謝偉

摘要：FPSO是常見(jiàn)的海洋工程裝備，通常設(shè)計(jì)為集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油為一體的船型結(jié)構(gòu)，其系泊系統(tǒng)類型眾多。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)最為復(fù)雜，將系泊系統(tǒng)內(nèi)置在FPSO月池中，通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)與FPSO的連接，連接焊縫焊接質(zhì)量與尺寸要求極為嚴(yán)格，焊縫質(zhì)量問(wèn)題或者尺寸偏差都會(huì)對(duì)FPSO整體性能產(chǎn)生不利影響。探討了關(guān)鍵集成焊口施工的質(zhì)量控制方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊系統(tǒng);集成板焊接;尺寸及質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TG441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0082-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.17

0 前言

作為海洋工程類船舶如FPSO等的系泊結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分為多種類型，常見(jiàn)的有單點(diǎn)——轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)，多點(diǎn)——伸展系泊系統(tǒng)以及動(dòng)力定位系統(tǒng)[1]等，其中內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)最為復(fù)雜，需要內(nèi)置在船艏月池艙（月池可簡(jiǎn)單理解為在船艏部開(kāi)的一個(gè)上下貫通的圓孔）內(nèi)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)的軸承支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接與船艏月池艙相連，軸承支撐為類似于“喇叭形”的結(jié)構(gòu)，該連接焊縫將承載單點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)千噸的質(zhì)量，因其重要性又被稱為單點(diǎn)集成施工的“黃金焊口”，同時(shí)，單點(diǎn)系統(tǒng)的焊后整體尺寸控制要求達(dá)到毫米級(jí)。

為了保證集成焊縫焊接質(zhì)量及焊后整體尺寸，需要開(kāi)展全過(guò)程的質(zhì)量控制工作，文中對(duì)此分階段進(jìn)行論述。

1 策劃階段

質(zhì)量控制策劃應(yīng)基于規(guī)格書(shū)等技術(shù)文件要求，主要需明確集成焊口的各項(xiàng)檢驗(yàn)要求及接受標(biāo)準(zhǔn)等。

首先，應(yīng)根據(jù)規(guī)格書(shū)要求，辨識(shí)集成焊口是否需要入級(jí)，并識(shí)別船級(jí)社規(guī)范中的具體要求，包括材料要求、人員資質(zhì)要求、檢驗(yàn)要求等。

其次，應(yīng)辨識(shí)需要控制的關(guān)鍵尺寸以及允許的公差，根據(jù)公差要求，開(kāi)展尺寸控制的策劃工作。

再次，應(yīng)辨識(shí)出焊縫的無(wú)損探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，以及允許的返修次數(shù)。以超聲波檢驗(yàn)（UT）為例，應(yīng)識(shí)別采用的是動(dòng)載荷（周期載荷）還是靜載荷，動(dòng)載荷接受標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度要遠(yuǎn)高于靜載荷。無(wú)損探傷接受標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)以及允許返修的次數(shù)直接關(guān)系著過(guò)程控制的頻次及強(qiáng)度。

以上要求應(yīng)納入專門(mén)的檢驗(yàn)與試驗(yàn)計(jì)劃（ITP）中，用于指導(dǎo)質(zhì)量控制工作的開(kāi)展。同時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵尺寸控制要求，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行策劃。

2 設(shè)計(jì)階段

月池壁底部及與之相連的單點(diǎn)軸承支撐頂部的周長(zhǎng)均達(dá)數(shù)十米，且兩者在完工階段均存在一定的尺寸誤差，若直接進(jìn)行組對(duì)，極易超出公差要求，調(diào)整難度非常大。

為此，可將軸承支撐頂部高度方向上1 m左右的部分設(shè)計(jì)為散裝板，用于調(diào)節(jié)軸承支撐頂部與月池壁底部之間的組對(duì)誤差，由于軸承支撐為“喇叭形”結(jié)構(gòu)，越往上直徑越大，因此，散裝集成板為變徑結(jié)構(gòu)。為了便于調(diào)節(jié)，在集成板高度方向上也設(shè)計(jì)一定的余量。

由于周長(zhǎng)較長(zhǎng)，集成板難以直接卷制成一整塊，且在圓周方向上，月池壁底部及軸承支撐頂部不同位置尺寸的超差程度不同，為此，可將集成板等分成數(shù)段，對(duì)每段進(jìn)行單獨(dú)卷制，以匹配相連位置的尺寸誤差，并對(duì)每塊集成板單獨(dú)編號(hào)。集成板卷制如圖2所示。

