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(jì)是海洋資源開(kāi)發(fā)的新世紀(jì)，世界各國(guó)把開(kāi)發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)作為當(dāng)今海洋油氣開(kāi)發(fā)的主流裝置，已經(jīng)被越來(lái)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(tái)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(diǎn)和重點(diǎn)。

1 工程實(shí)例

某300 000噸級(jí)FPSO項(xiàng)目立管平臺(tái)支撐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 立管平臺(tái)支撐

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

表1 DH36母材化學(xué)成分 %

焊接方法采用氣體保護(hù)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(yù)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(jìn)行超聲探傷(Ultrasonic Testing,UT)時(shí)，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(kuò)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(yán)重影響了項(xiàng)目進(jìn)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(diǎn)，可以判定立管平臺(tái)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(yù)熱溫度不足的情況下，起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位[4]。冷裂紋的形成主要有3個(gè)因素：鋼的脆硬性、擴(kuò)散氫和拘束應(yīng)力，3個(gè)因素的綜合作用導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。不同的鋼種，這3個(gè)因素的作用程度是不同的[5]。

對(duì)于立管平臺(tái)支撐，其母材為DH36，屬于常用的船用高強(qiáng)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(yù)熱方式的不足加劇接頭的脆硬傾向，焊接時(shí)采用氧乙炔火焰方式進(jìn)行預(yù)熱，火焰預(yù)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(dá)到要求，但內(nèi)部溫度仍有可能低于預(yù)熱溫度，況且由于是冬季施工，加之立管平臺(tái)較長(zhǎng)，預(yù)熱之后還沒(méi)有來(lái)得及焊接就容易冷卻，導(dǎo)致實(shí)際焊接時(shí)接頭溫度較低。

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

施工時(shí)正值冬季，施工地點(diǎn)潮氣較大，預(yù)熱不到位，加上焊后沒(méi)有消氫處理，導(dǎo)致擴(kuò)散氫不能夠充分溢出，加劇裂紋的產(chǎn)生。

3 修復(fù)方案確定

基于上述裂紋產(chǎn)生原因的分析，從改善接頭應(yīng)力、焊材選擇、焊后消氫處理等方面制訂下列裂紋修復(fù)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(yīng)對(duì)氣刨區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度同焊接預(yù)熱溫度相同。裂紋清除應(yīng)由距裂紋末端最少50 mm處開(kāi)始，如圖3所示。氣刨過(guò)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(duì)氣刨、打磨后的坡口進(jìn)行檢驗(yàn)，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(xué)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(shí)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(yù) 熱

為了有效地改善焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，降低脆硬傾向，確保擴(kuò)散氫的溢出，將預(yù)熱溫度從65 ℃提高至110 ℃，整個(gè)焊接過(guò)程需要保持接頭溫度不低于預(yù)熱溫度。為了取得較好的效果，整個(gè)過(guò)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(tái)支撐較長(zhǎng)，必須合理安排焊接施工人力，采用輪班制盡力當(dāng)日完成焊接工作，避免焊接中斷。對(duì)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(duì)于中斷焊縫，應(yīng)采取保溫措施，保溫溫度不低于預(yù)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(duì)焊縫加熱至200～250 ℃、保溫1～2 h再進(jìn)行消氫處理，消氫處理完成后，緩慢冷卻，注意整個(gè)后熱保溫及緩冷過(guò)程均需要使用保溫棉對(duì)返修區(qū)域進(jìn)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(yán)格執(zhí)行，在返修過(guò)程中必須做好其他一些質(zhì)量控制措施。

(1) 嚴(yán)格進(jìn)行層間清理，對(duì)收弧和起弧點(diǎn)進(jìn)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(hù)以免受潮，合理安排工作，不允許使用隔夜焊絲。

(3) 安排檢驗(yàn)人員加強(qiáng)對(duì)焊接、預(yù)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(xiàng)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(fù)后的立管平臺(tái)支撐在焊接完成48 h后進(jìn)行UT，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷，成功地進(jìn)行了修復(fù)。通過(guò)對(duì)焊接裂紋產(chǎn)生原因的分析，結(jié)合實(shí)際情況，建議此類船體結(jié)構(gòu)建造時(shí)嚴(yán)格控制好誤差，可以減少裝配難度和接頭應(yīng)力集中，在較大程度上有效減少后期焊接裂紋問(wèn)題的發(fā)生。