深水導(dǎo)管架的焊接質(zhì)量控制

孫志廣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

深水導(dǎo)管架的焊接質(zhì)量控制

孫志廣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

全世界海洋石油工業(yè)高速發(fā)展，作為海洋石油工程結(jié)構(gòu)物的深水導(dǎo)管架相較于陸地鋼結(jié)構(gòu)，具有服役環(huán)境更加惡劣、鋼材強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)焊接質(zhì)量的要求也更為嚴(yán)苛。以東海某導(dǎo)管架為建造實(shí)例，深入探討深水導(dǎo)管架的焊接質(zhì)量控制。

深水；導(dǎo)管架；焊接質(zhì)量；焊接工藝；焊接習(xí)慣

0　前言

深水導(dǎo)管架海洋平臺(tái)作為海洋油氣資源開發(fā)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是海上油氣鉆采作業(yè)的支撐結(jié)構(gòu)物，焊接是其最主要的建造方式。相較于陸地鋼結(jié)構(gòu)，其服役環(huán)境更加惡劣，鋼材強(qiáng)度更高，結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜，所以其對(duì)焊接質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格。

1　實(shí)例

將以東海某導(dǎo)管架為建造實(shí)例，探討深水導(dǎo)管架的焊接質(zhì)量控制。

1.1導(dǎo)管架基本資料

該導(dǎo)管架為4腿12裙樁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，重6450MT。導(dǎo)管架附近水深97.3m，工作點(diǎn)尺寸18.4 m× 16.4 m，底盤尺寸43.4 m×43.4 m，共5個(gè)水平層。設(shè)計(jì)壽命25年。

圖1　某導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型Fig.1Structure model of some jacket

1.2導(dǎo)管架用鋼特點(diǎn)

導(dǎo)管架用鋼主要為低碳鋼和低合金鋼。主結(jié)構(gòu)鋼材為船用結(jié)構(gòu)鋼D36，對(duì)于大厚度管相交的T、K、Y管節(jié)點(diǎn)，由于在厚度方向上拘束度大，并承受局部應(yīng)力集中，容易在臨近焊縫的母材上產(chǎn)生層狀撕裂，因此該部分使用的鋼材為厚度方向斷面收縮率大的D36-Z35（Z35代表斷面收縮率大于35％），此位置的焊接也是導(dǎo)管架建造焊接控制中的重點(diǎn)。主結(jié)構(gòu)使用的鋼材必須滿足下屈服點(diǎn)要求，大于等于355 MPa，最大厚度100 mm。次要結(jié)構(gòu)選用的材料是屈服強(qiáng)度較低的鋼材如Q235B等。

2　焊接工藝設(shè)計(jì)

由于服役條件較為惡劣，海洋石油工程結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫的綜合機(jī)械性能要求很高，其焊接工藝的設(shè)計(jì)要滿足業(yè)主規(guī)格書及一些國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、船舶入級(jí)規(guī)范等要求。常用的有美國(guó)焊接協(xié)會(huì)AWS D1.1和挪威船級(jí)社的DNV-OS-C401等。AWS D1.1的內(nèi)容包括焊接方法、焊接工藝、焊接材料的選擇、焊接工藝評(píng)定、焊工資格評(píng)定以及現(xiàn)場(chǎng)焊接施工管理和焊接檢驗(yàn)等[1]，而DNV-OS-C401規(guī)定了用斷裂力學(xué)試驗(yàn)-CTOD斷裂韌性試驗(yàn)評(píng)估焊縫和熱影響區(qū)包括強(qiáng)度、韌性、塑性及抗裂紋敏感系數(shù)等綜合機(jī)械性能[2]。同時(shí)，結(jié)合導(dǎo)管架使用鋼材的可焊性，選擇合理的焊接方法、焊接材料、焊接工藝，并通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)選擇優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)從而獲得滿足要求的焊接接頭。

