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勝利作業(yè)五號平臺樁腿齒條焊接及安裝工藝研究

2011-01-03 07:41賈芳民
石油工程建設(shè) 2011年3期
關(guān)鍵詞:座板齒條坡口

賈芳民

(勝利油田勝利石油化工建設(shè)有限責(zé)任公司,山東東營 257064)

勝利作業(yè)五號平臺樁腿齒條焊接及安裝工藝研究

賈芳民

(勝利油田勝利石油化工建設(shè)有限責(zé)任公司,山東東營 257064)

在升降式作業(yè)平臺的升降過程中,為保證平臺的穩(wěn)定性,齒輪齒條的嚙合精度必須控制在一個很小的誤差范圍內(nèi),這就對樁腿齒條預(yù)制安裝過程中的焊接質(zhì)量和尺寸控制提出了很高的要求。文章從樁腿的形式、焊接難點(diǎn)、齒條焊接工藝、焊材選用、坡口設(shè)計(jì)和焊接順序、焊接工藝參數(shù)、焊接工藝評定、樁腿與齒條預(yù)制尺寸控制等方面對其進(jìn)行了論述。

升降式平臺;樁腿齒條;齒條焊接;預(yù)制安裝;尺寸控制

0 引言

勝利作業(yè)五號平臺為勝利油田自主設(shè)計(jì)建造的三腿齒輪齒條升降式作業(yè)平臺,平臺主體采用近似三角形箱體結(jié)構(gòu),由3根圓柱形樁腿支撐,每根樁腿上安裝2根連續(xù)的齒條,并與升降裝置中的齒輪完全嚙合,從而實(shí)現(xiàn)平臺的升降功能。樁腿齒條是實(shí)現(xiàn)平臺升、降的關(guān)鍵構(gòu)件,它承受平臺升、降時產(chǎn)生的載荷。在升降系統(tǒng)工作時,當(dāng)前對輪齒嚙合以后,后續(xù)的各對輪齒也能依次嚙合,從而使平臺可以通過齒條的傳動進(jìn)行升降。在平臺的升降過程中,為保證平臺的穩(wěn)定性,齒輪齒條的嚙合精度必須嚴(yán)格控制在一個很小的誤差范圍內(nèi),這就對樁腿齒條預(yù)制安裝過程中的焊接質(zhì)量和尺寸控制提出了很高的要求,本文針對此要求就該工程齒條焊接過程中的焊接工藝保證和尺寸控制方法進(jìn)行了研究分析。

1 樁腿形式

勝利作業(yè)五號平臺樁腿總長60 m,筒體外徑設(shè)計(jì)尺寸D 2 700 mm,兩側(cè)對稱安裝通長齒條,沿樁腿內(nèi)壁在齒條方位安裝兩道縱向П型桁材和橫向箱梁用以支撐兩側(cè)齒條,齒條與樁腿之間由齒條座板進(jìn)行連接,形式如圖1所示。

2 齒條焊接工藝研究

2.1 齒條材料的性能

勝利作業(yè)五號的齒條材料為DILLIMAX690E,厚度127 mm,是由德國DILLINGER公司生產(chǎn)的低碳低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼,對應(yīng)于EN10137標(biāo)準(zhǔn)中的S690Q級別鋼。

DILLIMAX690E鋼材的生產(chǎn)工藝是:在鋼板軋制成型后將其加熱至奧氏體化溫度,而后用水進(jìn)行急劇冷卻 (急速的冷卻速度使該鋼材形成了致密而堅(jiān)硬的顯微結(jié)構(gòu)),隨后再進(jìn)行回火處理,以消除淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力 (淬火降低了鋼材的脆性,使該鋼材在具有良好強(qiáng)度的同時又具備了較好的韌性和塑性),其機(jī)械性能和化學(xué)成分見表1、表2。

表1DILLIMAX690E機(jī)械性能

表2DILLIMAX690E化學(xué)成分/%

2.2 DILLIMAX690E的焊接難點(diǎn)

DILLIMAX690E屬于高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼,由表1、表2可知,該鋼具有良好的焊接性能和沖擊韌性,但易產(chǎn)生焊接冷裂紋,這可從以下理由看出:

