自升式鉆井平臺主弦管對接工藝研究

秦洪德, 朱亞洲, 胡博生

(1.哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001;2.海洋石油工程(青島)有限公司設計部,青島 266520)

自升式鉆井平臺主弦管對接工藝研究

秦洪德1, 朱亞洲1, 胡博生2

(1.哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001;2.海洋石油工程(青島)有限公司設計部,青島 266520)

對自升式鉆井平臺主弦管對接工藝及其齒條板接長工藝進行了研究,并結合齒條板材料特性提出了齒條板焊接技術及焊接施工要求,進而制定了主弦管對接工藝順序及相關工藝技術要求。

自升式鉆井平臺;主弦管;材料特性;焊接工藝

Abstract:The paper makes study on chord’s butt joint technology and rack’s lengthening technique of jack-up drilling unit.Combining with rack’s material characteristics,rack’s welding technique and welding procedure are proposed.And further,some rules of chord’s butt joint sequence and relatively technologies are made.

Key words:jack-up drilling unit;chord;material characteristics;welding technique

自升式鉆井平臺是目前世界上油氣資源開采應用最為廣泛的裝備之一,具有用材節(jié)約、材料可重復使用、造價較低、并可適應多種海況下的全天候鉆井作業(yè)等特點。自升式鉆井平臺設計制造技術水平直接決定著海洋油氣資源開采能力。

據不完全統(tǒng)計,截至2009年10月,全世界在役海上移動式鉆井裝置已超過600座,其中自升式鉆井平臺近400座,占主流鉆井裝備近70%。目前在役的自升式鉆井平臺基本在二十世紀七、八十年代設計建造。為更新換代,2003年以來自升式鉆井平臺進入了一個新的設計建造高峰期。

自升式鉆井平臺主要通過樁腿與升降機構的有效配合實現主船體的上下移動,從而達到自由鉆井的目的。近年來,國內海工公司承接的自升式鉆井平臺基本為三樁腿桁架式結構。桁架式樁腿為自升式鉆井平臺主要的承載結構單元,為保證樁腿結構強度要求,在自升式鉆井平臺設計制造過程中,對樁腿結構建造精度及焊接技術提出了非常高的要求。本研究結合海洋石油工程(青島)有限公司60.96 m自升式鉆井船制造工藝及關鍵建造技術研究成果,對樁腿建造過程中的齒條板接長及主弦管對接工藝進行了深入研究。

1 齒條板接長工藝

1.1 齒條板材料特性分析

自升式鉆井平臺工作環(huán)境惡劣,樁腿結構承受風浪流等的作用,對樁腿結構強度要求極高。結合國內外自升式鉆井平臺樁腿建造現狀,樁腿齒條板一般為127 mm～150 mm的特厚高強度鋼。所用鋼需進行A級超聲波探傷檢查,屈服極限為690 MPa,抗拉強度為770 MPa/930 MPa,夏比V型缺口沖擊最小平均值,縱向在-40℃、T/4厚時至少為69 J,層向拉伸斷面收縮率為20%,無裂紋和疊層的氣切割齒。

平臺結構、工作載荷、工作海況、焊接工藝等因素直接影響這種特厚高強度鋼齒條板的性能,因此對樁腿齒條板提出了特別高的要求。①高強度:為了減輕樁腿重量,增加拖航穩(wěn)性,增強齒面承載應力,樁腿建造過程中一般采用784 N/mm2的高強度鋼。②高韌性:為避免脆性斷裂并保證安全,設計基準溫度在溫暖海區(qū)取-30℃,極寒冷海區(qū)取-50℃,確保夏比沖擊值達到高韌性要求。③可焊性好:為避免室外作業(yè)焊接熱影響區(qū)產生低溫裂紋和層狀裂紋,要求鋼材具有較小的裂紋敏感性,當焊接線能量較高時,要求焊接接頭韌性值與母體金屬韌性值大致相當。④組織均勻致密:由于齒條齒面氣割后不再進行加工,故要求鋼板氣割性能良好,氣割面不出現氫致缺陷和夾渣物缺陷,氣割面之下要求具有足夠的硬度,且在各方向硬度分布均勻。

1.2 齒條板焊接技術要點

自升式鉆井平臺結構復雜,工作環(huán)境惡劣,投資巨大,樁腿作為平臺結構的主要承載單元,對其力學性能提出了很高的要求。齒條板作為樁腿的分段模塊,對其焊接工藝要求相當苛刻。為了保證平臺結構使用的整體安全,焊縫金屬和焊接接頭的性能要求與母材完全一樣。采用低氫型或超低氫型堿性焊條可以防止冷裂縫和提高熱影響區(qū)韌性。為確保焊接接頭的韌性和抗脆斷性能,焊接熱輸入量通常限制在40～50 kJ/cm范圍內。熱輸入量對冷卻速度和冶金因素的影響決定著焊接金屬的性能,當焊接熱輸入量大時,焊后從800℃～500℃的冷卻時間Δt8-5較長,則奧氏體晶粒粗化,冷卻后即得到較粗大鐵素體,焊縫金屬的硬度和韌性都會降低。但熱輸入量較小時,冷卻時間Δt8-5時間較短,冷卻后焊縫可能會出現馬氏體,或者其含量增加,此時焊縫金屬硬度增加,韌性大為降低。

在焊接過程中通過控制層間溫度,以防止產生不均勻組織,降低焊縫硬度。為保證齒條焊接質量和齒間距公差,避免裂紋,應進行:

