FPSO立管平臺支撐焊接裂紋修復

衣東旭

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

0 引 言

21世紀是海洋資源開發(fā)的新世紀，世界各國把開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟和海洋產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略目標[1]。浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)作為當今海洋油氣開發(fā)的主流裝置，已經(jīng)被越來越多的石油公司所采用，是集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性大型海上油氣生產(chǎn)基地[2]。立管平臺作為FPSO的重要結(jié)構(gòu)，其支撐的焊接是質(zhì)量控制的難點和重點。

1 工程實例

某300 000噸級FPSO項目立管平臺支撐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 立管平臺支撐

支撐為一長達5 m的三角板，厚度為37.5 mm，其材質(zhì)為船用低合金高強度鋼DH36。該材料具有良好的強度和韌性[3]，其母材化學成分如表1所示，碳當量Ceq為0.339%，焊接性能較好。

表1 DH36母材化學成分 %

焊接方法采用氣體保護藥芯焊絲電弧焊(Gas Shielded Flux-Cored Arc Welding,FCAW-G)，焊材采用TWE-711Ni焊絲，接頭采用K形坡口，預熱溫度為65 ℃。具體的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 TWE-711Ni焊絲焊接工藝參數(shù)

在焊接完成48 h后進行超聲探傷(Ultrasonic Testing,UT)時，發(fā)現(xiàn)焊道存在較多的橫向裂紋，裂紋大量分布，主要集中在根部，有很多已經(jīng)擴展。焊道打磨后磁力探傷(Magnetic Testing,MT)所顯示的內(nèi)部宏觀裂紋照片如圖2所示。由于大量裂紋的產(chǎn)生，嚴重影響了項目進度。

圖2 焊道內(nèi)部宏觀裂紋

2 焊接裂紋產(chǎn)生原因分析

焊接裂紋主要分為：熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋。綜合考慮這3種裂紋的特點，可以判定立管平臺支撐的根部裂紋屬于冷裂紋，這種裂紋主要發(fā)生在含氫量高、預熱溫度不足的情況下，起源于焊縫根部應力集中最大的部位[4]。冷裂紋的形成主要有3個因素：鋼的脆硬性、擴散氫和拘束應力，3個因素的綜合作用導致冷裂紋的產(chǎn)生。不同的鋼種，這3個因素的作用程度是不同的[5]。

對于立管平臺支撐，其母材為DH36，屬于常用的船用高強度鋼，而且其厚度較大，脆硬傾向較高，比較容易產(chǎn)生冷裂紋。預熱方式的不足加劇接頭的脆硬傾向，焊接時采用氧乙炔火焰方式進行預熱，火焰預熱只能在鋼板表面比較淺的區(qū)域加熱[6]，表面溫度雖然達到要求，但內(nèi)部溫度仍有可能低于預熱溫度，況且由于是冬季施工，加之立管平臺較長，預熱之后還沒有來得及焊接就容易冷卻，導致實際焊接時接頭溫度較低。

裝配導致產(chǎn)生較大的拘束應力。立管平臺支撐裝配時不僅需要與船體上支撐型鋼腹板中心對齊，而且需要與上部立管平臺預留槽對齊，由于船體支撐型鋼和上部立管平臺預留槽存在預制誤差，同時滿足上述兩個要求使得立管平臺支撐的安裝存在一定的難度。因此，安裝時在誤差允許的范圍內(nèi)會對支撐板施加一定的外力，導致支撐有一定程度的彎曲，安裝后接頭存在較大的拘束應力。在焊接時，一旦拘束應力超過臨界拘束應力，就會產(chǎn)生裂紋，尤其是在根部區(qū)域；在焊接中斷時，接頭溫度冷卻到預熱溫度以下，在較大的拘束應力下較易產(chǎn)生裂紋。為了避免此類較大的應力集中，控制船體的建造誤差十分關鍵，在前期船體建造時就需要嚴格控制裝配誤差，后期的立管平臺建造也需要控制誤差，盡可能減少累計誤差帶來的裝配難度。

