超大型海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量檢驗與控制

孫 鐘，孫小磊，張志寬，徐現(xiàn)東，趙順利，唐旭東

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520）

0 前言

南海深水天然氣開發(fā)項目荔灣3-1項目是中國第一個深水油氣田開發(fā)項目，也是目前亞洲地區(qū)唯一真正意義上的深水項目。荔灣3-1項目，位于香港東南約340 km處的29/26區(qū)塊，所在海域水深約1 500 m，如圖1所示。荔灣3-1中心平臺總質(zhì)量超過60 000 t，歷時3年建造完工。海洋石油天然氣開發(fā)是世界上公認的安全風險和施工難度最大的行業(yè)之一，具有技術含量高，施工難度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，遠離陸地，救援及逃生困難等特點。南海荔灣海域海況較其他海域更為復雜，夏季有臺風，百年一遇最大有效波高可達13.4 m，臺風期間最大波高可達20 m以上，年平均波高1.4 m，平臺在服役期間要經(jīng)常遭受潮流、風暴涌、風成流、臺風、海冰等極端沖擊，如果發(fā)生意外，造成的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染將不可估量，所以海洋工程質(zhì)量顯得尤為重要，本研究將介紹項目運作過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢驗技術及要求，以供其他項目參考。

1 項目簡介

圖1 荔灣3-1項目地理位置

荔灣3-1導管架為8腿導管架，其中外部的4根導管為雙頃，每根導管上攜帶4個裙樁套筒；中間4根導管為單傾，與其間的拉筋組成下水桁架；導管架頂部尺寸34 m×72 m，底部尺寸100 m×104.4 m，垂直高度201.5 m，共有7層水平片和6層立片，最大管徑4 200 mm，最大壁厚100 mm，總質(zhì)量約32 000 t，如圖2所示。

圖2 荔灣3-1導管架

荔灣3-1組塊是由梁柱板和斜撐構(gòu)成的空間剛架，共4層，8根立柱，2根吊機立柱，底部有模塊支撐DSF，組塊外形尺寸約77 m×107 m×25.5 m，總質(zhì)量約36 000 t，如圖3所示。

2 質(zhì)量檢驗和控制體系

圖3 荔灣3-1組塊

荔灣3-1項目質(zhì)量檢驗及控制體系主要分導管架和組塊兩個單體分別進行編制，一共包括檢驗試驗計劃ITP、材料檢驗及跟蹤程序、焊接組對及外觀檢驗程序、硬度檢驗程序、結(jié)構(gòu)無損檢驗程序、管線無損檢驗程序、PAUT相控陣檢驗程序、TOFD超聲波衍射時差檢驗程序、涂裝檢驗控制程序、尺寸檢驗控制程序等。這一系列檢驗程序依照相關業(yè)主規(guī)格書和標準進行編制，在工程中依次實施，共同發(fā)揮作用，如圖4所示。

圖4 荔灣3-1項目質(zhì)量檢驗及控制體系

2.1 材料檢驗與跟蹤

材料檢驗主要涉及材料的數(shù)量、證書、標識、尺寸、外觀、厚度等進行相關檢驗，最基本的要求主要來自于中國船級社CCS海上平臺入級與建造規(guī)范（1992）和美國石油協(xié)會API RP 2A海上規(guī)定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法（2007）。相關材料檢驗及驗收標準，見表1。在建造過程中，對于原材料的切割下料，應做好原材料材質(zhì)、爐批號等信息以鋼印形式進行的轉(zhuǎn)移工作，以便進行材料的跟蹤，最終完工時能清晰、明了地查詢每個桿件的材料來源。

2.2 焊接外觀檢驗及質(zhì)量控制

焊接質(zhì)量檢驗是一個連續(xù)進行的過程，一個成功的質(zhì)量控制活動在首次焊接起弧之前就已經(jīng)開始。在任何一種有效的焊接質(zhì)量控制活動中，焊接外觀檢驗均作為評估結(jié)構(gòu)和部件質(zhì)量的一種最基本的方法。大量事實證明有效的焊接外觀檢驗可以提前發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)后期采用的其他更為昂貴的無損檢測所發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷。焊接外觀檢驗主要包括焊前檢驗、焊接過程中檢驗和焊后檢驗。

表1 材料試驗及驗收標準

焊前檢驗主要是根據(jù)項目技術規(guī)格書，項目采用的規(guī)范和標準以及技術圖紙檢查焊接設備是否處于良好狀態(tài)、檢查母材和焊材的質(zhì)量及狀態(tài)，檢驗坡口準備情況，檢查坡口附近是否清潔以及預熱溫度是否達標。

焊接過程中檢驗主要檢驗焊接參數(shù)是否符合焊接工藝WPS的要求、檢查層間溫度、檢查層間清理、檢查焊接順序等。

焊后外觀檢驗主要是根據(jù)標準、規(guī)范及項目中的特殊要求，采用一定的檢驗工具對焊縫的外觀情況、焊縫長度、焊接構(gòu)件的尺寸精準度的檢驗，特殊情況下還需要對焊后熱處理進行監(jiān)控。

