海洋設(shè)施棄置吊點(diǎn)焊接工藝淺析

劉 帥* 劉雪宜 王 儒 王宏波 田永花

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

新建海洋平臺(tái)設(shè)施在海上安裝完成后，為了避免對(duì)后續(xù)生產(chǎn)流程產(chǎn)生干涉和影響，通常會(huì)將安裝時(shí)吊裝用的吊點(diǎn)切除。平臺(tái)設(shè)施服役完成后進(jìn)入棄置流程，在拆除平臺(tái)設(shè)施時(shí)，吊點(diǎn)需要恢復(fù)安裝。平臺(tái)建造選用的鋼材類型需要綜合考慮生產(chǎn)工藝要求、結(jié)構(gòu)形式等因素，棄置時(shí)也應(yīng)根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼材的材質(zhì)，結(jié)合焊接工藝評(píng)定來(lái)確定棄置吊點(diǎn)所用的鋼材和焊材。

1 吊點(diǎn)焊接工藝分析

平臺(tái)結(jié)構(gòu)棄置吊點(diǎn)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，即trunnion 形式和pad-eye 形式，應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的受力情況和鋼材用量來(lái)確定吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式。

選擇焊接方法時(shí)應(yīng)遵循以下原則：首先需要保證焊接質(zhì)量，獲得內(nèi)在質(zhì)量和外觀均合格的焊接接頭，焊接變形小；其次，需具有較高的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化或自動(dòng)化焊接，便于施焊，經(jīng)濟(jì)效益較好。選擇焊接方法時(shí)應(yīng)根據(jù)母材的性能、結(jié)構(gòu)受力情況、焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素進(jìn)行綜合考慮。海洋工程常用的焊接方法包括以下幾種。

埋弧焊采用顆粒狀焊劑進(jìn)行保護(hù)，但只適用于平焊和角焊位置，焊接時(shí)使用的電流較大，電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，電弧穩(wěn)定性較差，因此不適合焊接較薄工件。該方法具有生產(chǎn)效率高、焊縫成形好、成分穩(wěn)定、力學(xué)性能好、焊縫質(zhì)量高、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)。

手工焊條電弧焊操作和維修方便，生產(chǎn)成本較低，但生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量受焊工技術(shù)水平影響較大。手工鎢極氬氣保護(hù)電弧焊以氬氣為保護(hù)氣體進(jìn)行焊接，焊縫質(zhì)量容易控制，在很小的電流區(qū)域內(nèi)電弧穩(wěn)定性好，適用于焊接薄板，也可進(jìn)行多方位焊接。使用交流電源時(shí)，該方法具有自動(dòng)清除熔池表面氧化膜的功能，因此，可用于焊接化學(xué)性能活潑、易氧化的有色金屬、不銹鋼，但工件坡口加工的工作量較大、生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，鎢極承載電流的能力較差，當(dāng)焊接電流過(guò)大時(shí)，易引起鎢極熔化或破碎，造成焊縫夾鎢。

藥芯焊絲電弧焊依靠藥芯熔化時(shí)產(chǎn)生的氣體及熔渣來(lái)聯(lián)合保護(hù)熔化金屬，生產(chǎn)效率較高，但焊縫的塑性和韌性稍差，焊接時(shí)煙塵較多，進(jìn)行長(zhǎng)弧焊時(shí)容易出現(xiàn)氣孔。熔化極氣體保護(hù)電弧焊的生產(chǎn)效率較高，可進(jìn)行多個(gè)方向的焊接，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。該方法既可焊接普通碳鋼，又可焊接不銹鋼、鑄鐵和有色金屬。

本文以CO2氣體保護(hù)焊為例，對(duì)棄置吊點(diǎn)焊接工藝進(jìn)行介紹和分析。

1.1 焊接準(zhǔn)備

（1）焊接前，應(yīng)將在坡口兩側(cè)30 mm 范圍內(nèi)影響焊接質(zhì)量的毛刺、油污、水銹及氧化物清理干凈。

（2）當(dāng)施工環(huán)境溫度低于0 ℃，鋼材碳當(dāng)量大于0.41%，結(jié)構(gòu)鋼性過(guò)大和工件較厚時(shí)，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80～100 ℃，預(yù)熱范圍為板厚的5 倍，且不應(yīng)小于100 mm。

