梁 創(chuàng)，周 佳，王 璞，劉華祥

（1.中國(guó)船級(jí)社湛江分社，廣東湛江 524005；2.708研究所，上海 200011；3.中國(guó)海洋石油總公司，北京 100016）

0 前 言

深海半潛式鉆井平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于水深 500m以上海域的深海油氣田開發(fā)。由于較長(zhǎng)時(shí)間在固定海域作業(yè)，且要面對(duì)極端惡劣海況下的風(fēng)、浪、流，為保障人員及設(shè)備安全，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了極高要求。同時(shí)，考慮到平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性，提供更大的可變載荷，因此對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)普遍采用 36公斤級(jí)高強(qiáng)度鋼（σ0=355MPa ）。

由于半潛式鉆井平臺(tái)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，在整體強(qiáng)度載荷傳遞路徑的關(guān)鍵部位應(yīng)力，往往大大地超過普通高強(qiáng)度鋼的許用值。因此，在此類平臺(tái)上較多應(yīng)用具有更高強(qiáng)度的超高強(qiáng)度淬火回火鋼（以下簡(jiǎn)稱“超高強(qiáng)度鋼”）。表1是ABS船級(jí)社超高強(qiáng)度鋼機(jī)械性能，按照屈服限從Q43～Q70進(jìn)行分級(jí)。

世界上主要船級(jí)社的規(guī)范將平臺(tái)結(jié)構(gòu)劃分為次要構(gòu)件、主要構(gòu)件和特殊構(gòu)件。作為關(guān)鍵部位載荷傳遞區(qū)域和應(yīng)力集中處的結(jié)構(gòu)，都被定為特殊構(gòu)件。ABS船級(jí)社 MODU規(guī)范[1]對(duì)不同設(shè)計(jì)溫度條件下，按結(jié)構(gòu)分類對(duì)鋼材級(jí)別的選用給出了明確的要求，如表2所示。

本文介紹的深海半潛式鉆井平臺(tái)工作水深3000m，為當(dāng)前世界上最新型的第六代平臺(tái)。它是由雙下浮體、4立柱支撐箱形上船體，左右立柱之間由2根橫向撐桿連接所構(gòu)成。上船體設(shè)雙層底、中間甲板、主甲板共分為4層；上船體中部設(shè)有月池開口并布置井架。

1 超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用

半潛式鉆井平臺(tái)在海浪中的載荷與平臺(tái)的裝載、海浪的波高、周期、相位以及浪向角都有著密切的關(guān)系。而且，平臺(tái)在全壽命使用過程中，這些因素有多種不同的組合狀態(tài)。進(jìn)行平臺(tái)強(qiáng)度校核時(shí)，需要對(duì)平臺(tái)的多個(gè)裝載工況進(jìn)行分析。其中波浪載荷，也由一系列波浪周期和不同入射波相位的組合，從中選取最危險(xiǎn)的情況進(jìn)行分析。

半潛式鉆井平臺(tái)典型的裝載工況有作業(yè)工況、生存工況和拖航工況。分別進(jìn)行在靜水載荷和最大環(huán)境載荷條件下的總強(qiáng)度分析。根據(jù)規(guī)范要求，平臺(tái)呈現(xiàn)最大橫向受力狀態(tài)、最大扭轉(zhuǎn)狀態(tài)、最大縱向剪切狀態(tài)、甲板處縱向和橫向加速度最大狀態(tài)、最大垂向彎曲狀態(tài)。從中可獲得控制結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的橫向分離力、扭矩、縱向剪切力和垂向彎矩的極值。表3列出了由水動(dòng)力分析，預(yù)報(bào)得到生存工況下設(shè)計(jì)波參數(shù)所對(duì)應(yīng)的載荷極值。由表中數(shù)據(jù)可見，平臺(tái)所承受的總強(qiáng)度載荷是相當(dāng)大的。

