基于CTOD工藝的焊接質量控制技術

仝明磊，張劍利，楊　建，熊　奇，杭建偉

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島266520）

基于CTOD工藝的焊接質量控制技術

仝明磊，張劍利，楊建，熊奇，杭建偉

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島266520）

荔灣3-1導管架是中國首個自主建造的深水導管架項目，項目建造過程中采用大量的厚板設計。為降低建造成本，提高建造效率，廣泛應用免除焊后熱處理的CTOD工藝，該工藝對焊接熱輸入、預熱與層間溫度以及層道布置非常敏感，給現(xiàn)場的焊接質量控制工作帶來了較大的困難。基于海洋石油工程（青島）有限公司的項目實踐，總結了CTOD工藝的焊接質量控制技術，對其他的類似項目具有一定的借鑒作用。

CTOD工藝；焊接；質量控制

0　前言

大型海洋工程結構物工作環(huán)境惡劣，結構形式復雜，應力集中程度高，加之焊接殘余應力、焊接缺陷和接頭組織性能不均勻等影響，在外載荷的作用下很容易產生破壞[1]。荔灣3-1導管架項目設計水深為200 m，結構質量約為3 2000 t，是目前國內最大的導管架，也是中海油首個深水導管架項目，對中國海洋石油工程的發(fā)展都具有里程碑意義。

荔灣3-1導管架采用了大量的厚板設計，最大板厚達100 mm，其中壁厚大于50 mm的焊縫超過2000道，總長近8 500 m。按照常規(guī)的焊后熱處理工藝，熱處理工作量非常大，耗費大量的人力、物力，嚴重制約工程項目進度，高空TKY節(jié)點的熱處理工作還存在很大的安全隱患[2]。項目焊接檢驗規(guī)格書中規(guī)定，對于壁厚超過50 mm的鋼板，如果在焊態(tài)條件下斷裂力學測試和分析等“合于使用”試驗合格，就可以免去焊后熱處理。項目成功開發(fā)了免除焊后熱處理的CTOD(裂紋尖端張開位移)焊接工藝，通過精細化質量控制管理，在保證焊接合格率的基礎上，顯著降低了建造成本，縮短了項目工期。

1　組織機構及人員資質

CTOD焊接工藝實施之前，首先建立以焊接技術部門、生產部門、生產保障部門和質量控制部門為主體的CTOD焊接質量控制組織機構，明確項目管理工程師、焊接工程師、質量控制人員、車間班組長、焊工及加熱設備技術保障人員的崗位責任制度。

由于CTOD工藝對象都是大壁厚全熔透對接焊縫，焊工/焊接操作工在焊接之前必須按照項目建造規(guī)范AWSD1.1取得相應級別的資質證書，其中TKY節(jié)點要求必須取得6GR焊工證書，并由生產部門挑選出一批技能高、責任心強的優(yōu)秀焊工專職從事CTOD工藝的焊接。

為了更好地實施CTOD工藝的焊接質量控制，參加荔灣3-1項目的質量控制人員要求必須具備5年及以上的檢驗經驗。焊前，焊接工程師和質量控制人員組織車間班組長、焊工等人員對CTOD工藝的主要風險、焊接程序、工序控制要點等進行技術交底和集中培訓。

2　CTOD工藝焊接質量控制要點

2.1焊前質量控制要點

2.2.1選擇合適的WPS

選擇正確WPS是現(xiàn)場施工中保證焊接質量的關鍵。焊前車間班組長和質量控制人員須確認選用CTOD工藝專用的WPS并確保嚴格執(zhí)行。

2.2.2組對質量控制

質量控制人員組對前要確認材質、壁厚、坡口角度、間隙、鈍邊等符合WPS和圖紙的要求。由于CTOD工藝對象都是大厚板，坡口角度取負偏差，即55°左右。焊縫兩邊25 mm內油污、氧化皮等雜質要清理干凈。

2.2.3焊接環(huán)境檢查

雨、霧、大風等惡劣天氣必須采取有效的防護屏蔽措施；在有效的溫度維持措施被業(yè)主批準之前，緊靠焊件溫度低于-20℃時嚴禁進行焊接。

2.3.4焊接材料檢查

質量控制人員嚴格按照焊接材料保管和控制程序對焊材進行檢查，包括爐批號、擴散氫含量、焊材烘干、發(fā)放、露天使用保護等，所有無法識別、生銹、損壞的焊材都必須禁止使用。