（3）工件厚度大于6 mm 時(shí)，為了確保焊接強(qiáng)度，應(yīng)在板材的對(duì)接邊緣開V 形或X 形坡口，坡口角度為60°，鈍邊厚度為0～1 mm，裝配間隙為0～1 mm；當(dāng)板厚差不小于4 mm 時(shí)，應(yīng)對(duì)較厚板材的對(duì)接邊緣進(jìn)行削斜處理。

（4）若使用瓶裝氣體，則應(yīng)進(jìn)行排水提純處理，且應(yīng)檢查氣體壓力。

（5）對(duì)CO2焊機(jī)的焊機(jī)送絲情況和氣體流量進(jìn)行檢查。

1.2 焊接材料要求

（1）CO2氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%，含水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）不超過(guò)0.1%，含碳量不超過(guò)0.1%。

（2）應(yīng)根據(jù)焊接件的材料確定相應(yīng)的焊絲牌號(hào)。

1.3 焊接要點(diǎn)

（1）對(duì)于不開坡口的薄板，對(duì)接和立角焊可采用向下的焊接順序。

（2）室外作業(yè)風(fēng)速大于1 m/s 時(shí)，應(yīng)采取防風(fēng)措施，在吊耳四周加圍板擋風(fēng)。

（3）根據(jù)被焊工件的結(jié)構(gòu)形式，選擇合理的焊接順序。

（4）工件對(duì)接兩端應(yīng)設(shè)置尺寸合適的引弧板。

（5）定期清理軟管內(nèi)的污物及噴嘴里的飛濺物。

（6）根據(jù)焊絲直徑正確選擇焊絲導(dǎo)電阻，伸出長(zhǎng)度一般控制在10 倍焊絲直徑范圍內(nèi)。

（7）焊絲軟管焊接時(shí)必須拉順，不能彎曲，焊絲軟管半徑不小于150 mm，施焊前應(yīng)將送氣軟管內(nèi)殘存的不純氣體排出。

（8）導(dǎo)電阻磨損后孔徑增大時(shí)，會(huì)引起焊接不穩(wěn)定，需重新更換導(dǎo)電阻。

1.4 焊接程序

（1）焊接板焊縫時(shí)，對(duì)于縱橫交叉的焊縫，應(yīng)先焊接端焊縫，然后焊接邊焊縫。

（2）接縫長(zhǎng)度超過(guò)1 m 時(shí)，應(yīng)采用對(duì)稱焊法或逐步退焊法。

（3）對(duì)稱結(jié)構(gòu)的工件應(yīng)從中央向首尾方向焊接，左、右方向?qū)ΨQ進(jìn)行焊接。

（4）當(dāng)工件焊縫質(zhì)量不合格時(shí)，應(yīng)在布置工件時(shí)進(jìn)行反復(fù)修改直至合格，不得留到整體安裝焊接時(shí)再進(jìn)行修改。

（5）如工件平、立、角焊同時(shí)存在時(shí)，應(yīng)先焊立角焊縫，后焊平角焊縫；先焊短焊縫，后焊長(zhǎng)焊縫。

1.5 焊接質(zhì)量要求

對(duì)于重要結(jié)構(gòu)的焊縫，按設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行X 光或超聲波內(nèi)部檢查，并按設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行評(píng)定。進(jìn)行外表焊縫檢查時(shí)，所有結(jié)構(gòu)焊縫都需檢查，其焊縫外表質(zhì)量要求如下：（1）焊縫直線度不大于100 mm，內(nèi)直線度不大于2 mm；（2）焊縫過(guò)渡時(shí)，不應(yīng)有突變小于90°的過(guò)渡角度；（3）角焊縫K值公差為工件板厚，工件板厚不大于4 mm 時(shí)，0.9K0≤K≤K0+1；工件板厚大于4 mm 時(shí)，0.9K0≤K≤K0+2（K0為焊腳尺寸）；（4）當(dāng)板厚不大于6 mm 時(shí)，d≤0.3 mm；當(dāng)板厚大于6 mm 時(shí)，d≤0.5 mm（d為焊接咬邊深度）。（5）焊縫不應(yīng)低于工件表面，且不應(yīng)存在尚未熔合的缺陷；（6）多道焊縫表面堆疊相交處，下凹深度應(yīng)不大于1 mm；（7）焊接缺陷可進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)后應(yīng)打磨。（8）工件為鑄鋼件時(shí)，焊后必須經(jīng)過(guò)550 ℃的退火處理，以消除應(yīng)力；（9）焊接結(jié)構(gòu)件的性能需通過(guò)第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

