秦洪德, 朱亞洲, 胡博生

(1.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001;2.海洋石油工程(青島)有限公司設(shè)計部,青島 266520)

自升式鉆井平臺主弦管對接工藝研究

秦洪德1, 朱亞洲1, 胡博生2

(1.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001;2.海洋石油工程(青島)有限公司設(shè)計部,青島 266520)

對自升式鉆井平臺主弦管對接工藝及其齒條板接長工藝進行了研究,并結(jié)合齒條板材料特性提出了齒條板焊接技術(shù)及焊接施工要求,進而制定了主弦管對接工藝順序及相關(guān)工藝技術(shù)要求。

自升式鉆井平臺;主弦管;材料特性;焊接工藝

Abstract:The paper makes study on chord’s butt joint technology and rack’s lengthening technique of jack-up drilling unit.Combining with rack’s material characteristics,rack’s welding technique and welding procedure are proposed.And further,some rules of chord’s butt joint sequence and relatively technologies are made.

Key words:jack-up drilling unit;chord;material characteristics;welding technique

自升式鉆井平臺是目前世界上油氣資源開采應(yīng)用最為廣泛的裝備之一,具有用材節(jié)約、材料可重復(fù)使用、造價較低、并可適應(yīng)多種海況下的全天候鉆井作業(yè)等特點。自升式鉆井平臺設(shè)計制造技術(shù)水平直接決定著海洋油氣資源開采能力。

據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2009年10月,全世界在役海上移動式鉆井裝置已超過600座,其中自升式鉆井平臺近400座,占主流鉆井裝備近70%。目前在役的自升式鉆井平臺基本在二十世紀(jì)七、八十年代設(shè)計建造。為更新?lián)Q代,2003年以來自升式鉆井平臺進入了一個新的設(shè)計建造高峰期。

自升式鉆井平臺主要通過樁腿與升降機構(gòu)的有效配合實現(xiàn)主船體的上下移動,從而達到自由鉆井的目的。近年來,國內(nèi)海工公司承接的自升式鉆井平臺基本為三樁腿桁架式結(jié)構(gòu)。桁架式樁腿為自升式鉆井平臺主要的承載結(jié)構(gòu)單元,為保證樁腿結(jié)構(gòu)強度要求,在自升式鉆井平臺設(shè)計制造過程中,對樁腿結(jié)構(gòu)建造精度及焊接技術(shù)提出了非常高的要求。本研究結(jié)合海洋石油工程(青島)有限公司60.96 m自升式鉆井船制造工藝及關(guān)鍵建造技術(shù)研究成果,對樁腿建造過程中的齒條板接長及主弦管對接工藝進行了深入研究。

1 齒條板接長工藝

1.1 齒條板材料特性分析

自升式鉆井平臺工作環(huán)境惡劣,樁腿結(jié)構(gòu)承受風(fēng)浪流等的作用,對樁腿結(jié)構(gòu)強度要求極高。結(jié)合國內(nèi)外自升式鉆井平臺樁腿建造現(xiàn)狀,樁腿齒條板一般為127 mm～150 mm的特厚高強度鋼。所用鋼需進行A級超聲波探傷檢查,屈服極限為690 MPa,抗拉強度為770 MPa/930 MPa,夏比V型缺口沖擊最小平均值,縱向在-40℃、T/4厚時至少為69 J,層向拉伸斷面收縮率為20%,無裂紋和疊層的氣切割齒。

平臺結(jié)構(gòu)、工作載荷、工作海況、焊接工藝等因素直接影響這種特厚高強度鋼齒條板的性能,因此對樁腿齒條板提出了特別高的要求。①高強度:為了減輕樁腿重量,增加拖航穩(wěn)性,增強齒面承載應(yīng)力,樁腿建造過程中一般采用784 N/mm2的高強度鋼。②高韌性:為避免脆性斷裂并保證安全,設(shè)計基準(zhǔn)溫度在溫暖海區(qū)取-30℃,極寒冷海區(qū)取-50℃,確保夏比沖擊值達到高韌性要求。③可焊性好:為避免室外作業(yè)焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生低溫裂紋和層狀裂紋,要求鋼材具有較小的裂紋敏感性,當(dāng)焊接線能量較高時,要求焊接接頭韌性值與母體金屬韌性值大致相當(dāng)。④組織均勻致密:由于齒條齒面氣割后不再進行加工,故要求鋼板氣割性能良好,氣割面不出現(xiàn)氫致缺陷和夾渣物缺陷,氣割面之下要求具有足夠的硬度,且在各方向硬度分布均勻。

