張力腿平臺(tái)張力腿焊接工藝

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

圖1 第一代傳統(tǒng)張力腿平臺(tái)

0 引 言

張力腿作為張力腿平臺(tái)(Tendon Leg Platform，TLP)[1-3]的系泊系統(tǒng)，在平臺(tái)服役過程中，用于提供足夠剛度，控制平臺(tái)升沉、橫搖及縱搖周期，保證平臺(tái)在海洋環(huán)境中的生產(chǎn)操作需求及平臺(tái)安全[4-5]。目前全球已交付的TLP共28座，其中傳統(tǒng)張力腿平臺(tái)(Conventional Tendon Leg Platform，C-TLP)13座。所有TLP的張力腿都是由為數(shù)不多的幾個(gè)廠家建造，且主要集中在歐美國家，如美國的FRANK's International，Gulf Marine Fabricators及Kiewit Offshore Services等。張力腿焊接技術(shù)主要以單面焊為主。TLP已成為海洋工業(yè)深水采油平臺(tái)的主要形式。

流花16-2/11-1 TLP為第一代傳統(tǒng)型張力腿平臺(tái)，如圖1所示，其張力腿由頂部段、主體段及底部段組成，張力腿與船體、張力腿管段之間以及張力腿與樁基礎(chǔ)之間通過連接器或焊接的形式連接。由于焊接是張力腿連接的主要形式，焊接質(zhì)量是張力腿平臺(tái)建造的關(guān)鍵點(diǎn)及重點(diǎn)。

1 焊接設(shè)計(jì)

張力腿的作用是把浮式平臺(tái)拉緊并固定在海底的樁基礎(chǔ)上，使平臺(tái)在環(huán)境力作用下的運(yùn)動(dòng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。流花TLP 張力腿管段須用母材強(qiáng)度及韌性較高的材料。

1.1 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

流花TLP項(xiàng)目張力腿管段的材質(zhì)選用API 5L X70 PSL-2，供貨狀態(tài)為熱機(jī)械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process，TMCP)供貨，制造標(biāo)準(zhǔn)為API 5L。該材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。

表1 試驗(yàn)用X70 PSL-2化學(xué)成分 %

表2 試驗(yàn)用X70 PSL-2力學(xué)性能參數(shù)

圖2 坡口節(jié)點(diǎn)圖

1.2 焊接方法及焊材的選擇

根據(jù)張力腿環(huán)縫焊接的特點(diǎn)及要求，焊接方法選用半自動(dòng)氬弧焊+機(jī)械埋弧焊的(TIP TIG)+機(jī)械埋弧焊(Submerge Arc Welding,SAW)復(fù)合工藝。其中，半自動(dòng)氬弧焊選用林肯Pipeliner 80Ni1封底焊材，埋弧焊材選擇瑞典伊薩OK Autrod 13.40焊絲，OK Flux 10.62焊劑。

1.3 坡口類型及焊前準(zhǔn)備

張力腿管焊接接長(zhǎng)主要是環(huán)縫焊接，綜合項(xiàng)目規(guī)格書及國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，制定了單V型 60°坡口，坡口間隙2～4 mm，鈍邊1～2 mm。焊接試驗(yàn)選取2段Ф762 mm×31.8 mm×200 mm的管材進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接位置半自動(dòng)氬弧焊選取5G位置(圓管水平放置并固定，焊接時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng))，機(jī)械埋弧焊選取1G位置(圓管水平放置，焊接時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng))。坡口形式如圖2所示。焊接最小預(yù)熱溫度為50℃，最大層間溫度不超過250℃。

1.4 工藝參數(shù)選擇

按照美國國家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范AWS D1.1/D1.1M并結(jié)合項(xiàng)目規(guī)格書執(zhí)行，焊接工藝為TIP TIG+SAW，其中TIP TIG焊材采用的是林肯Pipeliner 80Ni1Ф1.0 mm焊絲，采用直流正接形式。封底焊時(shí)，焊接電流為100～140 A，焊接電壓為9～11 V，保護(hù)氣體為氬氣，氬氣純度為99.99%，氣體流速為15～20 L/min，焊接熱輸入不大于2.4 kJ/mm。為防止機(jī)械埋弧焊填充時(shí)燒穿焊道，繼續(xù)用氬弧焊進(jìn)行2～3層的填充，焊接電流較封底電流稍大為220 A左右，焊接電壓為11～14 V左右，氬氣保護(hù)氣流速18～22 L/min，焊接熱輸入不大于2.0 kJ/mm。

機(jī)械埋弧焊填充時(shí)，采用直流反接形式，采用伊薩OK Autrod 13.40 Ф4.0 mm的埋弧實(shí)芯焊絲。焊接電流為500～550 A，焊接電壓小于29～33 A，焊接熱輸入2.0 kJ/mm。采用機(jī)械埋弧焊進(jìn)行蓋面焊接時(shí)，仍采用直流反接形式，焊接電流較填充電流稍小為520 A左右，焊接電壓為30 V左右，焊接熱輸入不大于1.7 kJ/mm。

為保證后續(xù)力學(xué)性能試驗(yàn)滿足項(xiàng)目要求，焊接過程中焊接電壓、焊接電流及焊工的技能水平都必須在正式試驗(yàn)開展前進(jìn)行摸底培訓(xùn)，以保證焊接接頭的綜合性能要求。焊接完成后，為防止急冷，對(duì)焊道進(jìn)行230℃、3 h的后熱處理。

