單點(diǎn)系泊內(nèi)塔結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)質(zhì)量關(guān)鍵因素控制

王久民

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

單點(diǎn)系泊內(nèi)塔結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)質(zhì)量關(guān)鍵因素控制

王久民

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

為了保證單點(diǎn)系泊內(nèi)塔結(jié)構(gòu)的修復(fù)質(zhì)量，通過選取優(yōu)秀焊工，合理安排返修順序，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、層間溫度、熱輸入量等焊接參數(shù)，對內(nèi)塔返修焊接過程中的組對檢驗(yàn)、過程監(jiān)控、焊后外觀檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了一系列有效的質(zhì)量控制活動，使缺陷焊道得到成功修復(fù)并檢驗(yàn)合格。修復(fù)結(jié)果表明，嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，是保證內(nèi)塔結(jié)構(gòu)成功修復(fù)的關(guān)鍵因素。

預(yù)熱溫度；過程監(jiān)控；焊接熱輸入；外觀檢驗(yàn)

0　前言

中海油某海域塔筒結(jié)構(gòu)是單點(diǎn)系泊浮筒的受力構(gòu)件，起著連接FPSO（浮式儲卸油裝置）和單點(diǎn)基座的作用，常年承受大風(fēng)、涌浪等循環(huán)載荷的作用，工作環(huán)境相對苛刻。塔筒安裝失敗以后，經(jīng)檢測，環(huán)縫出現(xiàn)多處裂紋等缺陷。此時，在最短的時間內(nèi)，做好焊道返修，使其焊接質(zhì)量之關(guān)鍵因素得到有效控制，確保內(nèi)塔結(jié)構(gòu)焊接返修質(zhì)量，從而保證該油田年度產(chǎn)量，成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

1　焊道缺陷狀況

該單點(diǎn)系泊塔筒結(jié)構(gòu)總長約31 000 mm，其中塔筒上段直徑3 070 mm，長約21 600 mm，下段直徑3 570 mm，長約9 000 mm，中段有一長1 350 mm的錐形過渡，將上下兩段筒體進(jìn)行連接。塔筒板材最薄處為30 mm，最厚處達(dá)75 mm，由11道環(huán)焊縫連接而成，如圖1所示。

經(jīng)無損檢測人員對內(nèi)塔環(huán)縫進(jìn)行超聲波（UT）檢測，共發(fā)現(xiàn)8道環(huán)縫存在超標(biāo)顯示，如表1所示，焊道編號從上到下依次為21、19、18、16、13、03、02、01，缺陷長度總計(jì)7 945 mm。其中，02號為缺陷最嚴(yán)重的一道焊口，缺陷長度達(dá)3 480 mm，幾乎占到整條焊道周長的1/3。

圖1　單點(diǎn)塔筒示意

表1　焊道編號及對應(yīng)的缺陷長度

2　焊道返修過程質(zhì)量關(guān)鍵因素控制

2.1返修焊工的選取及評定

由于焊道返修是修復(fù)塔筒結(jié)構(gòu)的最后一道屏障，修復(fù)失敗則意味著該結(jié)構(gòu)有可能廢棄，從而帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，選取了10名焊接技能高超、業(yè)務(wù)水平熟練的焊工，參加此次內(nèi)塔返修焊工考試，他們?nèi)慷际怯?0年以上工作經(jīng)驗(yàn)的技師或高級技師。經(jīng)過焊前培訓(xùn)和考試，并對焊接考試件進(jìn)行超聲波（UT）測試，10名焊工的焊接件全部合格。質(zhì)量控制員見證了該10名焊工的焊接評定過程，焊工評定試驗(yàn)件如圖2所示。

圖2　焊工評定試驗(yàn)件

2.2返修焊接順序的控制

根據(jù)缺陷分布狀況及塔筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定采取從上到下，由簡入難的步驟，先選擇缺陷較少、容易返修的21號焊口進(jìn)行返修，發(fā)現(xiàn)問題后，可以立即采取措施，糾正返修方案，從而為后續(xù)缺陷嚴(yán)重的焊縫返修積累經(jīng)驗(yàn)。此外，焊接工程師可以根據(jù)現(xiàn)場返修情況，適當(dāng)調(diào)整返修順序。

對于缺陷長度超過500 mm的返修焊縫，為了保證修復(fù)質(zhì)量和人員安全，制定了如圖3所示的坡口填充順序。

注：a.按照箭頭方向進(jìn)行焊接；b.填充順序1～11；c.每部分長度200～400 mm；d.此方法用于長度大于500 mm的坡口填充。圖3　坡口填充順序

