張建護(hù)，唐德渝，馮 標(biāo)，李春潤，?；⒗?，龍 斌

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451）

海洋平臺(tái)導(dǎo)管架樁管自動(dòng)焊工藝及應(yīng)用

張建護(hù)，唐德渝，馮 標(biāo)，李春潤，牛虎理，龍 斌

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451）

為改變海洋平臺(tái)導(dǎo)管架海上安裝樁管焊接工作量大、效率低的現(xiàn)狀，開展了自動(dòng)焊工藝技術(shù)的試驗(yàn)研究。文章從焊接方法的選擇、焊接工藝試驗(yàn)、工程應(yīng)用等方面論述了針對(duì)樁管常用的D32和E36高強(qiáng)船用鋼，采用自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行自動(dòng)焊的研究內(nèi)容。試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場應(yīng)用表明：該方法效率高，抗風(fēng)能力強(qiáng)，接頭性能完全滿足工藝規(guī)范的要求。

海洋平臺(tái)；導(dǎo)管架；樁管焊接；自動(dòng)焊；自保護(hù)藥芯焊絲

1 工藝方法及試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 焊接方法的選擇

熔化極藥芯焊絲焊接方法是目前廣泛采用的高效率方法，其焊接效率比埋弧焊稍低，但大大高于手工焊。采用自動(dòng)焊，焊縫的一次合格率也高于手工焊。藥芯焊絲分自保護(hù)和氣保護(hù)兩種（見圖1），從圖1可以看出，采用自保護(hù)焊，其熔敷速度高，能明顯提高樁管自動(dòng)焊的效率。并且優(yōu)質(zhì)的自保護(hù)藥芯焊具有良好的焊接工藝性能：電弧穩(wěn)定、飛濺小、脫渣容易、焊縫成型美觀，防風(fēng)能力強(qiáng)，能較好地適應(yīng)導(dǎo)管架海上安裝的施工作業(yè)環(huán)境。

1.2 制訂方案

根據(jù)上述分析，確定研究目標(biāo)為：采取以自保護(hù)藥芯焊絲為核心的焊接方法，結(jié)合APW-H-II型樁管自動(dòng)焊設(shè)備，按照海洋平臺(tái)導(dǎo)管架安裝對(duì)樁管焊接接頭性能的要求，開展焊接工藝及力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并依照中國船級(jí)社CCS《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的施工標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行工藝認(rèn)可試驗(yàn)，為工程應(yīng)用提供一套完整的樁管自動(dòng)焊焊接工藝方案。

1.3 焊接設(shè)備

1.3.1 設(shè)備的總體構(gòu)成

焊接設(shè)備采用自主開發(fā)的APW-H-II型導(dǎo)管架樁管自動(dòng)焊專用設(shè)備，包括行走小車、操作盒、柔性帶鎖緊的軌道、控制系統(tǒng)、送絲機(jī)及焊槍、焊接電源等 （見圖2）。

在實(shí)際焊接中，除了焊接電源可放置在船上外，其他的裝置必須帶到導(dǎo)管架上。因此，電源線、控制線以及焊接線纜必須采用特制的加長線纜，傳輸距離在50 m以上。

1.3.2 焊接電源的選擇

用于海上施工作業(yè)的焊接設(shè)備，一方面要考慮設(shè)備的性能，另一方面還要考慮設(shè)備的可靠性和安全性。通過對(duì)海上施工環(huán)境進(jìn)行分析，確定了焊接電源采用美國Miller公司的Phoenix 456型逆變電源和Suitcase 12VS型送絲機(jī) （見圖2）。并根據(jù)自動(dòng)焊的有關(guān)要求進(jìn)行了相應(yīng)的改造。

1.4 焊接材料

1.4.1 母材的材質(zhì)和性能

目前，海洋平臺(tái)導(dǎo)管架安裝的樁管一般都是在預(yù)制廠由板材卷制、埋弧焊焊接而成，材質(zhì)為D32，皇冠板的材質(zhì)為E36。兩者雖然牌號(hào)不一樣，但均是性能相近的低合金船用鋼，碳當(dāng)量也相近 （D32為0.36%；E36為0.38%），所以兩者都是可焊性較好的低合金高強(qiáng)鋼 （見表1）。

表1 D32鋼材化學(xué)成分及機(jī)械性能

從表1中可看出，此鋼中含有主要起強(qiáng)化作用的Mn，以及細(xì)化晶粒的Ti、V、No等合金元素，綜合力學(xué)性能良好。

1.4.2 焊材的選擇

在海洋樁管的鋼結(jié)構(gòu)中，對(duì)焊縫接頭的低溫沖擊韌性值要求很高，因此，選擇焊絲時(shí)，除考慮強(qiáng)度匹配外，還要著重考慮焊絲的低溫沖擊韌性。故試驗(yàn)選擇使用自保護(hù)藥芯焊絲。

2 焊接工藝試驗(yàn)

