工序之前已经准备好了，并且具有坡口端，这样，当在焊接工序就要开始之前将管段和管线布置好(相互同轴)，在它们之间确定出一个外部环形槽。焊接可以由设置在可动地安装于环形导轨上的托架上的焊炬来进行，而所述环形导轨相对于环形槽设置在管子外侧。所述托架和焊炬绕着管子的圆周移动并使焊炬工作，以便将电弧引向所述槽。焊接工序通常要进行几圈。由于需要在一个垂直位置上对管段进行焊接，并且由于对焊接塔架的合理高度存在限制，所以采用J式布设技术可以达到的布设的管线速度在很大程度上受到管段相继焊接到管线上的速度的限制。因此，希望能够减少将一根管段焊接到管线上所耗用的时间。而任何提高焊接工序速度的企图均不应当导致焊缝质量的明显下降。在布设时，该管线处于很大的张力之下，并且当然，焊缝必须足够牢固以经受施加到焊缝上的很大的力。每次将一个管子焊接到其它管子上时，都要进行彻底的测试，以便确保所形成的焊缝质量足够高。本专利技术的一个目的是提供一种用于将管子焊接在一起的设备和方法，该方法比上述已知的将管子焊接在一起的方法和设备速度更快，而且不会明显降低焊缝的质量。根据本专利技术，提供一种在水下布设管线的方法，其中，将管段焊接在一起以形成管线，该方法包括以下步骤保持管线的一端，提供一个用于延伸管线的管段，使该管段与所述管线的端部相邻设置，从而确定一个需要焊接的环形接缝，提供多个焊头，各焊头具有至少一个焊炬，并且围绕所述环形接缝布置所述焊头，通过同步操作焊头和沿着所述环形接缝移动所述这些焊头，将管段焊接到管线上，其中，管段由碳含量的重量百分比小于0.1％的钢制成，并且在焊接步骤中，通过引导冷却液使其与管子的内表面接触，在环形接缝的区域中对管子进行冷却。在下述说明中，应当理解，名词“管子”包括管线和/或所述管段之一或两者。以前已经提出了通过同时用多个成角度地间隔开且围绕所述管子的焊头进行焊接以提高焊接工序速度的方案(参见我们的公开号为WO00/38871-申请号为PCT/EP99/10504的国际申请)。然而，已经发现，用多于一个的焊头进行焊接会导致与焊池温度升高有关的一些问题。当用单一焊头进行焊接时，当焊头经过管子之间的接缝的整个圆周时，相继地布设一些焊接材料的层。在使焊头绕管子经过360度的过程中，在布设焊接材料的下一层之前，沿接缝形成于给定点的焊缝因此而冷却。如果代替采用一个焊头而采用两个焊头，则两个焊头以相同的角速度运动并以与单个焊头相同的速率进行焊接，焊接时间减半，但是冷却时间(敷设相继层之间的时间)也减半。如果采用更多的焊炬以便缩短焊接时间，则敷设相继层之间的冷却时间也缩短。因此，在相继焊接的焊接温度变得太高而对焊接质量造成负面影响之前，在给定的单独操作速率下可以采用的焊头的数目受到限制。维持高焊接温度的焊接还可能导致其它问题，例如，盖面焊缝(在最后一圈的焊接中沉积的层)的敷设变得更加困难，对于焊接操作者的安全可能会造成负面影响，焊接设备可能由于焊接设备部件的过热而更易于产生故障或性能下降，如果存在任何管子覆盖物(覆盖管子内和/或外部的材料)，则均可能受到损伤，并且一些用于测试焊接质量的NDE(非破坏性实验)测试方法可能需要延迟到管子冷却时进行。现在将要讨论温度增加可能导致焊接质量下降的两种途径。首先，当J式布设管线时，需要焊接的管子的轴线垂直或接近垂直。如果焊池温度太高，则由于重力有效地将焊池拉离确定环形接缝的一个壁的上管段的端面，所以熔融焊池的表面张力可能过底，以至于焊池的形状在重力的作用下变形到对接缝产生负面影响的程度。在非常高的温度下，焊池甚至可能从所述壁流走并且甚至流出接缝。当要焊接的管子的轴线相对于理论上垂直的轴线倾斜时，与表面张力减少有关的问题加剧。其次，如果保持相对高温，则一旦最终冷却焊接材料的机械性能可能受到有害的影响。