1.2 齒條板焊接技術(shù)要點

自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,投資巨大,樁腿作為平臺結(jié)構(gòu)的主要承載單元,對其力學(xué)性能提出了很高的要求。齒條板作為樁腿的分段模塊,對其焊接工藝要求相當(dāng)苛刻。為了保證平臺結(jié)構(gòu)使用的整體安全,焊縫金屬和焊接接頭的性能要求與母材完全一樣。采用低氫型或超低氫型堿性焊條可以防止冷裂縫和提高熱影響區(qū)韌性。為確保焊接接頭的韌性和抗脆斷性能,焊接熱輸入量通常限制在40～50 kJ/cm范圍內(nèi)。熱輸入量對冷卻速度和冶金因素的影響決定著焊接金屬的性能,當(dāng)焊接熱輸入量大時,焊后從800℃～500℃的冷卻時間Δt8-5較長,則奧氏體晶粒粗化,冷卻后即得到較粗大鐵素體,焊縫金屬的硬度和韌性都會降低。但熱輸入量較小時,冷卻時間Δt8-5時間較短,冷卻后焊縫可能會出現(xiàn)馬氏體,或者其含量增加,此時焊縫金屬硬度增加,韌性大為降低。

在焊接過程中通過控制層間溫度,以防止產(chǎn)生不均勻組織,降低焊縫硬度。為保證齒條焊接質(zhì)量和齒間距公差,避免裂紋,應(yīng)進行:

(1)焊接性試驗 根據(jù)齒條化學(xué)成分進行碳當(dāng)量計算后,進行齒條坡口焊接裂紋試驗。(2)焊接工藝試驗 ①確定齒條對接焊縫坡口型式,測量焊接后齒條收縮余量,作為制定焊接工藝時的依據(jù)。通過分析對接焊縫變形數(shù)據(jù),確定齒條焊接順序。②齒條板的焊接方法是手工電弧焊立焊,需采用專門的焊條,焊前應(yīng)先把引弧板點好。焊接時應(yīng)采用兩個焊工對稱施焊,先由一個焊工對一側(cè)焊縫進行施焊2～3道,在對背面進行打磨處理之后,由兩個焊工同時對稱施焊(立焊)。③齒條板焊接過程中,應(yīng)隨時進行尺寸檢驗,主要是直線度、水平度(即齒條板的平面度和拱高)及齒距。平面度和拱高檢驗方法可以用激光經(jīng)緯儀和現(xiàn)場拉鋼絲結(jié)合進行。齒距需要用樣板檢測。④齒條板焊完后,應(yīng)拿掉引弧板,兩端焊點打磨平整后作MT,然后進行交驗,包括焊接檢驗和尺寸檢驗。⑤焊接完后進行焊縫探傷。

1.3 齒條板焊接施工

本文結(jié)合海洋石油工程(青島)有限公司60.96 m自升式鉆井船制造工藝及關(guān)鍵建造技術(shù)研究成果,對齒條材料機械性能、坡口形式以及焊前、焊后處理等方面進行確定。

(1)齒條材料機械性能

圖1 厚度127 mm齒條坡口形式

鋼號 屈服強度/MPa 抗拉強度/MPa沖擊溫度/℃ 沖擊功/J ASTM A514 GR.Q 690 770～930 -40 69

(2) 坡口形式 如圖1所示。

(3)焊前準(zhǔn)備 為防止產(chǎn)生裂紋和減少殘余應(yīng)力,在焊前需進行預(yù)熱,預(yù)熱溫度為150℃,預(yù)熱范圍為焊縫周圍76 mm,預(yù)熱采用電加熱器進行,焊接過程中應(yīng)控制層間溫度,層間溫度控制在160℃～190℃,使層間溫度不低于預(yù)熱溫度且不超過250℃。