為控制好焊接質(zhì)量及尺寸，需要編制焊接控制方案及尺寸控制方案。

3 集成板預(yù)制階段

首先，根據(jù)入級(jí)要求，確認(rèn)集成板材料證書(shū)及檢驗(yàn)報(bào)告是否滿足船級(jí)社規(guī)范要求。其次，為滿足安裝要求，集成板需進(jìn)行壓弧，為確保集成板上下環(huán)口及縱縫對(duì)接口組對(duì)尺寸均滿足公差要求，需要進(jìn)行集成板壓制策劃。集成焊口布置如圖3所示。

由于建造累積誤差，月池壁底端及軸承支撐頂端均非理想的圓，圓周上各個(gè)位置的不圓度應(yīng)作為單塊集成板壓弧的參考，對(duì)集成板的上下端分別進(jìn)行卷制，這樣可以最大限度地減少安裝時(shí)的組對(duì)錯(cuò)邊。其次，為了驗(yàn)證集成板卷制后的不圓度是否滿足要求，需制作檢測(cè)樣板（針對(duì)每塊集成板單獨(dú)制作），由數(shù)控進(jìn)行下料制作（條件允許的情況下采用機(jī)加工），對(duì)每塊弧板上下端的不圓度進(jìn)行檢測(cè)。需要注意的是，需要在余量之外的區(qū)域測(cè)量卷制后的不圓度。

4 集成板坡口制備

集成板高度方向上的余量，需要根據(jù)月池壁底端與軸承支撐頂端之間實(shí)際的高差進(jìn)行切除，由于各個(gè)位置高差不是一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，具體到圓周上是各個(gè)位置的余量切割量各不相同，切除余量后，在切割邊緣再次測(cè)量不圓度以確保尺寸滿足要求。按照根據(jù)ITP要求加工集成板坡口（見(jiàn)圖4），過(guò)渡邊、坡口角度、鈍邊及坡口表面處理等都需要滿足WPS（焊接工藝）要求，應(yīng)在安裝前完成檢驗(yàn)。

5 集成板焊接方案及順序

集成焊縫的焊接質(zhì)量要求很高，焊接前需制定焊接方案及焊接順序，集成板焊接涉及板間縱縫以及上下口環(huán)縫。集成焊口分類如圖5所示。

5.1 焊接順序

結(jié)合焊縫應(yīng)力釋放及尺寸公差要求，可分為三個(gè)階段，首先焊接板間縱縫，再焊接上環(huán)口，之后打開(kāi)下環(huán)口馬排[2]，釋放應(yīng)力，最后焊接下環(huán)口。

為了更好地控制焊接尺寸，將縱縫分別編號(hào)，分為兩個(gè)階段焊接，奇數(shù)編號(hào)的焊縫先焊接，完成后再進(jìn)行偶數(shù)焊縫的焊接。

5.2 焊工要求

具體到焊工，根據(jù)入級(jí)要求，需選拔具備入級(jí)資質(zhì)的焊工。其次，要結(jié)合焊工歷史合格率數(shù)據(jù)，選拔技能水平優(yōu)秀的焊工。再次，結(jié)合集成板焊接工藝（WPS）相關(guān)焊接要素（母材厚度、母材材質(zhì)、焊材、保護(hù)氣等），考察焊工是否具備相關(guān)焊接經(jīng)驗(yàn)。

為了控制焊接變形，應(yīng)采用對(duì)稱焊接的方法，且由于集成板焊接工作量較大，連續(xù)焊接需要安排白夜班，所以需要保證足夠的焊工數(shù)量。

選拔好焊工后，應(yīng)組織焊工復(fù)核考試，按照實(shí)際焊接方法進(jìn)行模擬測(cè)試，并按照實(shí)際的無(wú)損驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行驗(yàn)收，考試合格的焊工方可參與施工。

5.3 焊接方法

為了控制好焊接尺寸，需要安排多名（偶數(shù)）焊工同時(shí)對(duì)稱焊接，并且采用分段退焊[3]等焊接方法，同一條焊縫多名焊工施焊時(shí)，焊接參數(shù)應(yīng)盡量均勻一致。