制造管段的钢材在微观水平上具有包含相对较小尺寸的晶粒的结构，该结构与良好的机械性能有关。在高温下，晶粒尺寸可能增加而导致对机械性能造成有害的影响。然而，在本领域中存在反对在焊头操作过程中直接进行冷却的成见。过去认为，在焊接过程中采用冷却方法会有害影响焊接的机械性能。例如，在现有技术的方法中，过快地冷却热焊缝会导致管线在管段之间的焊缝区域中脆化。而且，通常实际上在焊接之前对管段进行预热以避免焊接的机械特性由于焊接材料冷却过快而受到有害的影响。并且，用于防止焊接设备过热的技术有赖于通过从焊炬经由管子泵送冷却液对焊炬进行直接冷却。然而，根据本专利技术，所用的管段由低碳或中碳钢制成，如此，与采用含碳量的重量百分比大于0.1％的管段的现有技术相比，焊接的机械性能由于快速冷却而恶化的可能性非常小。进而，不希望将大量的液体引入管线内部。然而，采用本专利技术的方法引入管线的液体的量可以很小，从而本专利技术的优点远远超过由于将液体引入管线而带来的任何损害。值得注意的是，在将管段焊接到管线上的过程中，不需要在任何时间均操作所有的焊头。特别是，可以优选地在沉淀焊接材料的最后一层(通常称为盖面焊缝)时操作较少的焊头。优选地，当敷设盖面焊缝时，甚至可以仅操作一个焊炬。冷却液最初接触的管线的内表面既可以在环形接缝之上也可以在环形接缝之下。或者，冷却液可以同时在环形接缝的上、下直接与管线的内表面接触。当采用“J式布设”技术进行管线布设时，本专利技术的方法特别有利。该管线，在管线最靠近水面的端部处可以与理论上的垂直轴线成小于50度的角度。要焊接的管子的轴线可以与垂直线成小于50度的角度。如上所述，当焊接温度太高时，以接近垂直的角度将管子焊接在一起可能存在问题。该方法有利地用于将管段焊接到管线上，其端部与理想的垂直轴线成小于20度的角度，并且更优选地成10度或更小的角度。本专利技术的方法当布设的管线具有相对较厚的壁时也特别有利。通常，当管壁的厚度增加时，将管段焊接到管线上的时间增加。当焊接在一起的管子具有相对较厚的壁时，看起来焊缝将变得足够的热以至于引起与保持高温有关的问题。本方法有利地用于将管段焊接到管子上，其中，管段的金属壁平均厚度大于或等于20mm。当管段的金属壁平均厚度大于或等于25mm时，本方法更加有利，而当平均壁厚大于或等于30mm时则更为有利。当厚度大于或等于40mm时也可以有利地采用本方法。环形接缝可以为形成在需要焊接在一起的管子端部之间的环形槽的形式，所述各端部预先形成坡度。优选地，所述管段由中碳钢制成。在本专利技术的范围内涉及到的中碳钢可以是具有重量百分比在0.025％和0.075％之间的碳含量的钢。更优选地，所述钢的碳含量的重量百分比在0.04％和0.06％之间。低碳钢或中碳钢可能具有不适于形成用于管线的管段的机械特性。然而，通常可以通过除增加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在水下布设管线的方法，其中，将管段焊接在一起以形成管线，该方法包括以下步骤： 保持管线的一端， 提供一个用于延伸管线的管段， 使该管段与所述管线的端部相邻布置，从而确定一个需要焊接的环形接缝， 提供多个焊头，各焊头具有至少一个焊炬，并且围绕所述环形接缝布置所述焊头， 通过同步操作焊头和沿着所述环形接缝移动所述焊头，将管段焊接到管线上，其中， 管段由碳含量的重量百分比少于０．１％的钢制成，并且 在焊接步骤中，通过引导冷却液使其与管子的内表面接触，在环形接缝的区域中对管子进行冷却。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼奥贝洛尼，雷纳托博纳索尔特，
申请(专利权)人：塞彭公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]