示例導(dǎo)管架建造中焊接工藝設(shè)計(jì)的焊接方法主要有焊條電弧焊（SMAW）、CO2氣體保護(hù)焊（FCAW）、埋弧焊（SAW）、氬弧焊（GTAW）。鑒于導(dǎo)管架建造中涉及的鋼材厚度、材質(zhì)、甚至廠家不同，再加上對(duì)焊接效率、焊接操作難易程度等因素的考慮，實(shí)際設(shè)計(jì)的焊接工藝眾多，且多為各種焊接方法的組合。以下僅列舉個(gè)別示例說明該導(dǎo)管架建造中焊接工藝的設(shè)計(jì)。

（1）單絲、雙絲埋弧焊（SAW）。主要用于導(dǎo)管架鋼管預(yù)制及接長(zhǎng)焊接，在建造中結(jié)合母材實(shí)際厚度采用與焊條電弧焊（SMAW）或者CO2氣體保護(hù)焊（FCAW）組合的方式進(jìn)行使用。

a.限定管徑406 mm及以上，厚度12.7～40 mm。

SMAW+FCAW+SAW，用于縱環(huán)縫單面坡口的焊接，使用SMAW進(jìn)行打底焊接，熱焊道采用FCAW焊接，填充及蓋面使用單絲埋弧焊焊接。如有必要背焊，使用FCAW焊接。使用的焊材組合為L(zhǎng)B-52U（SMAW）、GFL-71Ni（FCAW）、CHW-S3/SJ101（SAW）。主要焊接工藝參數(shù)如表1所示。預(yù)熱溫度及層間溫度設(shè)計(jì)范圍：12.7 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預(yù)熱溫度40℃，最大層間溫度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤40 mm，最低預(yù)熱溫度65℃，最大層間溫度250℃。

表1　單絲埋弧焊焊接工藝參數(shù)（單面坡口）Tab.1Welding parameters of single-wire SAW(single groove)

b.限定管徑610 mm及以上，厚度16～50 mm。

FCAW+SAW，用于縱環(huán)縫雙面坡口的焊接，使用FCAW進(jìn)行打底焊接，清根后內(nèi)口使用單絲埋弧焊焊接，外口使用雙絲埋弧焊焊接。使用的焊材組合為GFL-71Ni（FCAW）、CHW-S3/SJ101（SAW）。主要焊接工藝參數(shù)如表2所示。預(yù)熱溫度及層間溫度設(shè)計(jì)范圍：16 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預(yù)熱溫度40℃，最大層間溫度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50mm，最低預(yù)熱溫度65℃，最大層間溫度250℃。

（2）焊條電弧焊（SMAW）或者焊條電弧焊+CO2氣體保護(hù)焊（SMAW+FCAW），主要用于導(dǎo)管架T、 K、Y管節(jié)點(diǎn)的全位置焊接及返修。導(dǎo)管架的T、K、Y節(jié)點(diǎn)焊接如圖2所示。

a.限定管徑355 mm及以上，厚度12.7～50 mm。

SMAW，根焊、填充及蓋面均使用SMAW進(jìn)行焊接，使用的焊材組合為L(zhǎng)B-52U/CHE58-1，主要焊接工藝參數(shù)如表3所示。預(yù)熱溫度及層間溫度設(shè)計(jì)范圍：12.7 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預(yù)熱溫度40℃，最大層間溫度220℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50mm，最低預(yù)熱溫度65℃，最大層間溫度220℃。

b.限定管徑168 mm及以上，厚度8～50 mm。

表2　雙絲埋弧焊焊接工藝參數(shù)（雙面坡口）Tab.2Welding parameters of double-wire SAW（double groove)

圖2　某導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)的焊接Fig.2The TKY connections welding in some jacket

表3　焊條電弧焊焊接工藝參數(shù)（TKY）Tab.3Welding parameters of SMAW(TKY)

SMAW+FCAW，使用SMAW打底焊接，F(xiàn)CAW進(jìn)行填充及蓋面焊接，使用的焊材組合為L(zhǎng)B-52U/ GFL-71Ni。主要焊接工藝參數(shù)如表4所示。預(yù)熱溫度及層間溫度設(shè)計(jì)范圍：8mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低預(yù)熱溫度40℃，最大層間溫度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50 mm，最低預(yù)熱溫度65℃，最大層間溫度250℃。