6? 集成板安裝

錯(cuò)邊控制為集成板安裝階段的精度控制難點(diǎn)。由于上下環(huán)口周長(zhǎng)均達(dá)數(shù)十米長(zhǎng)，需要保證集成板安裝后，各個(gè)位置板厚中心錯(cuò)邊誤差都不超過(guò)公差要求，因此，在集成板安裝前必須考慮定位的準(zhǔn)確性。下環(huán)口為集成板與軸承支撐的直邊對(duì)接，定位相對(duì)容易，出現(xiàn)偏差也可較為直觀地發(fā)現(xiàn);而上環(huán)口為集成板與月池壁的斜向?qū)涌?，較難定位，且不易直觀地判斷偏差。為此，可安裝導(dǎo)向輔助定位，并將板厚中心處的公差模擬轉(zhuǎn)移至邊緣處，方便檢測(cè)。

按照ITP要求，首先在坡口兩側(cè)安裝馬排，相鄰馬排間距以不超過(guò)700 mm為宜（以具體項(xiàng)目要求為準(zhǔn)），第一塊集成板安裝就位后，檢查各項(xiàng)尺寸是否滿足要求，如出現(xiàn)偏差，進(jìn)行修改，同時(shí)對(duì)其余的集成板也進(jìn)行相應(yīng)處理。

完成全部集成板的安裝后，將所有焊口兩側(cè)馬排點(diǎn)焊固定，馬排點(diǎn)焊長(zhǎng)度應(yīng)不低于100 mm（以具體項(xiàng)目要求為準(zhǔn)），坡口處間隙越小越好（以具體項(xiàng)目要求為準(zhǔn)）。需要注意的是，嚴(yán)禁在坡口上點(diǎn)焊，以免受力而導(dǎo)致相連母材開(kāi)裂。

7 集成板組對(duì)檢驗(yàn)

集成板安裝就位并調(diào)整好以后，按照ITP要求，需對(duì)縱縫對(duì)接口及上下環(huán)口進(jìn)行焊前組對(duì)檢驗(yàn)，主要包括錯(cuò)邊和坡口（角度、間隙、坡口面）檢查，錯(cuò)邊檢查為重難點(diǎn)。

對(duì)于縱縫對(duì)接口，可使用多功能焊縫檢驗(yàn)尺進(jìn)行錯(cuò)邊測(cè)量，為確保整道坡口錯(cuò)邊均滿足要求，建議每隔一定距離選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并出具檢測(cè)報(bào)告。對(duì)于下環(huán)口，由于集成板與軸承支撐為直邊對(duì)接，使用鋼直尺與間隙尺可完成測(cè)量，將鋼直尺沿著集成板邊延伸至軸承支撐側(cè)，將間隙尺塞入，讀取間隙值即可。每?jī)蓚€(gè)馬排之間均勻地選取數(shù)個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，出具檢測(cè)報(bào)告。

對(duì)于縱縫對(duì)接口和下環(huán)口來(lái)說(shuō)，板厚中心處的錯(cuò)邊可直接轉(zhuǎn)化到邊緣處;但是對(duì)于上環(huán)口來(lái)說(shuō)，由于集成板與月池壁為斜向相交，需要將板厚中心公差模擬至邊緣處。

通過(guò)CAD軟件模擬厚度中心往內(nèi)及往外處于最大偏差的極限狀態(tài)，在集成板板厚中心無(wú)錯(cuò)邊的情況下，模擬出集成板內(nèi)壁延長(zhǎng)線與月池壁間距X如圖6所示;集成板板厚中心向外錯(cuò)邊4 mm，模擬出集成板內(nèi)壁延長(zhǎng)線與月池壁間距X1如圖7所示;集成板板厚中心向內(nèi)錯(cuò)邊4 mm，模擬出集成板內(nèi)壁延長(zhǎng)線與月池壁水平間距X2和垂直間距Y如圖8所示。并充分考慮鋼板表面油漆膜厚、相交角度偏差等影響因素，確定出邊緣處允許的公差。

然后，可采用鋼板尺加游標(biāo)卡尺相結(jié)合的測(cè)量方法（見(jiàn)圖9），鋼板尺平貼著集成板往上一直延伸至與月池壁相交，隨著偏心方向朝內(nèi)或者朝外交點(diǎn)位置會(huì)有不同，然后用游標(biāo)卡尺測(cè)量邊緣處間距值，與公差進(jìn)行比對(duì)。

