單點系泊系統(tǒng)關鍵集成焊口施工質量控制分析

謝偉

摘要：FPSO是常見的海洋工程裝備，通常設計為集生產(chǎn)、儲油、卸油為一體的船型結構，其系泊系統(tǒng)類型眾多。內轉塔式單點系泊系統(tǒng)最為復雜，將系泊系統(tǒng)內置在FPSO月池中，通過焊接實現(xiàn)單點系泊系統(tǒng)與FPSO的連接，連接焊縫焊接質量與尺寸要求極為嚴格，焊縫質量問題或者尺寸偏差都會對FPSO整體性能產(chǎn)生不利影響。探討了關鍵集成焊口施工的質量控制方法。

關鍵詞：單點系泊系統(tǒng);集成板焊接;尺寸及質量控制

中圖分類號：TG441 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）12-0082-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.17

0 前言

作為海洋工程類船舶如FPSO等的系泊結構，單點系泊系統(tǒng)分為多種類型，常見的有單點——轉塔系泊系統(tǒng)，多點——伸展系泊系統(tǒng)以及動力定位系統(tǒng)[1]等，其中內轉塔式單點系泊系統(tǒng)最為復雜，需要內置在船艏月池艙（月池可簡單理解為在船艏部開的一個上下貫通的圓孔）內，內轉塔單點系統(tǒng)的軸承支撐結構通過焊接與船艏月池艙相連，軸承支撐為類似于“喇叭形”的結構，該連接焊縫將承載單點系統(tǒng)數(shù)千噸的質量，因其重要性又被稱為單點集成施工的“黃金焊口”，同時，單點系統(tǒng)的焊后整體尺寸控制要求達到毫米級。

為了保證集成焊縫焊接質量及焊后整體尺寸，需要開展全過程的質量控制工作，文中對此分階段進行論述。

1 策劃階段

質量控制策劃應基于規(guī)格書等技術文件要求，主要需明確集成焊口的各項檢驗要求及接受標準等。

首先，應根據(jù)規(guī)格書要求，辨識集成焊口是否需要入級，并識別船級社規(guī)范中的具體要求，包括材料要求、人員資質要求、檢驗要求等。

其次，應辨識需要控制的關鍵尺寸以及允許的公差，根據(jù)公差要求，開展尺寸控制的策劃工作。

再次，應辨識出焊縫的無損探傷驗收標準，以及允許的返修次數(shù)。以超聲波檢驗（UT）為例，應識別采用的是動載荷（周期載荷）還是靜載荷，動載荷接受標準的嚴格程度要遠高于靜載荷。無損探傷接受標準的等級以及允許返修的次數(shù)直接關系著過程控制的頻次及強度。

以上要求應納入專門的檢驗與試驗計劃（ITP）中，用于指導質量控制工作的開展。同時，針對關鍵尺寸控制要求，應在設計階段進行策劃。

2 設計階段

月池壁底部及與之相連的單點軸承支撐頂部的周長均達數(shù)十米，且兩者在完工階段均存在一定的尺寸誤差，若直接進行組對，極易超出公差要求，調整難度非常大。

為此，可將軸承支撐頂部高度方向上1 m左右的部分設計為散裝板，用于調節(jié)軸承支撐頂部與月池壁底部之間的組對誤差，由于軸承支撐為“喇叭形”結構，越往上直徑越大，因此，散裝集成板為變徑結構。為了便于調節(jié)，在集成板高度方向上也設計一定的余量。

由于周長較長，集成板難以直接卷制成一整塊，且在圓周方向上，月池壁底部及軸承支撐頂部不同位置尺寸的超差程度不同，為此，可將集成板等分成數(shù)段，對每段進行單獨卷制，以匹配相連位置的尺寸誤差，并對每塊集成板單獨編號。集成板卷制如圖2所示。

為控制好焊接質量及尺寸，需要編制焊接控制方案及尺寸控制方案。

3 集成板預制階段

首先，根據(jù)入級要求，確認集成板材料證書及檢驗報告是否滿足船級社規(guī)范要求。其次，為滿足安裝要求，集成板需進行壓弧，為確保集成板上下環(huán)口及縱縫對接口組對尺寸均滿足公差要求，需要進行集成板壓制策劃。集成焊口布置如圖3所示。