表4　焊條電弧焊+二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)（TKY）Tab.4Welding parameters of SMAW+FCAW(TKY)

（3）氬弧焊（GTAW）主要用于導(dǎo)管架caisson管、灌漿管線、注水管線、放空管線和立管的焊接及其返修。

限定管徑25 mm及以上，厚度1.5～11 mm，使用的焊材為JG-50。主要焊接工藝參數(shù)如表5所示。焊接過程中最低預(yù)熱溫度36℃，最大層間溫度117℃。

表5　氬弧焊焊接工藝參數(shù)Tab.5Welding parameters of GTAW

3　焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)

導(dǎo)管架建造項(xiàng)目可能在不同地區(qū)或不同建造場(chǎng)地進(jìn)行施工作業(yè)，氣候環(huán)境、施工作業(yè)環(huán)境以及工作習(xí)慣或者工作方法都不盡相同。焊接質(zhì)量控制需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況有所側(cè)重。示例導(dǎo)管架的建造場(chǎng)地處于潮濕、多雨的南方某城市，且施工中分包商較多，施工作業(yè)人員水平良莠不齊，給焊接質(zhì)量的控制帶來很大困難。

3.1焊前準(zhǔn)備

（1）組織好施工技術(shù)交底工作，讓施工人員充分熟悉焊接工藝規(guī)程及相關(guān)要求。同時(shí)，施工前的班前會(huì)對(duì)施工工藝重新強(qiáng)調(diào)，使每名焊接操作者熟悉掌握，以便施工中嚴(yán)格執(zhí)行，保證焊接質(zhì)量。

（2）因空氣潮濕且多雨，室外工作時(shí)必須做好焊接環(huán)境的準(zhǔn)備工作。如搭建防風(fēng)防雨簡(jiǎn)易工棚。

（3）結(jié)構(gòu)組對(duì)工作中除確認(rèn)組裝尺寸外，必須做好焊接坡口的清理除銹工作，在徹底清理經(jīng)專職檢驗(yàn)人員確認(rèn)后，方可涂防銹漆。

（4）必須做好焊材的保管防護(hù)工作。導(dǎo)管架施工使用的焊材為低氫焊材時(shí)，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)焊材控制程序烘干焊材。

3.2焊接工藝

焊接過程中專業(yè)檢驗(yàn)人員必須嚴(yán)格控制施工中的焊接工藝，確保完全符合焊接工藝規(guī)程要求，一些重要焊接節(jié)點(diǎn)（如鋼樁現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)口、TKY節(jié)點(diǎn)等）必須保證施工焊接記錄的完整，內(nèi)容需包括焊接時(shí)間、焊口編號(hào)、焊工編號(hào)、焊接工藝規(guī)程編號(hào)、預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接電流、焊接電壓等參數(shù)。同時(shí)，重點(diǎn)從以下幾方面對(duì)焊接質(zhì)量加以控制。

（1）正確使用焊材。

檢查焊材牌號(hào)，確認(rèn)與焊接使用的焊接工藝規(guī)程一致。檢查焊材質(zhì)量，確認(rèn)其滿足使用要求，低氫焊條、埋弧焊焊劑已進(jìn)行烘干處理，并保持要求溫度。

（2）預(yù)熱及層間溫度。

在焊接工作開始前（包括點(diǎn)焊）和任何焊接中斷后都必須預(yù)熱焊縫，可使用氣體火焰烤把或電加熱方法，需注意切割或者氣刨火焰不能用于預(yù)熱。預(yù)熱能夠去除焊縫中的擴(kuò)散氫，降低焊縫的冷卻速度，從而有效防止冷裂紋。但合理控制預(yù)熱溫度也是非常重要的，預(yù)熱溫度過高，一方面會(huì)惡化施工條件，另一方面在局部預(yù)熱的條件下因產(chǎn)生附加應(yīng)力，反而會(huì)促使產(chǎn)生冷裂紋[3]。所以，預(yù)熱溫度不是越高越好，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程要求進(jìn)行預(yù)熱。焊接工藝規(guī)程中設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度的依據(jù)是AWS D1.1中根據(jù)母材的強(qiáng)度、厚度、拘束度以及焊接材料的擴(kuò)散氫含量對(duì)常用鋼材預(yù)熱溫度的推薦[4]。