表1 ABS超高強(qiáng)度鋼機(jī)械性能

表2 ABS鋼級(jí)選用表

表3 生存工況設(shè)計(jì)波參數(shù)所對(duì)應(yīng)的載荷極值

平臺(tái)下浮體、立柱、橫撐和上船體各自相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)相互連接傳遞并承受環(huán)境及工作載荷。其中下浮體提供浮力和穩(wěn)性，主要承載構(gòu)件為外板、中縱艙壁及與立柱外板相連的橫艙壁。立柱在平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)中主要提供浮力和穩(wěn)性，主要承載構(gòu)件為立柱外板和中縱、中橫艙壁。橫撐主要承受橫向分離力及扭矩載荷。箱形上船體主要承載構(gòu)件為井字形艙壁及雙層底和上甲板。其中主要承載艙壁如圖1所示。上船體艙壁上主要承擔(dān)縱向剪切力及扭矩。

圖1 上船體主要承載艙壁

對(duì)于柱穩(wěn)式平臺(tái)，主要構(gòu)件有立柱與上船體和下浮體交接部分的外殼板；組成箱形或者工字型支撐結(jié)構(gòu)且承受主要集中載荷的上殼體或平臺(tái)的甲板板、艙壁、撐桿、立柱、上船體甲板、及上船體或下浮體連接處提供適當(dāng)對(duì)齊和足夠載荷傳遞的“貫穿”構(gòu)件。以上主要構(gòu)件互相連接處等均被定義為特殊構(gòu)件。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)往往出現(xiàn)在上述主要承載特殊構(gòu)件的連接區(qū)域。根據(jù)生存工況下，平臺(tái)立柱與上船體連接處有限元計(jì)算，板格最大應(yīng)力可達(dá)到460MPa。為滿足要求，在該處選用了56公斤級(jí)和70公斤級(jí)的超高強(qiáng)度鋼。

此外，由于平臺(tái)艙室設(shè)備及通道布置要求，不可避免地在載荷傳遞路徑的艙壁上開孔。例如：在上船體雙層底近立柱區(qū)域，有電纜和管系開孔。另外，主要艙壁上由于走道布置、電纜、管系或風(fēng)道開孔。以上這些情況都會(huì)導(dǎo)致艙壁有效剪切面積的損失。為滿足強(qiáng)度要求，也局部地采用超高強(qiáng)度鋼。

上述高應(yīng)力區(qū)域及超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用區(qū)域如圖2、3所示。

圖2 高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力分布

2 超高強(qiáng)度鋼焊接工藝

2.1 母材性能

平臺(tái)中所用超高強(qiáng)度鋼是從日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社進(jìn)口。級(jí)別為ABS EQ56、EQ56 Z35、EQ70和EQ70 Z35，厚度從25.5mm至60mm不等，供貨狀態(tài)為淬火回火鋼（調(diào)質(zhì)鋼），其化學(xué)成分見表4。主要力學(xué)性能：σs=671～732MPa，σb=728～767MPa（EQ56）；σs=765～798MPa，σb=795～829MPa（EQ70）。

圖3 超高強(qiáng)度鋼選用區(qū)域

表4 超高強(qiáng)度鋼（EQ56、EQ70）化學(xué)成分 %

根據(jù)表 4可知，母材的含碳量 C相對(duì)較低（0.12%～0.14%），但碳當(dāng)量 Ceq比較高（0.55%～0.56%）。因此，可焊性相對(duì)于普通高強(qiáng)度鋼要差。研究表明，此類鋼的主要焊接特點(diǎn)是，在焊接熱影響區(qū)，特別是在焊接熱影響區(qū)的粗晶粒區(qū)常常會(huì)產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的趨勢(shì)[2]。因此，必須制定正確的焊接工藝，嚴(yán)格實(shí)施。

2．入庫(kù)文獻(xiàn)的選擇必須遵循完整性原則。不采用傳統(tǒng)語(yǔ)料庫(kù)建設(shè)中隨機(jī)擇句或擇段的方式選擇語(yǔ)料，不論文獻(xiàn)長(zhǎng)短都進(jìn)行全文收錄，確保古籍文獻(xiàn)的全貌；不要求語(yǔ)料庫(kù)規(guī)模和入庫(kù)語(yǔ)料追求“大而全”，反對(duì)不加選擇地簡(jiǎn)單堆砌羅列所有文獻(xiàn)。