每?jī)蓚€(gè)馬排之間均勻地選三個(gè)點(diǎn)測(cè)量錯(cuò)邊，出具檢測(cè)報(bào)告。

對(duì)于測(cè)量不合格的位置，應(yīng)打開(kāi)馬排，進(jìn)行調(diào)整，直至結(jié)果滿足要求。

在焊接開(kāi)始前，需要保證縱縫對(duì)接口及上下環(huán)口組對(duì)結(jié)果合格。需要注意的是，按照焊接順序，縱縫和上環(huán)縫焊完之后，需要打開(kāi)下環(huán)口的馬排以釋放焊接應(yīng)力，馬排打開(kāi)之后，受焊接應(yīng)力影響，下環(huán)口錯(cuò)邊可能發(fā)生變化，調(diào)整之后再次進(jìn)行組對(duì)檢測(cè)。

8 焊接前準(zhǔn)備工作

焊接正式開(kāi)始前，需要開(kāi)展相應(yīng)的策劃工作，主要包括：（1）組織實(shí)際參與焊接的焊工進(jìn)行一次焊接專項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)交底;（2）由于焊接工作量很大，應(yīng)做好焊工的排班計(jì)劃表;（3）在各個(gè)焊口旁邊畫(huà)好焊接信息框，將參與焊接的焊工號(hào)按照班次標(biāo)注好，以備追溯;（4）做好報(bào)批文件的張貼，包括：準(zhǔn)入焊工清單、焊接工藝（WPS）、焊接監(jiān)控表格等。

其中，質(zhì)量技術(shù)交底的內(nèi)容應(yīng)主要包括：（1）按照工藝參數(shù)焊接;（2）焊材的領(lǐng)用及保管應(yīng)滿足程序要求（注明焊材領(lǐng)用時(shí)間，精確到分）;（3）打磨工具應(yīng)配備齊全，包括砂輪片、鋼絲刷及直磨機(jī)等;（4）將氣刨清根后表面處理列為停止點(diǎn)進(jìn)行檢查;（5）加熱及測(cè)溫設(shè)備的配備;（6）按制定的焊接順序開(kāi)展焊接;（7）做好防風(fēng)擋雨措施。

9 焊接過(guò)程控制

9.1 縱縫焊接

按照焊接順序要求，先焊接編號(hào)為奇數(shù)的縱縫，由多名（偶數(shù)）焊工同時(shí)從內(nèi)側(cè)開(kāi)始焊接，然后焊接編號(hào)為偶數(shù)的縱縫。

縱縫焊接結(jié)束之后，進(jìn)行無(wú)損預(yù)探傷。記錄發(fā)現(xiàn)的缺陷，包括缺陷出現(xiàn)的位置、深度，缺陷類型及相關(guān)焊工號(hào)，并組織開(kāi)展原因分析，做好后續(xù)預(yù)防措施。

9.2 上環(huán)縫焊接

為了控制焊接變形，應(yīng)采用分段退焊，每段長(zhǎng)度約500～800 mm，并安排多名（偶數(shù)）焊工按順序?qū)ΨQ焊接，在圓周方向上均勻分布，同時(shí)沿順時(shí)針?lè)较蚝附印Ｈ鐖D10所示。

從外側(cè)進(jìn)行打底填充，結(jié)束后從內(nèi)側(cè)氣刨清根，打磨清理并檢驗(yàn)合格后，從內(nèi)側(cè)進(jìn)行填充蓋面焊接，再轉(zhuǎn)移至外側(cè)完成蓋面焊接。

上環(huán)口焊接完成之后，可進(jìn)行一次無(wú)損預(yù)探傷，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的缺陷應(yīng)進(jìn)行記錄，包括焊接缺陷出現(xiàn)的位置、深度，缺陷類型及相關(guān)焊工號(hào)，并組織開(kāi)展原因分析，做好后續(xù)預(yù)防措施。

9.3 下環(huán)縫焊接

上環(huán)縫焊完后，下環(huán)口上的馬排位于集成板一側(cè)的點(diǎn)焊需要清除，以釋放應(yīng)力，隨著應(yīng)力釋放，下環(huán)口錯(cuò)邊可能出現(xiàn)偏差，重新調(diào)整滿足要求后，點(diǎn)焊固定。并且由于焊接收縮，坡口間隙會(huì)增大，需按照程序進(jìn)行堆焊以保證焊接間隙。