由于建造累積誤差，月池壁底端及軸承支撐頂端均非理想的圓，圓周上各個位置的不圓度應作為單塊集成板壓弧的參考，對集成板的上下端分別進行卷制，這樣可以最大限度地減少安裝時的組對錯邊。其次，為了驗證集成板卷制后的不圓度是否滿足要求，需制作檢測樣板（針對每塊集成板單獨制作），由數(shù)控進行下料制作（條件允許的情況下采用機加工），對每塊弧板上下端的不圓度進行檢測。需要注意的是，需要在余量之外的區(qū)域測量卷制后的不圓度。

4 集成板坡口制備

集成板高度方向上的余量，需要根據(jù)月池壁底端與軸承支撐頂端之間實際的高差進行切除，由于各個位置高差不是一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，具體到圓周上是各個位置的余量切割量各不相同，切除余量后，在切割邊緣再次測量不圓度以確保尺寸滿足要求。按照根據(jù)ITP要求加工集成板坡口（見圖4），過渡邊、坡口角度、鈍邊及坡口表面處理等都需要滿足WPS（焊接工藝）要求，應在安裝前完成檢驗。

5 集成板焊接方案及順序

集成焊縫的焊接質量要求很高，焊接前需制定焊接方案及焊接順序，集成板焊接涉及板間縱縫以及上下口環(huán)縫。集成焊口分類如圖5所示。

5.1 焊接順序

結合焊縫應力釋放及尺寸公差要求，可分為三個階段，首先焊接板間縱縫，再焊接上環(huán)口，之后打開下環(huán)口馬排[2]，釋放應力，最后焊接下環(huán)口。

為了更好地控制焊接尺寸，將縱縫分別編號，分為兩個階段焊接，奇數(shù)編號的焊縫先焊接，完成后再進行偶數(shù)焊縫的焊接。

5.2 焊工要求

具體到焊工，根據(jù)入級要求，需選拔具備入級資質的焊工。其次，要結合焊工歷史合格率數(shù)據(jù)，選拔技能水平優(yōu)秀的焊工。再次，結合集成板焊接工藝（WPS）相關焊接要素（母材厚度、母材材質、焊材、保護氣等），考察焊工是否具備相關焊接經(jīng)驗。

為了控制焊接變形，應采用對稱焊接的方法，且由于集成板焊接工作量較大，連續(xù)焊接需要安排白夜班，所以需要保證足夠的焊工數(shù)量。

選拔好焊工后，應組織焊工復核考試，按照實際焊接方法進行模擬測試，并按照實際的無損驗收標準對焊縫進行驗收，考試合格的焊工方可參與施工。

5.3 焊接方法

為了控制好焊接尺寸，需要安排多名（偶數(shù)）焊工同時對稱焊接，并且采用分段退焊[3]等焊接方法，同一條焊縫多名焊工施焊時，焊接參數(shù)應盡量均勻一致。

6? 集成板安裝

錯邊控制為集成板安裝階段的精度控制難點。由于上下環(huán)口周長均達數(shù)十米長，需要保證集成板安裝后，各個位置板厚中心錯邊誤差都不超過公差要求，因此，在集成板安裝前必須考慮定位的準確性。下環(huán)口為集成板與軸承支撐的直邊對接，定位相對容易，出現(xiàn)偏差也可較為直觀地發(fā)現(xiàn);而上環(huán)口為集成板與月池壁的斜向對接口，較難定位，且不易直觀地判斷偏差。為此，可安裝導向輔助定位，并將板厚中心處的公差模擬轉移至邊緣處，方便檢測。

按照ITP要求，首先在坡口兩側安裝馬排，相鄰馬排間距以不超過700 mm為宜（以具體項目要求為準），第一塊集成板安裝就位后，檢查各項尺寸是否滿足要求，如出現(xiàn)偏差，進行修改，同時對其余的集成板也進行相應處理。

完成全部集成板的安裝后，將所有焊口兩側馬排點焊固定，馬排點焊長度應不低于100 mm（以具體項目要求為準），坡口處間隙越小越好（以具體項目要求為準）。需要注意的是，嚴禁在坡口上點焊，以免受力而導致相連母材開裂。