2 焊縫性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 無損檢測(cè)試驗(yàn)

所有焊接工序完成后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)焊縫接頭進(jìn)行外觀檢測(cè)及其他無損檢測(cè)，如：表面磁粉探傷、內(nèi)部超聲波檢測(cè)及射線探傷，以確保得到的焊縫無表面、近表面及內(nèi)部缺陷。

2.2 拉伸性能試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行全焊縫拉伸及縮減斷面拉伸試驗(yàn)，以此來檢測(cè)焊材及焊接接頭整體的抗拉性能。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果全部合格，2個(gè)縮減斷面拉伸試件全部斷裂在母材，試件拉伸強(qiáng)度結(jié)果分別為583 MPa和579 MPa，均大于570 MPa。全焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 全焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 彎曲性能試驗(yàn)

根據(jù)AWS D1.1/1.1M標(biāo)準(zhǔn)的要求，由焊接試驗(yàn)板切取4個(gè)試樣進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)試樣彎曲180°后表面無缺陷，彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.4 沖擊性能試驗(yàn)

為檢測(cè)焊縫的韌性等綜合指標(biāo)，對(duì)焊接試驗(yàn)板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試樣取樣位置分別為：焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm、根部焊縫中心及根部熔合線。沖擊試驗(yàn)的接受準(zhǔn)則為所有試樣沖擊吸收功最小值不小于20 J，均值不小于27 J。沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看出：所有試樣的沖擊值遠(yuǎn)大于接受值，最小個(gè)值出現(xiàn)在根部焊縫中心位置，沖擊功為183 J，其次為焊縫中心位置，沖擊功為196 J，表明焊縫根部位置為該接頭相對(duì)薄弱的部位。

圖3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.5 硬度試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，必須在焊接試驗(yàn)板上取2個(gè)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試樣1及試樣2的硬度值為175HV10～231HV10，母材及焊縫金屬硬度值相對(duì)較高，熱影響區(qū)硬度值相對(duì)較低。試樣1和試樣2的試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 試樣1試驗(yàn)結(jié)果 圖5 試樣2試驗(yàn)結(jié)果

2.6 裂紋尖端張開位移試驗(yàn)

按照BS 7448對(duì)焊接接頭進(jìn)行裂紋尖端張開位移(Crack Tip Opening Displacement,CTOD)試驗(yàn)。流花TLP對(duì)張力腿CTOD試驗(yàn)溫度要求為0℃，合格標(biāo)準(zhǔn)為：?jiǎn)沃怠?.35 mm，均值≥0.38 mm。本次所開發(fā)工藝焊縫及熱影響區(qū)最低單值為0.925 mm，大于0.35 mm，最低均值為0.994 mm大于0.38 mm，均滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制

圖6 焊接后的試件

3.1 焊前質(zhì)量控制

焊前質(zhì)量控制旨在檢查焊工/焊接操作工、焊接設(shè)備、焊材、母材、焊接工藝規(guī)程及施焊工況是否合規(guī)。母材表面有水或者溫度低于5 ℃時(shí)，不允許施焊，水源必須找到并去除。焊接區(qū)域下雨或者刮風(fēng)不允許施焊，保護(hù)較好的情況除外。預(yù)熱應(yīng)貫穿整個(gè)厚度，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)至少25 mm。焊接之前，焊縫兩側(cè)至少25 mm范圍內(nèi)需用砂輪或鋼絲刷清理干凈，以防焊接過程中污染焊縫。焊前，須對(duì)施焊的焊工進(jìn)行資質(zhì)核對(duì)，以防無證作業(yè)。

3.2 焊中質(zhì)量控制

焊接過程中的質(zhì)量控制主要是通過對(duì)焊接參數(shù)的控制獲得。焊接時(shí)，焊工必須嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程的要求施焊，封底采用半自動(dòng)TIP TIG焊接工藝，焊縫填充可以選擇半自動(dòng)TIP TIG或SAW焊接工藝，蓋面焊道選擇SAW焊接工藝。焊接后的試件如圖6所示。

3.3 焊后質(zhì)量控制

焊后質(zhì)量控制主要是通過各種檢驗(yàn)手段對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括外觀檢測(cè)、無損檢測(cè)及破壞性試驗(yàn)檢測(cè)。外觀檢測(cè)和無損檢測(cè)為非破壞性檢測(cè)，是主要的檢驗(yàn)方法。破壞性試驗(yàn)主要指力學(xué)性能試驗(yàn)，主要用于焊接工藝評(píng)定階段對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的檢測(cè)。對(duì)于該張力腿焊接接頭，焊接檢驗(yàn)方法有：外觀檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、熒光檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、相控陣檢測(cè)及射線檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合張力腿平臺(tái)張力腿焊接技術(shù)的要求和國內(nèi)外廠家的調(diào)研交流選擇焊材，以焊接試驗(yàn)的形式對(duì)焊材的力學(xué)性能進(jìn)行研究，最終形成滿足張力腿焊接要求的焊接工藝。通過試驗(yàn)研究，選擇半自動(dòng)TIP TIG焊接方法進(jìn)行封底，焊接效率比國外主流的張力腿焊接工藝——手工氬弧焊封底、機(jī)械埋弧焊填充蓋面提高1.3～1.5倍，形成了一套半自動(dòng)氬弧焊+機(jī)械埋弧焊的焊接工藝，并對(duì)焊接接頭的拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、斷裂韌性及硬度指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有性能指標(biāo)合格。

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