張歡歡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制

張歡歡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

對(duì)海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中的組對(duì)檢驗(yàn)、過(guò)程監(jiān)控、焊后外觀檢驗(yàn)等進(jìn)行描述。分析了在一些焊接參數(shù)失去控制以后可能產(chǎn)生某些缺陷的原因，并強(qiáng)調(diào)了幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，總結(jié)出一套采油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量控制方法?？蔀楸Ｕ虾Ｑ笫推脚_(tái)鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量提供有效的參考。

海洋石油平臺(tái)； 組對(duì)檢驗(yàn)； 過(guò)程監(jiān)控； 焊接熱輸入；外觀檢驗(yàn)

0 引 言

隨著國(guó)家海洋石油戰(zhàn)略由淺水逐漸走向深水，我國(guó)的海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)越來(lái)越大型化和專業(yè)化，因此對(duì)平臺(tái)的建造質(zhì)量要求也越來(lái)越高。由于鋼結(jié)構(gòu)是構(gòu)成海洋石油平臺(tái)的主體桁架，起著承載生活樓、各種電氣控制設(shè)備和輸油管線設(shè)備的作用，在海中常年經(jīng)受潮汐、浪涌、大風(fēng)等復(fù)雜外力作用，因此，鋼結(jié)構(gòu)良好的焊接質(zhì)量成為保證平臺(tái)工作人員和設(shè)備設(shè)施安全的關(guān)鍵因素。本文將對(duì)海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中如何做好焊接質(zhì)量控制進(jìn)行討論。

1 海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)組對(duì)檢驗(yàn)

1.1 核查組對(duì)尺寸

鋼結(jié)構(gòu)自身尺寸的核查主要是依據(jù)施工圖紙對(duì)待檢鋼結(jié)構(gòu)的自身尺寸進(jìn)行核查。例如卷管(包括導(dǎo)管腿、鋼樁、拉筋等)自身的厚度、長(zhǎng)度、直徑、橢圓度、錯(cuò)邊情況等，吊點(diǎn)自身的厚度、長(zhǎng)度、寬度等。圖1所示為對(duì)BZ34-24 CEPA平臺(tái)導(dǎo)管架進(jìn)行卷管長(zhǎng)度測(cè)量的照片。

圖1 卷管長(zhǎng)度測(cè)量Fig.1 Length measurement for a pipe

鋼結(jié)構(gòu)定位尺寸的核查主要是依據(jù)施工圖紙對(duì)待檢鋼結(jié)構(gòu)的定位尺寸進(jìn)行核查。例如卷管(包括導(dǎo)管腿、鋼樁、拉筋等)接長(zhǎng)縱縫錯(cuò)開位置是否為180°，吊點(diǎn)、支管等在主管上的分布位置，多個(gè)卷管的直線度，多個(gè)支管的同心度，平臺(tái)組合梁之間的距離，過(guò)渡段的彎曲角度等。

上述尺寸偏差依據(jù)的主要檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)API 2B，API 1104，美國(guó)焊接學(xué)會(huì)(AWS)標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1及業(yè)主規(guī)格書等。

1.2 檢查坡口情況

主結(jié)構(gòu)的焊接，其坡口通常采用全熔透形式。在焊接之前，質(zhì)量控制人員需要檢查坡口情況是否滿足經(jīng)業(yè)主批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程(WPS)的要求。WPS描述了對(duì)于適用結(jié)構(gòu)所開坡口的型式，包括坡口根部間隙、坡口角度、鈍邊情況、坡口周圍清理、預(yù)熱溫度、焊后熱處理以及使用的焊材種類等。WPS需要張貼在施工現(xiàn)場(chǎng)焊工能夠及時(shí)查看的地方。

根部間隙、坡口角度和鈍邊大小需要控制在WPS允許的范圍內(nèi)。根部間隙過(guò)大則焊材不易填滿，填滿以后的強(qiáng)度也不易達(dá)標(biāo)；間隙過(guò)小則焊條伸不進(jìn)去，根部不易施焊。坡口角度過(guò)大會(huì)造成焊道的熱輸入過(guò)大，增加焊材填充量和焊接時(shí)間，效率低下；坡口角度過(guò)小則坡口根部不易焊透，造成接頭強(qiáng)度不夠[1]。鈍邊太厚不易焊透；鈍邊太薄容易燒穿。因此，質(zhì)量控制人員必須檢查這些組對(duì)參數(shù)，將其控制在WPS允許的范圍內(nèi)，才能夠有效地防止焊接缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量。圖2給出了BZ34-24 CEPA平臺(tái)導(dǎo)管腿支管接頭根部間隙檢查的照片。