用于海上作業(yè)的結(jié)構(gòu)物，為保證其質(zhì)量及安全性，其工藝試驗(yàn)須按照以下具體要求進(jìn)行：

（1）工藝試驗(yàn)用材料為制作樁管和皇冠板的板材，由工程施工方提供。

（2）工藝試板經(jīng)無損檢測合格后，按CCS《材料與焊接規(guī)范》的要求取樣加工，然后進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、宏觀金相及硬度試驗(yàn)。

（3）焊縫力學(xué)性能指標(biāo)中的低溫沖擊韌性，執(zhí)行美國標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1 2000《Structural Welding Code-Steel》，在-40℃的低溫下，接頭的V型缺口沖擊功平均值不低于34 J，最低值不小于27 J。

2.1 焊接工藝試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)皇冠板的實(shí)際焊接狀況，制訂了兩項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容：D32材質(zhì)板厚30 mm的對(duì)接焊；E36材質(zhì)板厚45 mm與D32材質(zhì)板厚20 mm的角接焊工藝評(píng)定。圖3、圖4為坡口的組對(duì)及焊接次序。

2.2 坡口型式

坡口的確定原則是既要保證充分的熔透，又要盡可能減少熔敷量，并力求使接頭變形為最小。由于實(shí)際的樁管焊接內(nèi)壁有墊板，只能在外部焊接，焊接位置為橫焊，為此，確定采用單面V型坡口，并以多層多道的排焊方式焊接。

由于壁厚較大，坡口較深，無論是焊條，還是焊槍都需伸入坡口內(nèi)焊接，故坡口角度不宜太小，自保護(hù)藥芯焊槍因沒有保護(hù)氣用的氣罩，焊槍端部要小得多，因此，采用手工焊的坡口角度即可滿足自保護(hù)藥芯焊絲的要求，故坡口角度確定為45°。

為了進(jìn)一步減少熔敷量，可通過減少坡口截面的面積，以減少熔敷的焊道數(shù)量。同時(shí)可降低焊接接頭的應(yīng)力和變形，提高接頭的抗裂性。因此，采用如圖3所示型式的坡口，即上30°、下15°的橫焊坡口，可減少焊縫的熔敷量15%以上。

2.3 根焊

盡管實(shí)際焊接中，樁管的內(nèi)壁有墊板，無需保證背面成型的封底焊道，但試驗(yàn)用試板焊后需進(jìn)行無損檢測和力學(xué)性能試驗(yàn)，因此，在試板焊接時(shí)，采用了林肯的STT氣保護(hù)焊進(jìn)行根部焊道的橫焊封底。STT封底的規(guī)范參數(shù)見表2。

表2 試板焊接根部焊道規(guī)范參數(shù)

由于試板較厚，在根焊前對(duì)焊道進(jìn)行了焊前預(yù)熱，預(yù)熱方式為火焰加熱，預(yù)熱溫度大于100℃。采用數(shù)字式表面溫度儀測溫。

2.4 填充、蓋面

在保證質(zhì)量的前提下，要提高焊接效率，就必須采用大規(guī)范焊接，以大幅度提高熔敷率。填充和蓋面分?jǐn)[動(dòng)和不擺動(dòng)兩種工藝，前期的工藝試驗(yàn)表明，在大規(guī)范、擺動(dòng)的條件下，會(huì)導(dǎo)致焊接線能量增加，焊縫及熱影響區(qū)的組織過熱，造成焊接接頭的低溫沖擊韌性數(shù)據(jù)分散較大，甚至個(gè)別數(shù)據(jù)不符合要求，因此，此次試驗(yàn)采用不擺動(dòng)的工藝方式，在大規(guī)范的同時(shí)，盡可能提高焊接速度，這樣，可起到以下兩個(gè)作用：

（1）可有效地降低焊接線能量，在保證接頭低溫沖擊韌性的同時(shí)，又提高焊接的熔敷效率。

（2）因?yàn)榭焖俸傅暮傅垒^薄，在多層多道焊的過程中，后面的焊道對(duì)前一層焊道有重熔以及再結(jié)晶作用，一方面使熔敷金屬的化學(xué)成分趨于均勻化，另一方面也細(xì)化了晶粒，改善了組織，有利于保證接頭的低溫沖擊韌性。

通過工藝試驗(yàn)，取得了滿足規(guī)范要求的焊接規(guī)范參數(shù) （見表3）。

在整個(gè)焊接過程中，只有在熱焊時(shí)焊槍帶有擺動(dòng)，這樣能夠保證把封底焊道一次完全熔透。其他焊道的焊接，焊槍不擺動(dòng)，從而可以提高焊接速度，達(dá)到控制線能量的目的。

在無擺動(dòng)的情況下，要根據(jù)焊道在坡口中的位置，調(diào)整焊槍的角度，焊絲與水平面的夾角處于0°～30°的范圍內(nèi)，如圖5所示。而在角縫的焊接過程中，焊絲始終保持45°，即處于角縫的平分線或平行線上。

表3 典型焊接工藝參數(shù)

2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需分上下兩層取試件，一個(gè)接頭取4組試件。表4為低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出，低溫沖擊值較高，且數(shù)據(jù)很集中。同時(shí)焊接接頭拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為414～565 MPa；彎曲試驗(yàn)結(jié)果全部為完好 （彎曲角度a=180°），均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明，采用無擺動(dòng)方式的多層多道的快速焊工藝，在不降低焊接熱輸入量的條件下，有效地降低了焊接線能量，實(shí)現(xiàn)了晶粒的細(xì)化，能夠顯著改善接頭的性能，提高了焊縫的低溫沖擊韌性。