7 集成板組對檢驗

集成板安裝就位并調整好以后，按照ITP要求，需對縱縫對接口及上下環(huán)口進行焊前組對檢驗，主要包括錯邊和坡口（角度、間隙、坡口面）檢查，錯邊檢查為重難點。

對于縱縫對接口，可使用多功能焊縫檢驗尺進行錯邊測量，為確保整道坡口錯邊均滿足要求，建議每隔一定距離選取一個測量點進行檢測，并出具檢測報告。對于下環(huán)口，由于集成板與軸承支撐為直邊對接，使用鋼直尺與間隙尺可完成測量，將鋼直尺沿著集成板邊延伸至軸承支撐側，將間隙尺塞入，讀取間隙值即可。每兩個馬排之間均勻地選取數(shù)個點進行測量，出具檢測報告。

對于縱縫對接口和下環(huán)口來說，板厚中心處的錯邊可直接轉化到邊緣處;但是對于上環(huán)口來說，由于集成板與月池壁為斜向相交，需要將板厚中心公差模擬至邊緣處。

通過CAD軟件模擬厚度中心往內及往外處于最大偏差的極限狀態(tài)，在集成板板厚中心無錯邊的情況下，模擬出集成板內壁延長線與月池壁間距X如圖6所示;集成板板厚中心向外錯邊4 mm，模擬出集成板內壁延長線與月池壁間距X1如圖7所示;集成板板厚中心向內錯邊4 mm，模擬出集成板內壁延長線與月池壁水平間距X2和垂直間距Y如圖8所示。并充分考慮鋼板表面油漆膜厚、相交角度偏差等影響因素，確定出邊緣處允許的公差。

然后，可采用鋼板尺加游標卡尺相結合的測量方法（見圖9），鋼板尺平貼著集成板往上一直延伸至與月池壁相交，隨著偏心方向朝內或者朝外交點位置會有不同，然后用游標卡尺測量邊緣處間距值，與公差進行比對。

每兩個馬排之間均勻地選三個點測量錯邊，出具檢測報告。

對于測量不合格的位置，應打開馬排，進行調整，直至結果滿足要求。

在焊接開始前，需要保證縱縫對接口及上下環(huán)口組對結果合格。需要注意的是，按照焊接順序，縱縫和上環(huán)縫焊完之后，需要打開下環(huán)口的馬排以釋放焊接應力，馬排打開之后，受焊接應力影響，下環(huán)口錯邊可能發(fā)生變化，調整之后再次進行組對檢測。

8 焊接前準備工作

焊接正式開始前，需要開展相應的策劃工作，主要包括：（1）組織實際參與焊接的焊工進行一次焊接專項質量技術交底;（2）由于焊接工作量很大，應做好焊工的排班計劃表;（3）在各個焊口旁邊畫好焊接信息框，將參與焊接的焊工號按照班次標注好，以備追溯;（4）做好報批文件的張貼，包括：準入焊工清單、焊接工藝（WPS）、焊接監(jiān)控表格等。

其中，質量技術交底的內容應主要包括：（1）按照工藝參數(shù)焊接;（2）焊材的領用及保管應滿足程序要求（注明焊材領用時間，精確到分）;（3）打磨工具應配備齊全，包括砂輪片、鋼絲刷及直磨機等;（4）將氣刨清根后表面處理列為停止點進行檢查;（5）加熱及測溫設備的配備;（6）按制定的焊接順序開展焊接;（7）做好防風擋雨措施。

9 焊接過程控制

9.1 縱縫焊接

按照焊接順序要求，先焊接編號為奇數(shù)的縱縫，由多名（偶數(shù)）焊工同時從內側開始焊接，然后焊接編號為偶數(shù)的縱縫。

縱縫焊接結束之后，進行無損預探傷。記錄發(fā)現(xiàn)的缺陷，包括缺陷出現(xiàn)的位置、深度，缺陷類型及相關焊工號，并組織開展原因分析，做好后續(xù)預防措施。

9.2 上環(huán)縫焊接

為了控制焊接變形，應采用分段退焊，每段長度約500～800 mm，并安排多名（偶數(shù)）焊工按順序對稱焊接，在圓周方向上均勻分布，同時沿順時針方向焊接。如圖10所示。