2 應(yīng)用案例

錦州21-1WHPA、錦州20-2SW 平臺(tái)棄置項(xiàng)目中，WHPA 平臺(tái)組塊基礎(chǔ)質(zhì)量為1 384 t，導(dǎo)管架基礎(chǔ)質(zhì)量為655 t，SW 組塊原始基礎(chǔ)質(zhì)量為832 t，導(dǎo)管架基礎(chǔ)質(zhì)量為1 070.7 t，2 座平臺(tái)組塊和導(dǎo)管架共計(jì)需焊接16 個(gè)吊點(diǎn)。組塊吊點(diǎn)焊接時(shí)，吊點(diǎn)底部圓管需與組塊主樁腿頂部圓管對(duì)接焊接，錦州21-1WHPA組塊主樁腿圓管直徑為1 016 mm，錦州20-2SW 組塊主樁腿圓管直徑為914 mm，每個(gè)吊點(diǎn)質(zhì)量為1～2 t，焊接工作量非常大。吊點(diǎn)工作包括陸地預(yù)制焊接和海上焊接兩部分，每座平臺(tái)8 個(gè)吊點(diǎn)焊接均需要22 天的工期，工期較長(zhǎng)。

組塊原始吊點(diǎn)采用trunnion 形式，雖然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但需要的鋼材量較大，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用Padeye 形式的吊點(diǎn)，節(jié)省了鋼材用量，根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告，材料選取D36 鋼。綜合考慮導(dǎo)管架樁腿的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)合結(jié)構(gòu)受力狀況和工期并行等因素，導(dǎo)管架吊點(diǎn)采用trunnion 形式，組塊和導(dǎo)管架吊點(diǎn)的焊接工藝符合CCS 海上焊接相關(guān)規(guī)范。采用焊接效率較高的CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行吊點(diǎn)焊接。

同時(shí)，針對(duì)海上不利氣象制定了應(yīng)急預(yù)案。施工方在施工時(shí)盡量選取好氣象進(jìn)行焊接作業(yè)，組塊吊點(diǎn)焊接作業(yè)需要在一個(gè)氣象周期內(nèi)完成。海上氣象存在很大的不確定性，為了應(yīng)對(duì)中途氣象變差的情況，工程船撤離現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，人員和設(shè)備需要轉(zhuǎn)移到平臺(tái)上繼續(xù)進(jìn)行焊接作業(yè)，同時(shí)對(duì)吊點(diǎn)和焊機(jī)進(jìn)行防風(fēng)、防雨處理。需要預(yù)先準(zhǔn)備的施工資源包括：移動(dòng)式發(fā)電機(jī)，生活集裝箱，燃油及焊絲、焊機(jī)配件。

在吊點(diǎn)焊接階段，應(yīng)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，設(shè)置關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵施工工序和薄弱環(huán)節(jié)的監(jiān)控，把影響質(zhì)量控制點(diǎn)的關(guān)鍵質(zhì)量特性因素降到最低，加強(qiáng)施工全過(guò)程的監(jiān)控，最終焊縫磁粉檢測(cè)一次合格率達(dá)到了99.98%，將返工作業(yè)量控制到最少，通過(guò)一系列優(yōu)化措施節(jié)省了海上施工工期12.5天，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，焊接合格率詳細(xì)情況如表1 所示。

表1 焊接合格率統(tǒng)計(jì)表（包括陸地及海上施工）

3 結(jié)論

未來(lái)油田平臺(tái)增儲(chǔ)上產(chǎn)的規(guī)模不斷提高，平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)模將愈大，選用鋼材的質(zhì)量等級(jí)將更高，對(duì)棄置吊點(diǎn)焊接工藝提出了更高的要求。提高焊接質(zhì)量、節(jié)約鋼材消耗量、縮短焊接工期將是未來(lái)的主要發(fā)展方向。