2.3.5設備工機具檢查

質量控制人員焊前必須對設備工機具的使用狀態(tài)進行檢查，確保焊接設備、加熱設備、測量工具等按規(guī)定進行檢定并處于有效的檢定周期之內。

2.2焊接過程質量控制要點

2.2.1預熱和層間溫度控制

CTOD性能對預熱和層間溫度非常敏感，因此預熱和測溫人員要進行專業(yè)培訓，并確保每臺投入到CTOD的電加熱設備有一人進行監(jiān)控。質量控制人員嚴格按照業(yè)主批準的《預熱和層間溫度控制程序》并結合WPS要求進行控制。預熱溫度不能低于WPS要求，也不應高于最低預熱溫度50℃；道間溫度不低于預熱溫度，且不能超出最大道間溫度。預熱范圍必須大于所有焊接方向的厚度并不得小于75 mm，為保證整個厚度方向都達到要求的溫度，要求在加熱部位的反面進行測量。

2.2.2定位焊及輔助工作質量控制

定位焊、碳弧氣刨、熱切割等都需要按照WPS要求進行預熱和清理。定位焊執(zhí)行已批準的WPS，由具有資質的焊工焊接，定位焊長度至少50 mm，可視情況加長，其橫截面應足夠大，以確保不會開裂。定位如產生裂紋應徹查其原因并徹底清除定位焊縫，才能進行正式焊接。禁止在非焊接部位進行引弧，電弧擊傷產生的缺陷必須通過認真打磨去除，并進行磁粉檢驗和采用10％過硫化酸氨進行腐蝕以確保燒傷區(qū)域完全去除。引弧、熄弧板焊接結束后采用氣割方式切除并打磨平整，嚴禁錘擊方式去除。

2.2.3焊接過程質量控制

由于CTOD工藝性能對焊接熱輸入以及層道布置都非常敏感，焊接過程的控制對于保證焊接質量至關重要。CTOD焊接工藝一律采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法。除打底層和蓋面層外，焊條電弧焊、藥芯氣體保護焊、單絲埋弧焊每層增加的厚度不超過4 mm，雙絲埋弧焊不超過4.5 mm；焊條電弧焊擺寬不超過2.5倍焊條直徑，藥芯氣體保護焊擺寬不超過17 mm；非管材焊層超過16 mm/管材焊層超過25 mm，全部多道焊縫必須錯層焊接。每一條焊道的深度和最大寬度，均嚴禁超過此焊道表面的寬度。

焊接過程必須嚴格控制焊接線能量，采用多層多道法施焊。任一焊道的焊接線能量均不得超出WPS規(guī)定的熱輸入范圍。只有完成打底焊縫并連續(xù)填充6層焊道以后才允許焊接中斷，焊接中斷后應使用保溫材料包裹焊接接頭以緩慢冷卻，重新焊接前應進行外觀和磁粉檢驗，如無缺陷方可重新預熱焊接。

焊接操作人員做好施焊記錄，在集中施焊區(qū)域，質量控制人員實行專人不間斷監(jiān)控，對焊接過程、工藝參數(shù)、施焊記錄等進行檢查并簽字確認。

2.2.4焊接變形控制

由于厚壁構件施焊時焊縫拘束度高，焊接殘余應力和變形都比較大。荔灣3-1項目通過“邊施工、邊檢查”的方式，加強了對多層多道焊接的過程監(jiān)控，嚴格控制擺寬。同時采用“分散、對稱、均勻、減小拘束度”焊接順序控制方針，有效地減小了焊接應力和變形。

2.3焊后質量控制要點

2.3.1外觀檢查

焊縫必須完全填滿且余高不得超過3 mm，不允許有咬邊、焊瘤等缺陷，對于疲勞節(jié)點，應嚴格按照標準要求進行外觀處理。

2.3.2后熱處理

對于重要焊接節(jié)點，焊接結束后立即將焊縫及其兩側各100～150mm范圍內的局部母材進行200℃～250℃、1 h/25 mm后熱處理，防止焊縫及熱影響區(qū)內出現(xiàn)氫致裂紋。