2.2 焊接工藝

根據(jù)超高強(qiáng)度鋼上述特性及焊接特點(diǎn)，采用了比較成熟、穩(wěn)定的手工電弧焊（SMAW）焊接方法。并根據(jù)CCS《材料與焊接規(guī)范（2006）》[3]與AWS D1.1[4]的有關(guān)要求分別對(duì)不同母材、不同坡口型式、不同焊接位置等進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，所有評(píng)定的焊接接頭的性能均滿足船級(jí)社規(guī)范[2]與AWS D1.1[4]的要求。以下就板厚為38mm，采用45°K型坡口，對(duì)接或T型接頭，橫焊或平焊，母材為EQ70超高強(qiáng)度鋼的焊接工藝作一介紹。

焊接材料：焊材是由美國(guó)Lincoln Smitweld B.V公司提供的CONARC 80，級(jí)別相當(dāng)于AWS D1.1[4]A5.5 E11018M-H4。其化學(xué)成分見表 5。主要力學(xué)性能（常溫）：σs=764MPa，σb=820MPa。

預(yù)熱及層間溫度：最小預(yù)熱溫度：75℃，層間溫度 75～175℃；

緩冷措施：焊接結(jié)束后立刻進(jìn)行 210～230℃保溫1h，然后進(jìn)行空冷；

焊接參數(shù)：采用多層多道焊，具體參數(shù)見表6。

表5 焊材化學(xué)成分 %

表6 超高強(qiáng)度鋼（EQ70）焊接工藝參數(shù)

2.3 焊接現(xiàn)場(chǎng)

平臺(tái)所選用的超高強(qiáng)度鋼（EQ56、EQ70）板厚較大（28.5mm以上），且均位于平臺(tái)主要區(qū)域和特殊區(qū)域，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接要求高、難度大。因此，為保證焊接質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該類鋼的焊接做如下特殊要求：

1)挑選焊接經(jīng)驗(yàn)比較豐富的焊工專門負(fù)責(zé)EQ56、EQ70鋼的焊接。焊工必須嚴(yán)格按照 AWS D1.1[4]第4章的要求進(jìn)行考試，取得資質(zhì)后方可進(jìn)行焊接工作。

2)焊接場(chǎng)所附近張貼相應(yīng)的焊接工藝，并由專門質(zhì)檢員在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督施工，以防焊工違規(guī)操作。

3)所有 EQ56、EQ70鋼用色標(biāo)標(biāo)識(shí)，以防與其它材料相混誤用焊接工藝。

4)焊接現(xiàn)場(chǎng)搭建臨時(shí)擋雨棚，確保焊接工作連續(xù)完成，免受天氣影響。

3 超高強(qiáng)度鋼焊接裂紋控制及探傷

由于超高強(qiáng)度鋼可焊性較差，且焊后在熱影響區(qū)容易產(chǎn)生裂紋。因此，能否成功焊接這類鋼，焊接裂紋控制尤為關(guān)鍵。在焊接EQ56、EQ70鋼的實(shí)際操作中，除了嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的焊接工藝進(jìn)行焊接外，采取一些必要的措施對(duì)控制裂紋的產(chǎn)生，能起到很好的效果。

3.1 焊接材料控制

焊接材料中的氫對(duì)產(chǎn)生冷裂紋的影響很大。含氫量越大，越容易產(chǎn)生裂紋。因此，在焊材使用上應(yīng)選用低氫型或超低氫型焊條。CONARC 80屬于超低氫型焊條。該焊條采用真空包裝，使用前不需烘焙處理。焊條在使用前應(yīng)做好記錄，當(dāng)真空包裝打開后 4h焊條沒有用完，應(yīng)放回烘焙箱，在370～430℃溫度下烘焙2h后方可使用。在使用中焊條應(yīng)存放在低溫干燥的焊條保溫筒內(nèi)，隨用隨取。再烘干的焊條在保溫筒內(nèi)的時(shí)間不得超過4h。