圖2 根部間隙檢查Fig.2 Inspection of root opening

坡口清理情況也需要仔細(xì)檢查，要保證接頭區(qū)域以及距離接頭至少25 mm范圍內(nèi)沒有鐵銹、油漆、水汽、油脂、粉塵等污物[2]，因?yàn)檫@些污物通常含有氫元素，在焊接過(guò)程中，接頭熱輸入產(chǎn)生的高溫會(huì)使氫元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入焊道內(nèi)部，當(dāng)這些擴(kuò)散氫來(lái)不及逸出時(shí)，就會(huì)殘留在焊道內(nèi)，從而產(chǎn)生氣孔和氫致裂紋，因此，在檢查過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)異物，質(zhì)量控制人員應(yīng)該要求焊工使用合適的砂輪片或者鋼絲刷進(jìn)行清理。

1.3 檢查坡口預(yù)熱情況

預(yù)熱是焊接開始前對(duì)被焊工件的全部或局部進(jìn)行適當(dāng)加熱的工藝措施。預(yù)熱可以減小接頭焊后冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織，加速氫的擴(kuò)散和逸出，減少熱影響區(qū)氫含量，還可以減小焊接應(yīng)力及變形。對(duì)于剛性大或焊接性差、容易產(chǎn)生冷裂紋的結(jié)構(gòu)，預(yù)熱是防止產(chǎn)生冷裂紋的有效措施。因此，對(duì)于質(zhì)量控制人員，焊前需要依據(jù)WPS檢查坡口的預(yù)熱溫度和預(yù)熱方式。

厚板(主結(jié)構(gòu))及高強(qiáng)鋼的預(yù)熱溫度要求較高，通常在110 ℃以上，預(yù)熱方式通常以烤把或者電阻加熱片為主，以WPS描述的為準(zhǔn)。測(cè)量最終預(yù)熱溫度時(shí)，紅外線測(cè)溫槍的紅點(diǎn)要打在坡口周圍75 mm范圍內(nèi)，而不是直接打在坡口上，以保證整個(gè)接頭均勻加熱到WPS要求的溫度。圖3顯示的是對(duì)JZ9-3 WHPC平臺(tái)鋼樁組對(duì)接頭預(yù)熱溫度進(jìn)行檢查時(shí)的情況。

圖3 預(yù)熱溫度檢查Fig.3 Inspection of preheating temperature

2 海洋采油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程監(jiān)控

在鋼結(jié)構(gòu)接頭焊接過(guò)程中，質(zhì)量控制人員需要經(jīng)常檢查焊工資質(zhì)、焊材烘干和保溫情況、擋風(fēng)情況等。只有通過(guò)本項(xiàng)目焊工考試的人員，才有資格進(jìn)行該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的焊接工作。因此，焊工資質(zhì)是需要重點(diǎn)檢查的一項(xiàng)內(nèi)容。在焊接過(guò)程中，焊工要保護(hù)好所使用的焊條和焊絲，防止其受潮、污損等，對(duì)于低氫焊條，還要注意將其放在焊條筒內(nèi)進(jìn)行保溫。質(zhì)量控制人員要經(jīng)常到施工現(xiàn)場(chǎng)巡查，一旦發(fā)現(xiàn)焊工有違規(guī)焊接行為，應(yīng)當(dāng)及時(shí)制止。

對(duì)于重要結(jié)構(gòu)，如主吊點(diǎn)板、較厚的環(huán)板、導(dǎo)管腿等，一般都是多層多道焊接，質(zhì)量控制人員還要使用鉗形電流表、測(cè)溫槍等工具，監(jiān)控和記錄焊接電流、電壓、層間溫度等參數(shù)，并將其控制在WPS允許范圍內(nèi)。采取上述措施的目的是控制焊縫冷卻速度和熱輸入量，最終獲得性能良好的焊縫組織。在焊接過(guò)程中，隨著焊接線能量和層間溫度的增加，接頭熱影響區(qū)(HAZ)變寬，粗晶區(qū)變寬，當(dāng)粗晶區(qū)晶粒變得粗大時(shí)，接頭的沖擊韌性會(huì)下降[3]；當(dāng)熱輸入量過(guò)小、層間溫度過(guò)低時(shí)，焊道就會(huì)因冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織。圖4是監(jiān)控焊接電流的照片。