其一,目前評價冷裂紋敏感性的常用指標(biāo)是冷裂敏感指數(shù) (Pcm),根據(jù)計(jì)算公式Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr) /20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B,可以得出該批DILLIMAX690E齒條的Pcm值在0.32至0.34之間,對冷裂紋敏感。其二,目前推薦用于碳當(dāng)量計(jì)算的公式是國際焊接學(xué)會的公式CEV=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15, 結(jié)合鋼廠隨齒條提供的質(zhì)量證明書上的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù),計(jì)算得出該批齒條的碳當(dāng)量數(shù)值在0.71%至0.79%之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.45%的淬硬敏感界線,因此易產(chǎn)生淬硬裂紋。

2.3 焊接工藝的確定

2.3.1 焊接方式

因?yàn)辇X條厚度較厚,受樁腿齒條焊接位置及現(xiàn)場接口要求的限制,確定采用焊條電弧焊作為齒條對這焊縫的焊接方式。

2.3.2 坡口設(shè)計(jì)和焊接順序

考慮到要兼顧控制熱輸入和保證坡口的焊接性能兩方面,對齒條焊接進(jìn)行了模擬試驗(yàn),通過試驗(yàn)測量出齒條的徑向收縮變形和角向焊接變形數(shù)據(jù),最終確定采用雙面對稱 “V”型坡口,組對間隙3 mm,鈍邊1 mm,坡口型式如圖2所示。

同時,為了減小上下坡口的焊接應(yīng)力差,控制齒條焊接的角向變形,制訂了如下焊接順序:

(1)在一面,由一名焊工進(jìn)行打底并焊至焊縫厚度12~15 mm。

(2)在另一面,碳弧氣刨清根并打磨干凈后,由另一名焊工焊至焊縫厚度12~15 mm。

在雙面,由兩名焊工按相同的焊接參數(shù)進(jìn)行同步對稱焊接。

2.3.3 焊材選用

根據(jù)DILLIMAX690E的力學(xué)性能和化學(xué)成分,按照等強(qiáng)匹配的原則,確定選用AWS A5.5中E11018M級別的焊材,在此級別焊材中,通過性能試驗(yàn)比較,最終選用林肯公司生產(chǎn)的超低氫型焊條Conarc80,該焊條的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 Conarc80焊條的化學(xué)成分/% (現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù))

表4 Conarc80焊條的機(jī)械性能及擴(kuò)散氫含量 (現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù))

2.3.4 焊前準(zhǔn)備

焊接前一天將Conarc80焊條放入焊條烘干箱中,按照325℃的恒溫烘干2 h,然后放入150℃恒溫箱中待用。施焊前將坡口和周圍40 mm區(qū)域的鐵銹、油污等雜質(zhì)清理干凈,打磨出金屬光澤。

2.3.5 預(yù)熱溫度

適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度可以降低DILLIMAX690E焊接時的冷卻速度,使馬氏體的 “自回火”反應(yīng)時間較充分,從而減少了淬硬馬氏體的產(chǎn)生,避免產(chǎn)生淬硬裂紋。目前常用公式T0=1 440 Pw-392(℃)來計(jì)算不產(chǎn)生裂紋條件下的最低預(yù)熱溫度T0,式中Pw為冷裂敏感性,其計(jì)算公式為:

式中Pcm——冷裂敏感指數(shù)(前面2.2節(jié)已給出計(jì)算數(shù)值);

H——熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量/(mL/100g)(見表 4);

h——母材厚度。

由以上計(jì)算公式可以計(jì)算出DILLIMAX690E齒條焊接時的最低預(yù)熱溫度為142℃,將其圓整到150℃執(zhí)行。

2.3.6 焊接線能量

DILLIMAX690E對于線能量十分敏感,在高線能量條件下會使熱影響區(qū)軟化,從而降低焊縫的強(qiáng)度;而線能量過低的情況下會導(dǎo)致焊縫冷卻速度過快,從而造成淬硬組織的生成,由此可見,必須將焊接線能量控制在一個合適的范圍內(nèi)。通過對DILLIMAX690E在不同焊接線能量條件下的焊縫熔敷金屬性能的試驗(yàn),得到當(dāng)焊接線能量在1.1 kJ/mm至3.0 kJ/mm范圍內(nèi)時所得到的熔敷金屬性能最佳。