2.3 無損檢驗及檢驗新技術應用

許多創(chuàng)新技術因超大型海洋鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復雜性和緊張的工期應運而生。在荔灣3-1項目中成功推行了PAUT、TOFD和ET三項檢測新技術的應用。

ET渦流探傷技術是常規(guī)無損探傷技術之一。目前，我國渦流探傷技術已應用于冶金、機械、航空、航天、電力、化工等行業(yè)領域，在海洋工程領域尚未應用先例。在荔灣3-1項目中，渦流探傷技術應用于已經(jīng)做好涂裝系統(tǒng)構(gòu)件的表面復查工作，以排除表面裂紋等缺陷的存在，如圖5所示。

PAUT檢驗技術是PhasedArrayUltrasonicTesting的縮寫，即相控陣技術。該項技術最早應用于醫(yī)學和軍事，近些年在核工業(yè)和航空領域也開始大量應用，現(xiàn)在醫(yī)院采用的B超也是基于相控陣技術。PAUT技術是一套超聲波圖像采集實時成像系統(tǒng)，在荔灣3-1項目中主要用來取代RT射線探傷作業(yè)，提高工效的同時規(guī)避了射線輻射的風險。此項技術的應用，填補了我國在海洋工程檢驗領域無損檢測技術的一項空白，開啟了相控陣技術應用的先河，如圖6所示。

圖5 ET在荔灣3-1項目中的應用

TOFD超聲波衍射時差法，也稱為“裂紋端點衍射法”或“尖端反射法”，采用一發(fā)一收兩個探頭產(chǎn)生非聚焦的縱波，從待檢工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量，用于缺陷的檢測、定量和定位。在荔灣3-1項目中，主要在某些合適區(qū)域應用TOFD檢驗技術替代傳統(tǒng)人工超聲波檢驗技術，以提高檢驗準度和效率，節(jié)省了大量人力和時間，為項目順利開展和準時完工提供了保障，主要應用于卷管縱、環(huán)縫的檢驗，如圖7所示。

2.4 涂裝質(zhì)量控制

海洋環(huán)境是一種非常惡劣的腐蝕環(huán)境，導致海洋鋼結(jié)構(gòu)的嚴重腐蝕。海上鋼結(jié)構(gòu)處于飛濺區(qū)部分是極易發(fā)生應力腐蝕的部分，這部分的防腐是靠陽極保護不能滿足的，只有涂層防護才是經(jīng)濟、有效的防腐措施。

荔灣3-1導管架共有5套涂裝系統(tǒng)，組塊和生活樓共有13套涂裝系統(tǒng)，另外導管架上創(chuàng)新性將A1、A4、B1、B4 的+5.5 m 到-71 m 設計為乙二醇MEG儲存罐，這部分罐體內(nèi)部需進行熱噴鋁防腐工藝。每個系統(tǒng)對于油漆類型、干膜厚度、涂裝間隔以及顏色均有不同的要求。涂裝質(zhì)量控制主要從表面清理、涂料準備、外觀檢驗、附著力檢查、漏點檢驗、干膜厚度檢驗等方面進行。主要采用的標準為ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）相關標準、NACE（美國腐蝕工程師協(xié)會）相關標準和SSPC（美國鋼結(jié)構(gòu)涂裝委員會）相關標準，如表2所示。

表2 涂裝作業(yè)及檢驗相關標準

2.5 尺寸控制

大型鋼結(jié)構(gòu)建造過程中，各中散片數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復雜，用三維坐標控制網(wǎng)進行大型導管架的尺寸控制，能夠從整體上控制大型鋼結(jié)構(gòu)尺寸，確保了鋼結(jié)構(gòu)整個施工過程中尺寸的整體性。在大型鋼結(jié)構(gòu)施工前，根據(jù)施工方案進行控制站點布設與設計，通過測量各個控制站點，建立與大型鋼結(jié)構(gòu)匹配的三維坐標控制網(wǎng)模型，然后再利用控制站點測量結(jié)構(gòu)物上各個位置的三維坐標值，在建造過程中，經(jīng)過精確測量，把被測點具體的三維偏差及時反饋給施工部門，方便調(diào)整，能夠準確有效地指導場地施工。它是尺寸控制方法的一種革新，也克服了以往測量中的很多問題，在過程控制方面有不可取代的優(yōu)勢，也是國外大型鋼結(jié)構(gòu)尺寸控制的方法之一。

3 結(jié)論

復雜、惡劣的服役環(huán)境，要求大型海洋鋼結(jié)構(gòu)必須具有過硬的整體質(zhì)量。完整的質(zhì)量檢驗及控制體系為荔灣3-1項目的質(zhì)量提供了有力保障。傳統(tǒng)的質(zhì)量檢驗及控制方法里創(chuàng)新性的增加了新的檢驗技術，有效調(diào)節(jié)了工期緊與質(zhì)量檢驗相沖突的難題，為海油工程后續(xù)項目提供了借鑒。