圖4 監(jiān)控焊接電流Fig.4 Monitoring of welding current

對(duì)于高強(qiáng)鋼，若在焊接完成以后需要立即進(jìn)行焊后保溫緩慢冷卻，則質(zhì)量控制人員還要依據(jù)WPS監(jiān)控保溫溫度和時(shí)間。焊后熱處理的目的是消除殘余應(yīng)力，使擴(kuò)散氫及時(shí)逸出，減少冷裂紋產(chǎn)生的可能。焊后消氫處理應(yīng)該在焊接完成以后立即進(jìn)行，因?yàn)橛袑?shí)驗(yàn)表明[4]，高強(qiáng)鋼擴(kuò)散氫的含量會(huì)隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而變化，焊后0.5～12 h區(qū)間，擴(kuò)散氫的逸出速度很快，逸出量比較大，可達(dá)逸出總量的90%；焊后12～24 h區(qū)間，擴(kuò)散氫逸出速度變慢；焊后24～72 h區(qū)間，擴(kuò)散氫逸出量基本維持不變，消氫處理意義不大。圖5所示為對(duì)QK18-1 PAPA平臺(tái)吊機(jī)立柱焊后熱處理進(jìn)行監(jiān)控的情況。

圖5 焊后熱處理監(jiān)控Fig.5 Monitoring of post-weld heat treatment

3 海洋采油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊縫外觀檢驗(yàn)

焊接完成以后，需要對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢驗(yàn)。質(zhì)量控制人員要用焊縫檢測(cè)尺測(cè)量焊縫余高，一般余高不應(yīng)超過(guò)3.2 mm，但也不能低于母材。此外，還要依據(jù)圖紙測(cè)量角焊縫的焊角尺寸。焊道打磨平整以后，要檢查表面是否存在氣孔、焊渣、焊瘤、未熔合、飛濺、裂紋、電弧擦傷、咬邊等缺陷。具體外觀驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可參照API 2B，API 1104，AWS D1.1及業(yè)主規(guī)格書等。對(duì)于超標(biāo)的缺陷，需要焊工進(jìn)行打磨處理或者返修焊接。外觀檢驗(yàn)合格以后，才能夠進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

4 結(jié) 論

綜上所述，海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊接中產(chǎn)生缺陷的主要原因是坡口情況處理不當(dāng)，預(yù)熱溫度不夠，焊材使用不當(dāng)，電流、電壓超出WPS范圍，焊后熱處理時(shí)機(jī)把握不當(dāng)?shù)纫蛩?。因此，焊接檢驗(yàn)員在實(shí)際檢驗(yàn)工作中需要關(guān)注坡口清理、預(yù)熱溫度、電流、電壓和熱處理情況等重點(diǎn)因素，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)主規(guī)格書中的控制方法進(jìn)行檢驗(yàn)。采用上述質(zhì)量控制方法和原則，在中海油天津分公司QK18-1 PAPA平臺(tái)、BZ34-24 CEPA平臺(tái)導(dǎo)管架、JZ9-3 WHPC平臺(tái)等鋼結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果，焊前組對(duì)一次合格率達(dá)到97%，焊后外觀一次合格率達(dá)到98%。這些方法可為保障海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量提供有效的參考。

[1] 管金鈺，劉錦明，花建軍，等. 坡口角度對(duì)熔深的影響[J]. 船海工程， 2013， 42(2)： 46.

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WeldingQualityControlforOffshoreOilPlatformSteelStructure

ZHANG Huan-huan

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

The operations including fit-up inspection, welding process monitoring and visual inspection during offshore oil platform steel structure welding are described. The reason of defects when some welding parameters get out of control are analyzed. Several aspects that we should pay attention to are emphasized. A method of welding quality control for oil platform steel structure is obtained, which can provide a reference for the quality assurance of offshore oil platform steel structure fabrication.

offshore oil platform; fit-up inspection; process monitoring; welding heat input; visual inspection

TE54;TU392.4

A

2095-7297(2014)02-0174-03

2014-05-29

張歡歡(1984-)，男，助理工程師，主要從事海洋采油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方面的研究。