2.3返修環(huán)境要求

為了保障一個良好的焊接環(huán)境，作業(yè)區(qū)周圍需要搭建帆布防風(fēng)帳篷，如圖4所示。其目的是：一防止焊縫區(qū)產(chǎn)生氣孔和電弧偏吹，二使焊縫在預(yù)熱后及焊接過程中緩慢冷卻，保證得到良好性能的焊縫組織[1]。

圖4　內(nèi)塔頂部用于擋風(fēng)的帆布帳篷

2.4控制缺陷清除

一般采用碳弧氣刨的方式去除焊縫缺陷。在氣刨之前，首先要對缺陷處的焊縫進(jìn)行預(yù)熱，因?yàn)樘蓟馀僮鳂I(yè)時會產(chǎn)生大量的熱量，預(yù)熱的目的是避免焊縫溫度變化過快，產(chǎn)生淬硬組織。預(yù)熱采用電阻加熱片，加熱片要將缺陷部位完全覆蓋，以保證均勻加熱[2]。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到約110℃時，質(zhì)量控制人員要用測溫儀確認(rèn)并記錄，然后通知焊工立即進(jìn)行氣刨。

如圖5所示，焊工每刨一層，都需仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷后，質(zhì)量控制人員要用放大鏡等工具觀察缺陷類型、大小并拍照記錄。通常質(zhì)量控制人員應(yīng)要求焊工氣刨至缺陷深度以下2～3 mm，以保證缺陷完全去除，為保證焊接方便，不宜刨透。

由于碳弧氣刨會對焊縫產(chǎn)生一定的滲碳作用，在刨削面形成硬化層，增加返修區(qū)域的碳含量，使焊接性變差，因此，氣刨完成以后，質(zhì)量控制員會要求焊工用砂輪機(jī)將氣刨區(qū)域進(jìn)行打磨，以去除滲碳層，并將打磨區(qū)域圓滑過渡，直至露出金屬光澤，如圖6所示。待該區(qū)域冷卻至環(huán)境溫度以后，采用磁粉檢驗(yàn)（MT）的方式，確認(rèn)返修區(qū)域表面缺陷徹底清除干凈。

圖5　碳弧氣刨發(fā)現(xiàn)的氣孔

圖6　焊縫缺陷和滲碳層去除以后，露出金屬光澤

2.5缺陷產(chǎn)生的原因

通過統(tǒng)計(jì)，本次返修焊道氣刨出的缺陷主要以橫向裂紋、氣孔和夾渣為主。焊材未烘干或者焊接區(qū)域存在油污、油漆、鐵銹、水等污物時，極易造成氫致裂紋和氣孔；焊工運(yùn)條方法不當(dāng)或者層間清理不夠充分，極易造成夾渣[3]。因此，焊工的技能不足或者責(zé)任心較差，很有可能是造成焊縫產(chǎn)生缺陷的原因。

2.6焊接方法及焊材

為了保證修復(fù)質(zhì)量，又考慮到可操作性，本次焊接返修采用手工電弧焊（SMAW），填充金屬使用堿性低氫焊條E7018-1，焊接參數(shù)如表2所示。采用多層多道焊接，前一層對后一層起到預(yù)熱作用，后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，有效防止產(chǎn)生冷裂紋。

表2　返修焊接參數(shù)

根據(jù)廠家建議，焊條拆封以后，焊接作業(yè)過程中，焊工應(yīng)將開封的低氫焊條放入保溫桶內(nèi)，保溫桶內(nèi)的溫度不應(yīng)低于80℃。這樣做的目的是防止焊條受潮，保證焊條內(nèi)低的氫含量。如圖7所示，質(zhì)量控制員應(yīng)檢查焊工隨身攜帶的焊條保溫桶內(nèi)的溫度。

圖7　低氫焊條的保溫監(jiān)控

超過4 h未使用的焊條，應(yīng)當(dāng)放入350℃～400℃的烘箱內(nèi)烘焙1 h，才能再次使用。質(zhì)量控制員也應(yīng)檢查烘箱內(nèi)焊條烘焙的溫度，如圖8所示。

圖8　低氫焊條的烘焙監(jiān)控

2.7焊接返修

2.7.1控制預(yù)熱溫度

返修焊接前，需要預(yù)熱焊接區(qū)域，其作用主要有三點(diǎn)[4]：

（1）預(yù)熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，同時也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。

（2）預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力。均勻地局部預(yù)熱或整體預(yù)熱，可以減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫度差（也稱為溫度梯度）。一方面降低了焊接應(yīng)力，另一方面降低了焊接應(yīng)變速率，有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。

（3）預(yù)熱可以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，對降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預(yù)熱溫度的提高，裂紋發(fā)生率下降。

為了保證焊接質(zhì)量，決定采用電阻加熱片的方式進(jìn)行預(yù)熱，如圖9所示。相對于燃?xì)饪景鸭訜?，其?yōu)點(diǎn)是工件受熱均勻，溫度維持效果好。