焊接過程中層間溫度的控制也是影響焊接質(zhì)量的重要因素，如果過高會(huì)引起熱影響區(qū)晶粒粗大，焊縫力學(xué)性能下降，過低則可能引起裂紋。所以必須在每一焊道引弧施焊前加以核對(duì)。

在示例導(dǎo)管架建造中，要求施焊焊工必須隨身攜帶測(cè)溫蠟筆或者測(cè)溫槍，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)熱溫度和層間溫度。

（3）焊接熱輸入。

焊接熱輸入即施焊時(shí)，熱源功率與焊接速度之比，也就是焊接熱源輸入給單位長(zhǎng)度焊縫上的能量。當(dāng)確定焊接方法和焊材后，它是焊接接頭成形、組織和性能的主要影響因素。焊接熱輸入過大，會(huì)引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低焊縫力學(xué)性能；過小又會(huì)使焊縫成形困難，也會(huì)影響熱影響區(qū)淬硬，不利于氫的溢出[3]。因此，在焊接過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程中焊接電流、電壓等工藝參數(shù)要求，確保使用合理的焊接熱輸入。

在示例導(dǎo)管架建造中，由于施工分包商較多，受教育程度和施工水平參差不齊，對(duì)焊接熱輸入的控制難度很大?？赡苁苤朴谑┕みM(jìn)度壓力，個(gè)別施工單位在經(jīng)過技術(shù)交底以及班前會(huì)強(qiáng)調(diào)后依然無法對(duì)焊接熱輸入的控制引起重視。針對(duì)此情況，由質(zhì)量控制專業(yè)人員組成監(jiān)控小組，在日常巡檢的基礎(chǔ)上不定期抽查焊接過程中的焊接電流、焊接電壓等參數(shù)，對(duì)未正確操作的施工單位予以經(jīng)濟(jì)懲罰，強(qiáng)令違規(guī)個(gè)人停止繼續(xù)在項(xiàng)目中施工作業(yè)。監(jiān)控小組抽查焊接現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

3.3焊接習(xí)慣

焊接習(xí)慣雖然不是影響焊接質(zhì)量的主要因素，但是良好的施焊習(xí)慣能夠提升焊工個(gè)體的職業(yè)素養(yǎng)和建造場(chǎng)地的施工形象。在示例導(dǎo)管架建造中，組織建造參與各方成立聯(lián)合巡查小組對(duì)施焊焊工的焊接習(xí)慣進(jìn)行檢查。

（1）焊工施焊時(shí)必須勞保齊全。

（2）焊工隨身攜帶經(jīng)項(xiàng)目批準(zhǔn)的焊工牌，顯示焊工的基本信息以及施焊資格和有效期，便于施工領(lǐng)班或者業(yè)主確認(rèn)檢查。

（3）施焊時(shí)注意保護(hù)焊接材料。

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Welding quality control for deep water jacket

SUN Zhiguang
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

The offshore oil industry around the world has being rapidly developing in recent years.Comparing with inland steel structure, deep water jacket,as the structure of offshore oil engineering,has the worse service environment,the higher steel strength and more complex structure.So its welding quality requirements are more stringent.In this paper，the welding quality control for deep water jacket is discussed takinga jacket in the East China Sea as an instance.

deep water；jacket；welding quality；welding procedure；welding habit

TG405

B

1001－2303（2016）05－0123-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.27

2015-08-10；

2015-09-16

孫志廣（1983—），男，遼寧喀左人，工程師，學(xué)士，主要從事海洋石油工程項(xiàng)目管理、焊接工藝研究等工作。