3.2 焊接熱輸入控制

超高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)，線能量應(yīng)結(jié)合所要求的最高預(yù)熱溫度和層間溫度給予限制[3]。焊接熱輸入不僅影響焊接熱影響區(qū)的性能，也影響焊縫金屬的性能[2]。為控制好焊接線能量輸入不超過工藝要求的最大熱輸入量（見表6），在實(shí)際焊接中做了一些規(guī)定：不得采用大直徑焊條進(jìn)行焊接（如禁止使用直徑5mm及以上的焊條）；焊接中采用多層小道焊接，不能采用橫向擺動(dòng)的運(yùn)條技術(shù)；采用小焊接電流并在焊接工藝范圍內(nèi)適當(dāng)提高焊接速度；在碳弧氣刨清根時(shí)嚴(yán)格控制熱輸入，清根后打磨清理氣刨表面后再施焊等等。

對(duì)比本例中，高強(qiáng)度鋼EH36相同焊接位置和采用相同焊接方法的焊接工藝，其焊接參數(shù)的焊接電流、電壓、線能量等（見表7），均大于焊接EQ56、EQ70時(shí)所用的焊接參數(shù)（見表6）。這也是為了控制焊接熱輸入而做了適當(dāng)調(diào)整。

3.3 預(yù)熱及層間溫度控制

為防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊前應(yīng)對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)也應(yīng)防止過高的預(yù)熱溫度或?qū)娱g溫度使焊接熱影響區(qū)的冷卻速度過于緩慢。為便于預(yù)熱溫度和層間溫度的控制在焊接工藝范圍內(nèi)（見表6），保持預(yù)熱和焊道間溫度的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)焊接中采用了電熱偶片進(jìn)行加熱，（見圖 4）。由專人控制，并在其監(jiān)督指揮下施焊，取得了很好的效果。

表7 高強(qiáng)度鋼（EH36）焊接工藝參數(shù)

圖4 電熱偶片預(yù)熱和層間溫度控制

3.4 緩冷措施

焊接結(jié)束后，立刻用電熱偶片對(duì)焊接接頭加熱至210～230℃，并保溫1h，然后用絕緣毯裹住緩慢冷卻至常溫。焊后采用緩冷措施主要是為了焊接接頭氫的充分?jǐn)U散，對(duì)防止氫裂紋起了很大的作用。

3.5 焊縫外觀檢驗(yàn)與探傷

焊縫外觀檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照AWS D1.1[4]和DNV移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范[6]要求。對(duì)于探傷要求及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，按照AWS D1.1[4]和美國(guó)船級(jí)社規(guī)范[5]的要求進(jìn)行。值得指出的是根據(jù) AWS D1.1[4]要求，對(duì)調(diào)質(zhì)鋼的焊接，要求焊接接頭冷卻至常溫后48h才能進(jìn)行探傷。但根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，有些調(diào)質(zhì)鋼焊接接頭延遲裂紋出現(xiàn)得更晚，為了避免漏檢，對(duì)所有超高強(qiáng)度鋼EQ56、EQ70的焊縫均在冷卻后72h方可進(jìn)行探傷。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，深海半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，為抵抗惡劣的環(huán)境載荷，確保平臺(tái)安全，在其主要承載構(gòu)件上選用了超高強(qiáng)度鋼。

盡管超高強(qiáng)度鋼可焊性差，極易出現(xiàn)焊接裂紋，但只要有嚴(yán)格的焊接要求，采取一定的焊接裂紋控制措施，就能成功地焊接EQ56、EQ70鋼。對(duì)今后此類鋼材的焊接有一定借鑒意義。

此外，因平臺(tái)布置和功能要求，平臺(tái)主要艙壁關(guān)鍵區(qū)域布置有大量管線，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)集中開孔令結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失較大。若能在設(shè)計(jì)早期階段將開孔區(qū)域進(jìn)行合理的規(guī)劃與布局，也可有效控制超高強(qiáng)度鋼在平臺(tái)中的應(yīng)用，從而降低生產(chǎn)成本，提高焊接質(zhì)量。

[1] American Bureau of Shipping (ABS), Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units 2006, Part 3,Hull Construction and Equipment[S].

[2] 陳劍虹.焊接手冊(cè)第2版第2卷[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[3] 中國(guó)船級(jí)社焊接與材料規(guī)范(2006)[S].

[4] 美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范 AWS D1.1(2006)[S].

[5] ABS Guide for Nondestructive Inspection of Hull Welds(2002)[S].

[6] Offshore Standard DNV-OS-C401 (2004), Ch.2 Sec.3.[S].