2.3.7 冷卻時間t8/5的確定

由于齒條的焊接形式屬于三維熱傳導(dǎo),三維熱傳導(dǎo)狀態(tài)下t8/5的計(jì)算公式如下:

式中T0——預(yù)熱溫度,150℃;

Q——熱輸入,1.1~3.0 kJ/mm;

F3——三維熱傳導(dǎo)焊縫系數(shù),對接焊縫該系數(shù)為0.9。

將數(shù)值代入公式,可算出:

熱輸入為1.1 kJ/mm時,t8/5≈8 s。

熱輸入為3.0 kJ/mm時,t8/5≈21 s。

由此可知,用DILLIMAX690E齒條焊接時,合適的t8/5的控制范圍在8~21 s。

2.3.8 層間溫度

層間溫度與預(yù)熱溫度有著同樣的作用,同樣為保證不產(chǎn)生淬硬裂紋,最小層間溫度必須與最低預(yù)熱溫度一致,同時如果層間溫度過高會導(dǎo)致t8/5數(shù)值超出21s的上限值,所以限定層間溫度不能超過200℃。

2.3.9 焊接工藝參數(shù)

經(jīng)過上述對比和試驗(yàn)分析,最終確定了與以上各項(xiàng)要求相匹配的焊接工藝參數(shù),見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

2.3.10 后熱處理

焊接完成后要立即采取后熱處理,以促進(jìn)焊縫熔敷金屬中擴(kuò)散氫的逸出,防止焊后冷裂紋的產(chǎn)生。后熱處理溫度不低于最高層間溫度,以250℃為佳,焊后立即將焊縫及周圍區(qū)域加熱至250℃,并恒溫2h,然后用保溫棉包覆緩冷,控制每小時降溫不超過50℃,待冷卻至室溫后方可拆除保溫棉。

2.3.11 焊接工藝評定試驗(yàn)

為驗(yàn)證按此焊接工藝施焊的DILLIMAX690E齒條焊縫的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求,從現(xiàn)場成品齒條余量部分切割試件進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn),其結(jié)果如下:

(1)無損檢測:焊后48 h后所做的超聲波檢測表明,焊縫及其熱影響區(qū)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透及未熔合缺陷存在,局部位置存在不超標(biāo)氣孔,超聲波判定焊縫合格級別為I級。

(2)力學(xué)性能試驗(yàn):對焊接工藝評定試件所進(jìn)行的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明,焊縫熔敷金屬及熱影響區(qū)的性能滿足要求,見表6。

表6 焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 樁腿與齒條預(yù)制尺寸控制

在齒輪齒條式自升平臺中,樁腿與齒條共同構(gòu)成了平臺升降時的支撐結(jié)構(gòu),其制造的尺寸精度直接影響到平臺升降的平穩(wěn)性。

3.1 樁腿的預(yù)制尺寸控制

3.1.1 樁腿的橢圓度和直線度控制

樁腿總長為60 m,分5段進(jìn)行預(yù)制,共22節(jié)筒節(jié),在單節(jié)筒節(jié)制造階段就對單節(jié)筒節(jié)的橢圓度進(jìn)行嚴(yán)格控制,將其控制在許可偏差 (5 mm)以內(nèi)。筒節(jié)檢驗(yàn)合格后進(jìn)入分段組對焊接階段,焊接完成后控制整段直線度偏差小于3 mm/8 m,且整段不超過6 mm;橢圓度不超過5 mm,且兩端橢圓度不超過4 mm。

3.1.2 樁腿內(nèi)∏型梁和箱梁的安裝

兩條∏型梁和箱梁主要起支撐和加固作用,安裝尺寸確?!切土喊惭b位置偏差±3 mm,水平箱型梁與∏型梁的錯位≤3 mm。每條∏型梁總長度57 m,每根樁腿內(nèi)安裝38根箱型梁;為便于控制∏型梁和箱梁質(zhì)量,單段筒體預(yù)制完成后,用米字撐將兩端筒體撐圓,在安裝位置放出位置線,然后將∏型梁放入筒體,調(diào)整至組對間隙0~2 mm,位置偏差≤3 mm,用同樣方法安裝另一面的∏型梁?!切土喝抗潭ê煤?,轉(zhuǎn)到橫向位置,安裝箱型梁,箱形梁安裝前需測量其安裝位置樁腿筒體的橢圓度,使其偏差≤5 mm,然后將箱形梁裝入,為減少焊接收縮導(dǎo)致樁腿橢圓度變化,所有箱形梁切割尺寸均為正偏差,與∏型梁的組對采用無間隙組對。

