孫志廣

海洋石油工程固定式導(dǎo)管架平臺TKY節(jié)點的焊接

孫志廣

(海洋石油工程股份有限公司，天津300461)

導(dǎo)管架作為海洋石油工程固定式平臺的支撐結(jié)構(gòu)物，是由鋼管相貫焊接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，其中TKY節(jié)點是其最主要的焊接結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量直接決定了固定式平臺的安全性和使用性。文中以東海某固定式導(dǎo)管架平臺為例，重點從該平臺建造中TKY節(jié)點的焊接工藝設(shè)計、TKY節(jié)點焊接作業(yè)所需焊工資質(zhì)要求、TKY節(jié)點制備的注意事項、TKY節(jié)點的焊接質(zhì)量控制和TKY節(jié)點的焊接裂紋返修等方面進(jìn)行討論。

海洋石油工程 固定式平臺 導(dǎo)管架 管相貫節(jié)點

0 序 言

海洋石油工程固定式導(dǎo)管架平臺是海上油氣資源開采中應(yīng)用最為普遍的一種結(jié)構(gòu)形式，而作為此種平臺形式基礎(chǔ)的導(dǎo)管架是由鋼管相貫焊接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，大型管相交節(jié)點(TKY節(jié)點)是其最主要的焊接結(jié)構(gòu)。由于節(jié)點數(shù)量多、管壁較厚、工作量大，焊接及切割質(zhì)量要求均很高，以免增加應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。文中以東海某平臺為例重點介紹固定式導(dǎo)管架平臺TKY節(jié)點的焊接。

1 工程實例

文中示例平臺位于東海某區(qū)域80．7 m水深，為4腿8裙樁式結(jié)構(gòu)，設(shè)計壽命25年。導(dǎo)管架重2 600 Mt，工作點尺寸 12．3 m ×16．3 m，底盤尺寸為 27．5 m ×34．0 m，共5個水平層。上部組塊2 583 Mt，共4層甲板，結(jié)構(gòu)尺寸38．0 m ×27．0 m ×23．3 m(長 ×寬 ×高)，如圖1所示。

圖1 某固定式平臺

2 TKY節(jié)點焊接工藝設(shè)計

2．1 TKY節(jié)點詳圖及焊縫外形要求

作為主要受力承載結(jié)構(gòu)的TKY節(jié)點，還要承受風(fēng)暴潮、波浪等極端載荷，主管和支管連接處的應(yīng)力集中很高，極易產(chǎn)生疲勞破壞。通常以打磨焊縫外形圓滑過渡及接頭全熔透等措施有效改善TKY節(jié)點的疲勞性能。示例平臺全熔透TKY節(jié)點接頭形式詳圖及對厚截面或有疲勞要求時焊縫外形要求如圖2～3所示。

2．2 焊接工藝

示例平臺導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)用鋼為船用結(jié)構(gòu)鋼D36，管相交的TKY節(jié)點用鋼為D36－Z35。焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 AWS D1．1—2010《Structural Welding Code － Steel》。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)主規(guī)格書要求，以及施工現(xiàn)場的實際施工條件設(shè)計的TKY節(jié)點焊接工藝為以下兩種。

(1)焊條電弧焊(SMAW)，支管角度≥15°:限定管徑355 mm及以上，厚度12．7～50 mm;使用的焊材組合為 LB－52U(E7016)/GHE58－1(E7018－1)，采用的主要焊接工藝參數(shù)見表1。預(yù)熱溫度及層間溫度設(shè)計范圍:12．7 mm≤母材厚度T≤38 mm，最低預(yù)熱溫度40℃，最大層間溫度220℃;38 mm＜母材厚度T≤50 mm，最低預(yù)熱溫度65℃，最大層間溫度220℃。

(2)焊條電弧焊 +CO2氣體保護(hù)焊(SMAW+FCAW－G)，支管角度≥30°:限定管徑168 mm及以上，厚度 8～80 mm;使用的焊材組合為 LB－52U(E7016)/GFL－71Ni(E71T－1C－J)。采用的主要焊接工藝參數(shù)見表2。

圖2 全熔透TKY節(jié)點詳圖及對厚截面或有疲勞要求時焊縫外形要求－SMAW

圖3 全熔透TKY節(jié)點詳圖及對厚截面或有疲勞要求時焊縫外形要求－SMAW+FCAW－G

表1 焊條電弧焊(SMAW)焊接工藝參數(shù)

表2 焊條電弧焊+CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)

預(yù)熱溫度及層間溫度設(shè)計范圍:8 mm≤母材厚度T≤38 mm，最低預(yù)熱溫度40℃或者徹底除濕，最大層間溫度250℃;38 mm＜母材厚度T≤50 mm，最低預(yù)熱溫度65℃，最大層間溫度250℃;50 mm＜母材厚度T≤80 mm，最低預(yù)熱溫度110℃，最大層間溫度250℃。