對(duì)于角接焊縫：

（1）經(jīng)磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

（2）斷面宏觀檢查，焊縫內(nèi)及其熱影響區(qū)周圍不存在裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷，焊縫完好。

（3）分別在焊縫的窄面、中面、寬面按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗(yàn) （HV10），共測17點(diǎn)，數(shù)值為：165～247，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

該工藝試驗(yàn)結(jié)果通過了CCS的認(rèn)可，可以用于實(shí)際工程施工。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

海南24井位于渤海灣內(nèi)，日產(chǎn)原油50 t，天然氣1.3萬m3。該平臺(tái)試采裝置主要包括：新建井口平臺(tái)1座、生產(chǎn)平臺(tái)1座、500 m3儲(chǔ)罐平臺(tái)1座、火炬平臺(tái)1座。

本次自動(dòng)焊應(yīng)用于生產(chǎn)平臺(tái)皇冠板焊接，平臺(tái)規(guī)格12 000 mm×14 000 mm?；使诎迨枪潭豆艿膬蓧K環(huán)狀鍥形連接板——連接樁管和導(dǎo)管架，是海上導(dǎo)管架安裝樁管焊接的最后兩條環(huán)焊縫。

焊縫位置和型式如圖6所示：其中樁管的材質(zhì)為D32船用鋼，管徑1 000 mm，壁厚20 mm；導(dǎo)管架套管的材質(zhì)為D32船用鋼，管徑1 110 mm，壁厚30 mm；皇冠板材質(zhì)為E36船用鋼，壁厚為45 mm， 兩塊環(huán)狀鍥形的皇冠板緊貼樁管外壁鍥入導(dǎo)管架套管與樁管間隙，用焊接方法連接固定。

3.2 自動(dòng)焊實(shí)施

根據(jù)導(dǎo)管架樁管的具體規(guī)格尺寸，進(jìn)行了合理的單、雙或多機(jī)頭焊接設(shè)備配置的比較分析，最終決定采用單機(jī)頭配置 （如圖7所示），可在此次工程中充分發(fā)揮自動(dòng)焊的技術(shù)優(yōu)勢。

環(huán)境狀況：天氣晴，陣風(fēng)4~5級(jí)。

焊接電源放在船上，船用發(fā)電機(jī)供電。焊機(jī)以直流正接的方式使用，所以，正極用焊接電纜接至導(dǎo)管架，負(fù)極用焊接電纜接至送絲機(jī)，單根電纜長100 m。

送絲機(jī)構(gòu)、控制箱、焊接機(jī)頭、焊槍、焊接軌道、操作盒一并帶上操作架。

焊接參數(shù)按上述的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果執(zhí)行，分別在兩個(gè)樁管上進(jìn)行自動(dòng)焊接，每個(gè)機(jī)頭沿樁管圓周焊完一道，打開離合器快速退回原處再焊下一道，直至焊縫焊滿。

3.3 應(yīng)用結(jié)果 （見圖8）

本次現(xiàn)場焊接采用自動(dòng)焊共焊皇冠板焊縫4條，焊縫總長度12.56 m，焊縫為 “K”形角，焊腳高度25 mm，單條焊縫分15層焊道焊滿，單層焊道累計(jì)總長度188.4 m，累計(jì)填充焊縫金屬30.6 kg。焊縫表面成型美觀，經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)，焊縫焊接質(zhì)量優(yōu)良，完全滿足施工規(guī)范要求。

［1］ Tang Deyu.Research on technology of automatic welding machine and procedure for pile pipes of offshore jacket platform ［J］.Engineering Sciences，2010， 8（2）：24-30.

［2］張永興.自動(dòng)焊在球罐現(xiàn)場組焊中的應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（1）：41-43.

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［4］ 肖瑾.不對(duì)稱箱型梁焊接工藝選擇［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2003，（1）：15-17.

Technology and Application of Automatic Welding Machine for Offshore Platform Pile Pipes

ZHANG Jian-hu（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,TAN Deyu,FENG Biao,et al.

In order to improve the status of great welding workload and poor efficiency in offshore installation of offshore platform pile pipes,the test research of automatic welding technology was performed.This paper introduces the test research contents of automatic welding technology using self-shielded flux-cored electrode（SSFCE） for high tensile D32 and E36 shipbuilding steels widely used for pile pipes.The test results and field application prove that this method has advantages of high efficiency and strong wind resistance,and the welding joint properties meet the demands of the welding criterion.This automatic welding machine is worthy of popularizing application.

offshore platform;jacket;pile pipe welding;self-shielded flux-cored electrode

TE951

B

1001－2206（2011）03－0021－04

張建護(hù) （1965-），男，陜西興平人，工程師，1987年畢業(yè)于承德石油學(xué)校，一直從事焊接工藝與設(shè)備的研究、設(shè)計(jì)工作。

2010-08-03；

2010-11-12