清除坡口內(nèi)及坡口邊緣兩側(cè)各20 mm范圍的氧化物、水、油、銹等對焊接質(zhì)量有影響的雜質(zhì)。

(4)后熱處理 焊后立即將焊縫及其附近區(qū)域加熱至200℃～210℃,保溫2小時,然后用石棉布包好緩冷,控制冷卻速度,每小時不超過50℃。

(5)無損探傷 所有焊縫經(jīng)超聲波檢驗后,無內(nèi)部焊接缺陷;正反面焊縫經(jīng)磁粉探傷檢驗后,無表面焊接裂紋。

2 主弦管對接工藝

主弦管對接也稱主弦管接長,一般在建造單位專用場地進行,為了保證主弦管對接精度,需要制作專門胎架。胎架的位置要滿足定位、焊接、劃線等要求,胎架如圖2所示。

圖2 主弦管對接專用胎架示意圖

主弦管對接前,應(yīng)仔細查看每根弦管的來料尺寸檢測結(jié)果(主要有端部齒距、長度、平面度、拱高等),便于對一些不合理的尺寸進行適當(dāng)修正。

結(jié)合國內(nèi)外自升式鉆井平臺樁腿建造研究成果,本文制定出樁腿主弦管的對接工藝順序及焊接要求。①支胎,并交驗。支胎應(yīng)當(dāng)注意胎架和對接縫的距離應(yīng)為1 m。②胎上定位時,應(yīng)以齒條板的板厚中心線和縱向中心線進行左右和水平定位(齒條板應(yīng)垂直于胎面)。左右及水平定位完成后,需要現(xiàn)場用加強材把主弦管緊緊固定到胎架上。③齒條板定位好后,進行齒條板的焊接,焊接方法是手工電弧焊立焊。④齒條板焊完后,進行交驗,包括焊接檢驗和尺寸檢驗。⑤利用胎架,轉(zhuǎn)動主弦管,使其翻轉(zhuǎn)一定角度。⑥進行半圓板和窗戶板的焊接,焊接方法是手工電弧焊,需采用專門的焊條,焊接時采用兩個焊工對兩個對接縫進行對稱施焊。⑦翻轉(zhuǎn)主弦管180°,進行另一面半圓板和窗戶板的焊接。⑧焊接完后進行焊縫探傷。⑨為防止產(chǎn)生裂紋和減少殘余應(yīng)力,齒條板和窗戶板在焊前都需進行預(yù)熱,預(yù)熱溫度為150℃,預(yù)熱范圍為焊縫周圍約76 mm,預(yù)熱可以采用電加熱器進行,焊接過程中應(yīng)控制層間溫度,使層間溫度不低于預(yù)熱溫度且不超過250℃,焊后應(yīng)控制冷卻速度,每小時不超過50℃。

本文以中海油承建的60.96 m自升式鉆井船建造為例,采用齒條厚度為127 mm的主弦管。其詳圖、剖面圖、焊接詳圖如圖3所示。

對接后的主弦管,運輸?shù)椒侄窝b配場地,與支撐管進行樁腿單片的預(yù)制,然后進行分段組裝。

3 結(jié)論

本文以中海油自升式鉆井船制造工藝及關(guān)鍵建造技術(shù)研究為例,通過對樁腿齒條板材料特性分析,研究了滿足樁腿精度要求的齒條板接長和主弦管對接工藝技術(shù),并制定了相關(guān)要求,可供國內(nèi)自升式鉆井平臺樁腿建造參考使用。

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Study on Chord’s Butt Joint Technology of Jack-up Drilling Unit

QIN Hong-de1, ZHU Ya-zhou1, HU Bo-sheng2
(1.Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Design Dept of CNOOC Engineering(Qingdao)Co.,Ltd,Qingdao 266520,China)

U674.38+1

B

1001-4500(2010)04-0042-04

2010-02-06

秦洪德(1976-),男,副教授,主要研究環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。