2.3.3焊接返修控制

焊接返修應按照批準后《焊接返修程序》并結合WPS進行。主結構焊縫的最多只能返修一次。返修時禁止采用火焰氣刨，采用碳弧氣刨時應通過認真打磨完全去除滲碳層。清除缺陷后采用磁粉或滲透探傷以確保缺陷完全去除，返修焊接時必須采用一切措施減少焊接應力。

3　CTOD工藝焊接質量控制常見問題及改進建議

CTOD工藝焊接質量控制常出現(xiàn)以下問題：

（1）焊前坡口裝配達不到工藝要求、焊接材料沒有按規(guī)定烘干和保溫使用，待焊工件需預熱而實際沒有進行或者預熱溫度不足或不按照WPS指定的加熱設備加熱等。

（2）焊接過程中不按照評定的工藝要求清理干凈每一道焊縫，不按照評定的工藝控制層間溫度，不按照評定的工藝要求而增大焊接線能量，擺寬過大等。

（3）無故進行焊接中斷，未焊至指定道數(shù)就進行中斷，焊接中斷后未按程序要求進行必要的緩冷、檢驗及預熱等。

（4）不重視定位焊，未能按照定位焊的要求采取預熱等技術措施。

這些問題都可能在焊縫中形成焊接缺陷或引起焊縫性能變差，從而影響焊接質量。針對這些問題，焊接時須加強項目的統(tǒng)一管理和各專業(yè)的相互協(xié)同，通過嚴格的過程監(jiān)控和記錄，確保焊接參數(shù)嚴格按工藝執(zhí)行。質量管理人員應對各主體的監(jiān)控工作進行檢查，對焊接過程是否嚴格按焊接工藝焊接進行抽查，發(fā)現(xiàn)問題及時以質量信息反饋單形式記錄，并將檢查結果提交項目組，確保不因為趕工而降低焊接質量。

4　結論

荔灣3-1導管架項目大于50 mm壁厚焊縫的數(shù)量、長度和結構復雜性都是以往項目所不能相比的。在大厚板焊接中，CT0D焊接工藝無需進行焊后熱處理操作，可以明顯提高焊接效率、降低建造成本。但該工藝焊接層道布置更加精細、焊接熱輸入較低且控制嚴格、預熱與層間溫度要求更嚴格。海油工程（青島）有限公司通過科學建立監(jiān)控組織機構、設置專職監(jiān)控人員、加強多專業(yè)協(xié)同、精細化過程控制等手段，嚴格落實了CTOD工藝的WPS控制要點。荔灣3-1項目焊接合格率達到99.5％（按長度統(tǒng)計），成為國內外大型復雜海洋鋼結構CTOD工藝應用的質量典范，也為其他類似項目焊接質量控制起到了借鑒和指導作用。

[1]曹軍，李小巍，溫志崗CTOD斷裂度試驗在海洋平臺建造中的應用[J].中國海上油氣，2004，16（2）：129-136.

[2]汪彬，王玉春，王林昌，等.兩種埋弧焊工藝在海洋工程結構焊接中的應用對比[A].2012年中國鋼結構行業(yè)大會論文集[C].2012：213-216.

Welding quality control technology of CTOD process

TONG Minglei，ZHANG Jianli，YANG Jian，XIONG Qi，HANG Jianwei
（China Offshore Oil Engineering Co.（Qingdao），Ltd.，Qingdao 266520，China）

LW3-1 Jacket is the first deep water jacket made independently by China，which a lot of thick plates were used in the construction.In order to reduce the construction cost and increase raise the efficiency，CTOD process were widely used,which could exempt post weld heat treatment.Yet CTOD process were very sensitive to heat input，pre-heat&inter-pass temperature，layer arrangement，which made it difficult for welding quality control.Based on the project practice of China Offshore Oil Engineering Company（Qingdao）Limited，Welding quality control technology of CTOD process is summarized in this paper，which may be used as a guidance or reference for welding quality control of similar project.

CTOD process；welding quality；control technology

TG457

B

1001－2303（2016）04－0121-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.26

2016－02－10；

2016－03－03

仝明磊（1983—），男，河南人，碩士，國際焊接工程師（IWE），美國焊接協(xié)會注冊焊接檢驗師（CWI），主要從事海洋石油工程焊接檢驗、質量控制、焊接人員資質認證等工作。