3.1.3 樁腿內(nèi)∏型梁和箱梁的焊接

∏型梁和箱梁的焊接選用低熱輸入的CO2氣體保護(hù)焊,CO2氣體保護(hù)焊具有焊接速度較快、熔池小、熱影響區(qū)窄、焊件焊后變形小的特點(diǎn)。焊接時,由4名焊工對稱進(jìn)行第一層焊接,先焊箱型梁與∏型梁角焊縫,再焊∏型梁與筒體角焊縫。再進(jìn)行第二層焊接,施焊由中心向兩端對稱、跳焊進(jìn)行,盡量將焊接變形量控制到最小。

3.2 齒條與座板的組對焊接

為保證齒條與座板的預(yù)制偏差,齒條與座板組對工裝將其固定在一起后進(jìn)行施焊,齒條與座板的角焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊 (FCAW),焊絲選用林肯藥芯焊絲TWE-81K2,焊絲直徑1.2 mm。齒條與座板焊接前預(yù)熱到150℃左右。焊接過程中由4名焊工采用對稱、分段退焊法同時焊接,采用多層多道排焊。上方兩側(cè)對稱焊縫焊接2~3層后,翻轉(zhuǎn)工件,用同樣方式焊接下方兩側(cè)焊縫至2/3角高,再翻轉(zhuǎn)工件焊接上方兩側(cè)焊縫至要求角高,最后翻轉(zhuǎn)焊完下方兩側(cè)焊縫至要求角高。焊后將工件整體加熱到220℃左右,保溫2 h,然后用硅酸鋁巖棉包好緩冷。

3.3 齒條與樁腿的組對焊接

為保證齒條座板與筒體的安裝精度,采用三角板定位法進(jìn)行定位,首先在筒體上劃出齒條座板需要安裝的位置,將三角板點(diǎn)焊到齒條所需位置的一側(cè),將齒條座板吊起放到固定好的三角板上,再將另一側(cè)的三角板固定好,然后利用楔鐵輕微地調(diào)整齒條側(cè)彎、直線度。焊接時左右兩側(cè)各由4名焊工 (共8名焊工)采用分段退焊法(每段焊縫長約400~500 mm),從齒條中心向兩端對稱同步施焊。

4 結(jié)束語

通過對勝利作業(yè)五號平臺樁腿齒條焊接技術(shù)與尺寸控制的研究,探索出了一套行之有效的適用于海洋平臺高強(qiáng)度齒條鋼的焊接工藝技術(shù)和尺寸控制方法,為勝利作業(yè)五號平臺的建造質(zhì)量提供了技術(shù)保障。該平臺目前已正式下水投入生產(chǎn)作業(yè),在多次平臺起升作業(yè)中,樁腿升降平穩(wěn),齒條嚙合良好。

[1]DIN EN 1011-2-2001,Arc welding of ferritic steels[S].

[2]湯鎖庚.淬火回火高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼及其焊接[J].綠洲技術(shù),2000,(1):1-5.

[3]屈朝霞,田志凌,何長紅,等.超細(xì)晶粒鋼及其焊接性[EB/OL].http://www.weldr.cn/skill/2008/0119/w_11576.html.

Process Research on Welding and Installation of Pile-leg Racks in Shengli Operation Platform No.5

JIA Fang-min(Shengli Petroleum&Chemical Construction Corporation,Dongying 257064,China)

During ascending or descending of a jack-up operation platform,meshing precision between gears and racks must be controlled within a small error range to ensure the platform stability.It demands the high welding quality and exact dimension of pile-leg racks in prefabrication and installation.This paper discusses the following aspects:pile-led form,welding difficulty,rack welding process,welding material selection,bevel design,welding sequence,welding process parameters,welding process assessment,dimension control in pile-leg and rack prefabrication,and so on.

jack-up platform;pile-leg rack;rack welding;prefabrication and installation;dimension control

TE951

B

1001-2206(2011)03-0027-04

賈芳民 (1965-),男,山東濱州人,高級工程師,1990年畢業(yè)于石油大學(xué) (華東),現(xiàn)從事工程項(xiàng)目管理工作。

2010-11-29

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