從外側進行打底填充，結束后從內側氣刨清根，打磨清理并檢驗合格后，從內側進行填充蓋面焊接，再轉移至外側完成蓋面焊接。

上環(huán)口焊接完成之后，可進行一次無損預探傷，對于發(fā)現(xiàn)的缺陷應進行記錄，包括焊接缺陷出現(xiàn)的位置、深度，缺陷類型及相關焊工號，并組織開展原因分析，做好后續(xù)預防措施。

9.3 下環(huán)縫焊接

上環(huán)縫焊完后，下環(huán)口上的馬排位于集成板一側的點焊需要清除，以釋放應力，隨著應力釋放，下環(huán)口錯邊可能出現(xiàn)偏差，重新調整滿足要求后，點焊固定。并且由于焊接收縮，坡口間隙會增大，需按照程序進行堆焊以保證焊接間隙。

為了控制焊接變形[4]，應采用分段退焊，如圖10所示，每段長度約500～800 mm（以具體項目要求為準），并安排多名（偶數(shù)）焊工按順序對稱焊接，焊工在圓周方向上應均勻分布，同時沿順時針方向焊接，如圖11所示。

先從外側進行打底焊接和填充焊接，之后從內側氣刨清根，清根后進行表面外觀檢查，再填充焊接，最后從兩側蓋面。

9.4 過程監(jiān)控要求

按照監(jiān)控方案要求，做好焊接過程的各項參數(shù)記錄，主要監(jiān)控措施[5]包括：（1）需要對所有位置的溫度進行檢測，防止加熱片出現(xiàn)故障;（2）引弧點及熄弧點需認真打磨清理，每道焊縫的引弧點及熄弧點要錯開至少100 mm（以具體項目要求為準）;（3）每道焊縫道間清理要認真、仔細、徹底，需特別注意打磨焊道層間的溝槽，同時使用風帶將層間渣子以及打磨的飛濺鐵屑等清理干凈;（4）焊接過程中焊槍不允許大擺動，單道焊道寬度不允許超過擺寬要求;（5）焊接過程中，需注意焊肉不宜過厚;（6）根部清理要徹底，適當擴寬，使底部呈弧形;（7）清根結束后必須打磨至光亮金屬，不能有任何碳化層殘留;（8）焊接過程中注意觀察電弧熔池，發(fā)現(xiàn)有任何異物應立即停止焊接并進行打磨處理。

10 外觀檢驗

由于集成焊縫將承受單點系統(tǒng)的重力，受力方向為垂直方向，在對焊縫進行打磨時，需注意打磨方向應與受力方向平行，對焊縫表面進行平滑處理。

正式外觀報檢后，在焊后48 h之后進行正式無損探傷，對于發(fā)現(xiàn)的缺陷制作缺陷定位圖，現(xiàn)場無損探傷檢驗員跟蹤定位，根據(jù)集成焊縫的受力情況，發(fā)現(xiàn)的缺陷需逐個返修，逐個進行無損探傷的復測。

全部焊縫無損檢測合格之后，按照ITP要求，對焊后相關尺寸進行檢驗。

11 經(jīng)驗總結

集成板施工需要識別重點和難點工作并做好控制措施，除此之外，有些細節(jié)也需要注意：（1）嚴禁在坡口上點焊。由于垂直方向上的受力情況，在坡口上點焊，容易造成母材撕裂。（2）焊接過程中做好防風擋雨措施。由于月池艙上部是敞口，雨水容易沿著月池壁流下，會對焊接質量造成影響。（3）焊接過程清理是保證焊縫質量的關鍵，焊工需配備鋼絲刷、直磨機等打磨工具，確保焊縫邊緣及死角處都能清理到。

單點集成板安裝對于單點集成非常重要，全過程的質量控制策劃是保證集成板施工質量的關鍵。需要結合施工過程中各個要素進行分析，識別關鍵控制點，制定控制措施，編制控制方案，并注意控制措施要落實到位。對于其他關鍵結構或者重要工序的施工，也應建立系統(tǒng)的控制思維，方可實現(xiàn)控制目標。

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收稿日期：2020-10-30

作者簡介：謝 偉（1987— ），男，本科，工程師，國際焊接檢驗師，主要從事焊接檢驗、結構質量控制等工作。E-mail：xiewei@cooec.com.cn。