施工時正值冬季，施工地點潮氣較大，預熱不到位，加上焊后沒有消氫處理，導致擴散氫不能夠充分溢出，加劇裂紋的產(chǎn)生。

3 修復方案確定

基于上述裂紋產(chǎn)生原因的分析，從改善接頭應力、焊材選擇、焊后消氫處理等方面制訂下列裂紋修復措施。

3.1 缺陷清除

缺陷清除采用碳弧氣刨和打磨的方式，注意氣刨前，應對氣刨區(qū)域進行預熱，預熱溫度同焊接預熱溫度相同。裂紋清除應由距裂紋末端最少50 mm處開始，如圖3所示。氣刨過程中需要觀察原始焊縫的缺陷是否清除，直至缺陷清除后方可停止氣刨，打磨完成后采用干法MT對氣刨、打磨后的坡口進行檢驗，確保裂紋已完全去除。在焊接以前，須確保去除MT遺留的磁粉、油污、滲碳層等雜物，保持坡口的干凈。

圖3 清除缺陷坡口形狀

3.2 焊材選擇及焊接工藝參數(shù)

焊材選擇焊接接頭力學性能優(yōu)于TWE-711Ni的DW-A55L焊絲[7]，其具體的焊接工藝參數(shù)如表3所示。尤其需要注意焊接速度，擺寬控制在16 mm以內(nèi)，焊道厚度控制在單層3.5 mm左右。須注意焊道根部成形，必要時可使用小直徑套筒以改善根部成形。

表3 DW-A55L焊絲焊接工藝參數(shù)

3.3 預 熱

為了有效地改善焊接接頭的應力狀態(tài)，降低脆硬傾向，確保擴散氫的溢出，將預熱溫度從65 ℃提高至110 ℃，整個焊接過程需要保持接頭溫度不低于預熱溫度。為了取得較好的效果，整個過程需要采用電加熱的方式，將熱電偶布置在坡口邊緣25 mm位置，并需要做好溫度記錄。

3.4 焊接中斷

由于立管平臺支撐較長，必須合理安排焊接施工人力，采用輪班制盡力當日完成焊接工作，避免焊接中斷。對于焊接中斷的返修焊縫，必須在焊接完成至少2/3厚度才可以中斷。對于中斷焊縫，應采取保溫措施，保溫溫度不低于預熱溫度。保溫加熱方式與第3.3節(jié)相同。

3.5 焊后消氫處理

焊接完成后需要對焊縫加熱至200～250 ℃、保溫1～2 h再進行消氫處理，消氫處理完成后，緩慢冷卻，注意整個后熱保溫及緩冷過程均需要使用保溫棉對返修區(qū)域進行覆蓋。保溫加熱方式與第3.3節(jié)相同。

3.6 其他質(zhì)量控制措施

為了保證返修措施的嚴格執(zhí)行，在返修過程中必須做好其他一些質(zhì)量控制措施。

(1) 嚴格進行層間清理，對收弧和起弧點進行打磨，接頭不允許存在油污、水分等影響焊接的雜質(zhì)存在。

(2) 做好焊材的防護以免受潮，合理安排工作，不允許使用隔夜焊絲。

(3) 安排檢驗人員加強對焊接、預熱、焊接中斷保溫、焊后后熱保溫的檢查，做好焊接參數(shù)、各項溫度的記錄，確保各執(zhí)行環(huán)節(jié)符合要求。

4 結(jié) 論

焊接修復后的立管平臺支撐在焊接完成48 h后進行UT，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷，成功地進行了修復。通過對焊接裂紋產(chǎn)生原因的分析，結(jié)合實際情況，建議此類船體結(jié)構(gòu)建造時嚴格控制好誤差，可以減少裝配難度和接頭應力集中，在較大程度上有效減少后期焊接裂紋問題的發(fā)生。