圖9　電阻加熱片

焊縫周圍至少75 mm進(jìn)行預(yù)熱，溫度達(dá)到以110℃以上。如圖10所示，質(zhì)量控制員要使用紅外線測溫儀進(jìn)行測試和確認(rèn)，達(dá)到該溫度后，方可進(jìn)行焊接。

圖10　使用紅外線測溫儀檢查預(yù)熱溫度

2.7.2控制層間溫度

層間溫度也是需要控制的焊接參數(shù)，層間溫度過高會引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性下降。如低于預(yù)熱溫度則可能在焊接過程中產(chǎn)生裂紋。因此規(guī)定層間溫度不得低于預(yù)熱溫度，最高不得大于某一界線的溫度。由于塔筒材質(zhì)為D36（TMCP），屬于普通碳鋼，因此層間溫度最高不超過250℃。

焊工作業(yè)過程中，質(zhì)量控制員要手持紅外線測溫槍，隨時監(jiān)控層間溫度，發(fā)現(xiàn)溫度低于預(yù)熱溫度時，應(yīng)要求焊工立即停止焊接作業(yè)，待溫度升至WPS（焊接工藝規(guī)程）要求的預(yù)熱溫度以上時才能繼續(xù)焊接；發(fā)現(xiàn)溫度高于250℃時要求焊工立即停止焊接，待溫度下降以后再繼續(xù)焊接，同時可以要求切斷加熱片電源，以防止溫度上升過快。

2.7.3控制焊接熱輸入

焊接過程中，焊接電流、電壓是需要關(guān)注的重要參數(shù)，因?yàn)樗鼈儧Q定了焊縫的熱輸入量。熱輸入過大，則熔敷金屬中的合金元素?zé)龘p較為嚴(yán)重，同時也使奧氏體晶粒粗大，焊縫強(qiáng)度和沖擊韌性就會降低，構(gòu)件變形也會加大；熱輸入量過小，則熔敷金屬冷卻速度過快，易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，從而產(chǎn)生冷裂紋。如圖11、圖12所示，每隔約20 min，質(zhì)量控制員要使用鉗形電流表對焊接電流、電壓進(jìn)行測試、監(jiān)控和記錄，對于超出WPS范圍的數(shù)值，要及時糾正。

圖11　監(jiān)控焊接電流

圖12　監(jiān)控焊接電壓

2.7.4焊后緩冷監(jiān)控

焊接修復(fù)完成以后，應(yīng)使用保溫棉將修復(fù)焊道進(jìn)行包裹，以使其緩慢冷卻至環(huán)境溫度。質(zhì)量控制員應(yīng)檢查保溫棉覆蓋范圍是否充分，分布是否均勻等。

3　最終檢驗(yàn)

焊道返修完畢后，要求焊工用砂輪機(jī)將焊道表面打磨平整并圓滑過渡，去除藥皮、焊渣、鐵銹等污物。質(zhì)量控制員依據(jù)AWS D1.1規(guī)范檢查焊道外觀，確認(rèn)焊道外觀合格后，待48 h以后進(jìn)行NDT檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)結(jié)果表明，該內(nèi)塔所有返修焊道外觀檢驗(yàn)及NDT檢驗(yàn)一次合格率均達(dá)到100％。

4　結(jié)論

（1）返修焊接開始前，質(zhì)量控制員要檢查返修順序、防風(fēng)情況、焊材焊機(jī)準(zhǔn)備情況以及缺陷清除過程，保證它們能滿足相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）返修焊接過程中，質(zhì)量控制員要監(jiān)控并記錄預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接電流、電壓等焊接參數(shù)，并嚴(yán)格控制在WPS允許范圍內(nèi)。

（3）返修工作需要選取焊接技能熟練，責(zé)任心強(qiáng)的焊工進(jìn)行焊接作業(yè)，以保證焊接修復(fù)質(zhì)量。

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Key factors control of structural welding repair quality for the fixed tower sigle point mooring（SPM）

WANG Jiumin
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

To insure the repair quality for the Fixed Tower SPM，by way of choosing high skilled welders，strictly controlling the welding parameters such as preheating temperature，pass temperature and heat input，a series of effective quality control activities are conducted for the links such as fitting up inspection，process monitoring and visual inspection for the Fixed Tower repair welding work，then all the defective welds are repaired successfully and pass inspection.The repair result shows that the strict quality control measures are the key factors to get a successful repair work for the fixed tower structure.

preheating temperature；process monitoring；welding heat input；visual inspection

TG405

A

1001－2303（2016）05－0109-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.24

2015－10－18；

2015－12－20

王久民（1962—），男，天津人，工程師，主要從事海洋采油平臺鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方面的研究工作。