另外，兩項焊接工藝均可用于TKY節(jié)點一次焊接返修。焊接返修的預(yù)熱溫度在設(shè)計焊接工藝基礎(chǔ)上增加50℃。

3 TKY節(jié)點的焊接

3．1 焊工資質(zhì)要求

(1)脫模劑噴涂不均勻。軌枕專用脫模劑采用空氣壓力噴槍以霧化狀噴出，模具兩端噴涂不均勻會導(dǎo)致軌枕與模具之間的摩擦力不同，軌枕脫模時兩端不能同時脫出出現(xiàn)擋肩裂紋。對作業(yè)人員加強教育培訓(xùn)，規(guī)范作業(yè)人員操作，使脫模劑噴涂均勻，易于做到。

在美國焊接協(xié)會規(guī)范AWS D1．1—2010《Structural Welding Code-Steel》第4章中明確規(guī)定了對于TKY節(jié)點施焊作業(yè)的焊工技能要求:必須持有權(quán)威第三方認(rèn)證的6GR位置焊工資質(zhì)方可進(jìn)行焊接作業(yè);主管與支管斜交角小于30°時，還必須具有小角度焊工資質(zhì)證書。

6GR位置焊工考試采用帶限制環(huán)管對接斜45°固定試件。試件兩管段外徑相同，壁厚不相同，厚壁比薄壁至少大5 mm。通常采用φ219 mm×20 mm×200 mm與φ219 mm×12．7 mm×200 mm兩管段進(jìn)行考試。厚壁管段為直口，薄壁管段為37．5°坡口，如圖4所示。

焊接試件完成后按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢驗、磁粉探傷、射線探傷或超聲波探傷，所焊試件合格的焊工取得6GR位置焊接資質(zhì)?？荚嚭细駱?biāo)志著該焊工在海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接位置達(dá)到了最高形式，但不代表焊接操作技能的最高技術(shù)水平。取得6GR焊接資質(zhì)的焊工仍需要經(jīng)過大量的生產(chǎn)實踐和經(jīng)驗積累才能成為一名合格的TKY節(jié)點焊接操作者。在示例平臺重要TKY節(jié)點以及焊接返修作業(yè)中，除必須持有6GR焊接資質(zhì)外，要求施焊者取得該資質(zhì)5年以上，且至少有兩個項目TKY節(jié)點的焊接作業(yè)經(jīng)驗。

圖4 6GR位置焊工考試試件

3．2 TKY節(jié)點制備

主管與支管連接處成TKY或復(fù)合型節(jié)點形式時，支管端部呈馬鞍形，相貫接頭分為趾部區(qū)、側(cè)面區(qū)，過渡區(qū)及跟部區(qū)，如圖5所示。

全熔透TKY節(jié)點，馬鞍形支管端部必須切割出與主管適于熔透的坡口角度，該角度隨支管與主管斜交角度不同以及相貫接頭各區(qū)域支管母線與主管交點切線的交角(二面角Ψ)角度不同而異。同時，為確保TKY節(jié)點的制備質(zhì)量，美國焊接協(xié)會規(guī)范AWS D1．1規(guī)定了節(jié)點的坡口形式、裝配間隙以及鈍邊等參數(shù)，具體要求如圖2～3所示。

圖5 典型相貫節(jié)點

在馬鞍口及坡口制備工作中需注意以下幾點:

(1)支管與主管的0°，180°線以及腳印必須認(rèn)真無誤標(biāo)記，避免現(xiàn)場裝配出現(xiàn)不必要的誤差或偏移。

(2)馬鞍口及坡口的制備均通過數(shù)控切管機(jī)完成，但受管橢圓度以及存在縱縫等原因影響極易造成切口誤差。因此，在完成切口工作后必須進(jìn)行試裝，如有必要進(jìn)行現(xiàn)場劃線修口。

(4)拉筋管制備過程中在距端部基準(zhǔn)線內(nèi)側(cè)200 mm處標(biāo)記樣沖點，現(xiàn)場完成組裝后在TKY節(jié)點的跟部、趾部及兩側(cè)等位置標(biāo)注焊接間隙，為焊接完成后進(jìn)行NDT探傷做必要準(zhǔn)備。

(5)示例平臺建造施工現(xiàn)場處于潮濕多雨的南方某城市，在現(xiàn)場組裝后經(jīng)質(zhì)量控制工程師確認(rèn)坡口等滿足施工要求后，涂防銹漆對坡口加以保護(hù)。

3．3 TKY節(jié)點焊接質(zhì)量控制

海洋石油平臺建造中TKY節(jié)點的焊接質(zhì)量控制是整個項目質(zhì)量管理的重點和難點?，F(xiàn)就示例平臺TKY節(jié)點焊接質(zhì)量控制的幾個要點總結(jié)如下:

(1)創(chuàng)造良好的焊接環(huán)境。首先，為焊工提供盡可能舒服的、便于操作的焊接位置，提供全面的勞動保護(hù);其次，嚴(yán)格執(zhí)行項目施工計劃及工期要求，禁止給焊工制定嚴(yán)苛的工期要求，為焊工提供相對寬松的工期環(huán)境進(jìn)行焊接作業(yè)。

(2)焊接工藝的執(zhí)行。TKY節(jié)點施工作業(yè)中必須嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計的焊接工藝，要求焊機(jī)必須可遠(yuǎn)程控制，便于隨時調(diào)整位置及焊接參數(shù)。質(zhì)量控制工程師負(fù)責(zé)監(jiān)控焊接工藝執(zhí)行情況，并完整填寫TKY節(jié)點施工記錄，內(nèi)容需包括焊接時間、焊口編號、焊工編號、焊接工藝編號、預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接電流、焊接電壓等參數(shù)。

(3)根焊及層間處理。施工現(xiàn)場TKY節(jié)點一般由兩名焊工對稱施焊。根焊起弧點以5點半位置或6點半位置為最佳，收弧點一般在12點位置，形成一道完整TKY焊口的焊接。(跟部位置中心為6點位置，趾部中心為12點位置)根焊中焊接接頭處必須細(xì)心打磨成羽毛狀，否則極易造成焊道根部缺陷，很難進(jìn)行返修。根焊結(jié)束以及填充蓋面焊接過程中，每層焊道必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰プ鳂I(yè)，避免夾渣、未熔合等常規(guī)缺陷。

(4)TKY節(jié)點裂紋返修。①裂紋定位:為便于返修和裂紋位置追蹤，在焊縫或母材表面標(biāo)定X軸和Y軸作為裂紋定位的基準(zhǔn)線，基準(zhǔn)線的標(biāo)識必須清晰可見，并標(biāo)有相應(yīng)刻度;標(biāo)出每個裂紋的位置，并在旁邊標(biāo)注可準(zhǔn)確定位裂紋位置的X值、Y值、裂紋深度Z值和裂紋長度L值;②裂紋去除和坡口準(zhǔn)備:裂紋去除前須按焊接工藝要求進(jìn)行預(yù)熱，采用氣刨或打磨的方式由距裂紋兩端各5 mm向裂紋中間沿焊縫軸線方向進(jìn)行裂紋去除。同時，為便于返修焊接，提高焊接質(zhì)量，應(yīng)沿焊縫軸線方向?qū)⒘鸭y前后各50 mm的焊縫金屬去除。裂紋清除后坡口末端應(yīng)為錐形，最小錐度為3∶1。坡口底部圓弧最小半徑為5 mm，深度/寬度應(yīng)小于1，如圖6所示。對返修坡口進(jìn)行磁粉探傷，確認(rèn)裂紋是否完全去除。同時，記錄需焊接的位置、深度及范圍，供無損檢測人員參考。③前消氫處理:對返修坡口及兩端焊縫各200 mm進(jìn)行前保溫，保溫溫度250℃，保溫時間根據(jù)焊縫厚度而定，每25 mm保溫1 h，最少保溫1 h，最多4 h;④焊接:選擇經(jīng)驗豐富的焊工嚴(yán)格按焊接工藝進(jìn)行返修作業(yè)。同時，注意必須在坡口內(nèi)進(jìn)行引弧;焊接時，每層焊道要清理干凈，以免產(chǎn)生夾渣等焊接缺陷;焊接時采用短弧擺動，窄焊道操作。整個返修焊接必需連續(xù)性一次焊完，焊接過程不允許中斷，如遇不可抗原因中斷焊接，焊道及周圍必須進(jìn)行保溫，重新焊接前必須用電加熱片重新預(yù)熱并做好相應(yīng)記錄;⑤后消氫處理:焊縫蓋面前，將電加熱片貼至焊道兩側(cè)，待焊接完成后立即對返修焊縫及兩端原焊縫各200 mm進(jìn)行250℃保溫，保溫時間根據(jù)焊縫厚度而定，每25 mm保溫1．5 h，最低保溫2 h，焊縫保溫后緩冷;⑥無損檢驗:返修作業(yè)完成48 h后，對返修區(qū)域進(jìn)行磁粉探傷、超聲波探傷，確認(rèn)無任何缺陷存在。

圖6 焊接返修坡口形式

4 結(jié) 語

文中以如何更好地控制TKY節(jié)點的焊接質(zhì)量為出發(fā)點，結(jié)合生產(chǎn)實例從諸多方面介紹了海洋石油工程固定式導(dǎo)管架平臺TKY節(jié)點的焊接，希望能夠為類似項目的TKY節(jié)點焊接工作提供些許指導(dǎo)和借鑒。

TG457

2017－02－13

孫志廣，1983年出生，學(xué)士，工程師。主要從事海洋石油工程項目管理、焊接工藝研究等工作，已發(fā)表論文10余篇。