(1)焊接性試驗 根據齒條化學成分進行碳當量計算后,進行齒條坡口焊接裂紋試驗。(2)焊接工藝試驗 ①確定齒條對接焊縫坡口型式,測量焊接后齒條收縮余量,作為制定焊接工藝時的依據。通過分析對接焊縫變形數據,確定齒條焊接順序。②齒條板的焊接方法是手工電弧焊立焊,需采用專門的焊條,焊前應先把引弧板點好。焊接時應采用兩個焊工對稱施焊,先由一個焊工對一側焊縫進行施焊2～3道,在對背面進行打磨處理之后,由兩個焊工同時對稱施焊(立焊)。③齒條板焊接過程中,應隨時進行尺寸檢驗,主要是直線度、水平度(即齒條板的平面度和拱高)及齒距。平面度和拱高檢驗方法可以用激光經緯儀和現場拉鋼絲結合進行。齒距需要用樣板檢測。④齒條板焊完后,應拿掉引弧板,兩端焊點打磨平整后作MT,然后進行交驗,包括焊接檢驗和尺寸檢驗。⑤焊接完后進行焊縫探傷。

1.3 齒條板焊接施工

本文結合海洋石油工程(青島)有限公司60.96 m自升式鉆井船制造工藝及關鍵建造技術研究成果,對齒條材料機械性能、坡口形式以及焊前、焊后處理等方面進行確定。

(1)齒條材料機械性能

圖1 厚度127 mm齒條坡口形式

鋼號 屈服強度/MPa 抗拉強度/MPa沖擊溫度/℃ 沖擊功/J ASTM A514 GR.Q 690 770～930 -40 69

(2) 坡口形式 如圖1所示。

(3)焊前準備 為防止產生裂紋和減少殘余應力,在焊前需進行預熱,預熱溫度為150℃,預熱范圍為焊縫周圍76 mm,預熱采用電加熱器進行,焊接過程中應控制層間溫度,層間溫度控制在160℃～190℃,使層間溫度不低于預熱溫度且不超過250℃。

清除坡口內及坡口邊緣兩側各20 mm范圍的氧化物、水、油、銹等對焊接質量有影響的雜質。

(4)后熱處理 焊后立即將焊縫及其附近區(qū)域加熱至200℃～210℃,保溫2小時,然后用石棉布包好緩冷,控制冷卻速度,每小時不超過50℃。

(5)無損探傷 所有焊縫經超聲波檢驗后,無內部焊接缺陷;正反面焊縫經磁粉探傷檢驗后,無表面焊接裂紋。

2 主弦管對接工藝

主弦管對接也稱主弦管接長,一般在建造單位專用場地進行,為了保證主弦管對接精度,需要制作專門胎架。胎架的位置要滿足定位、焊接、劃線等要求,胎架如圖2所示。

圖2 主弦管對接專用胎架示意圖

主弦管對接前,應仔細查看每根弦管的來料尺寸檢測結果(主要有端部齒距、長度、平面度、拱高等),便于對一些不合理的尺寸進行適當修正。

結合國內外自升式鉆井平臺樁腿建造研究成果,本文制定出樁腿主弦管的對接工藝順序及焊接要求。①支胎,并交驗。支胎應當注意胎架和對接縫的距離應為1 m。②胎上定位時,應以齒條板的板厚中心線和縱向中心線進行左右和水平定位(齒條板應垂直于胎面)。左右及水平定位完成后,需要現場用加強材把主弦管緊緊固定到胎架上。③齒條板定位好后,進行齒條板的焊接,焊接方法是手工電弧焊立焊。④齒條板焊完后,進行交驗,包括焊接檢驗和尺寸檢驗。⑤利用胎架,轉動主弦管,使其翻轉一定角度。⑥進行半圓板和窗戶板的焊接,焊接方法是手工電弧焊,需采用專門的焊條,焊接時采用兩個焊工對兩個對接縫進行對稱施焊。⑦翻轉主弦管180°,進行另一面半圓板和窗戶板的焊接。⑧焊接完后進行焊縫探傷。⑨為防止產生裂紋和減少殘余應力,齒條板和窗戶板在焊前都需進行預熱,預熱溫度為150℃,預熱范圍為焊縫周圍約76 mm,預熱可以采用電加熱器進行,焊接過程中應控制層間溫度,使層間溫度不低于預熱溫度且不超過250℃,焊后應控制冷卻速度,每小時不超過50℃。

本文以中海油承建的60.96 m自升式鉆井船建造為例,采用齒條厚度為127 mm的主弦管。其詳圖、剖面圖、焊接詳圖如圖3所示。

對接后的主弦管,運輸到分段裝配場地,與支撐管進行樁腿單片的預制,然后進行分段組裝。

3 結論

本文以中海油自升式鉆井船制造工藝及關鍵建造技術研究為例,通過對樁腿齒條板材料特性分析,研究了滿足樁腿精度要求的齒條板接長和主弦管對接工藝技術,并制定了相關要求,可供國內自升式鉆井平臺樁腿建造參考使用。

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Study on Chord’s Butt Joint Technology of Jack-up Drilling Unit

QIN Hong-de1, ZHU Ya-zhou1, HU Bo-sheng2
(1.Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Design Dept of CNOOC Engineering(Qingdao)Co.,Ltd,Qingdao 266520,China)

U674.38+1

B

1001-4500(2010)04-0042-04

2010-02-06

秦洪德(1976-),男,副教授,主要研究環(huán)境載荷與結構設計分析。