為了控制焊接變形[4]，應(yīng)采用分段退焊，如圖10所示，每段長(zhǎng)度約500～800 mm（以具體項(xiàng)目要求為準(zhǔn)），并安排多名（偶數(shù)）焊工按順序?qū)ΨQ焊接，焊工在圓周方向上應(yīng)均勻分布，同時(shí)沿順時(shí)針?lè)较蚝附樱鐖D11所示。

先從外側(cè)進(jìn)行打底焊接和填充焊接，之后從內(nèi)側(cè)氣刨清根，清根后進(jìn)行表面外觀檢查，再填充焊接，最后從兩側(cè)蓋面。

9.4 過(guò)程監(jiān)控要求

按照監(jiān)控方案要求，做好焊接過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)記錄，主要監(jiān)控措施[5]包括：（1）需要對(duì)所有位置的溫度進(jìn)行檢測(cè)，防止加熱片出現(xiàn)故障;（2）引弧點(diǎn)及熄弧點(diǎn)需認(rèn)真打磨清理，每道焊縫的引弧點(diǎn)及熄弧點(diǎn)要錯(cuò)開(kāi)至少100 mm（以具體項(xiàng)目要求為準(zhǔn)）;（3）每道焊縫道間清理要認(rèn)真、仔細(xì)、徹底，需特別注意打磨焊道層間的溝槽，同時(shí)使用風(fēng)帶將層間渣子以及打磨的飛濺鐵屑等清理干凈;（4）焊接過(guò)程中焊槍不允許大擺動(dòng)，單道焊道寬度不允許超過(guò)擺寬要求;（5）焊接過(guò)程中，需注意焊肉不宜過(guò)厚;（6）根部清理要徹底，適當(dāng)擴(kuò)寬，使底部呈弧形;（7）清根結(jié)束后必須打磨至光亮金屬，不能有任何碳化層殘留;（8）焊接過(guò)程中注意觀察電弧熔池，發(fā)現(xiàn)有任何異物應(yīng)立即停止焊接并進(jìn)行打磨處理。

10 外觀檢驗(yàn)

由于集成焊縫將承受單點(diǎn)系統(tǒng)的重力，受力方向?yàn)榇怪狈较?，在?duì)焊縫進(jìn)行打磨時(shí)，需注意打磨方向應(yīng)與受力方向平行，對(duì)焊縫表面進(jìn)行平滑處理。

正式外觀報(bào)檢后，在焊后48 h之后進(jìn)行正式無(wú)損探傷，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的缺陷制作缺陷定位圖，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損探傷檢驗(yàn)員跟蹤定位，根據(jù)集成焊縫的受力情況，發(fā)現(xiàn)的缺陷需逐個(gè)返修，逐個(gè)進(jìn)行無(wú)損探傷的復(fù)測(cè)。

全部焊縫無(wú)損檢測(cè)合格之后，按照ITP要求，對(duì)焊后相關(guān)尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)。

11 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

集成板施工需要識(shí)別重點(diǎn)和難點(diǎn)工作并做好控制措施，除此之外，有些細(xì)節(jié)也需要注意：（1）嚴(yán)禁在坡口上點(diǎn)焊。由于垂直方向上的受力情況，在坡口上點(diǎn)焊，容易造成母材撕裂。（2）焊接過(guò)程中做好防風(fēng)擋雨措施。由于月池艙上部是敞口，雨水容易沿著月池壁流下，會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成影響。（3）焊接過(guò)程清理是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵，焊工需配備鋼絲刷、直磨機(jī)等打磨工具，確保焊縫邊緣及死角處都能清理到。

單點(diǎn)集成板安裝對(duì)于單點(diǎn)集成非常重要，全過(guò)程的質(zhì)量控制策劃是保證集成板施工質(zhì)量的關(guān)鍵。需要結(jié)合施工過(guò)程中各個(gè)要素進(jìn)行分析，識(shí)別關(guān)鍵控制點(diǎn)，制定控制措施，編制控制方案，并注意控制措施要落實(shí)到位。對(duì)于其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或者重要工序的施工，也應(yīng)建立系統(tǒng)的控制思維，方可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛士輝，李懷亮，胡雪峰. 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)及安裝工藝介紹[J].. 中國(guó)造船， 49（11）：243-250.

[2] 郭寧，閆清波，張剛. 大直徑筒體（椎體）結(jié)構(gòu)尺寸精度控制方法研究[J]. 山東化工，2020，49（05）：138-140.

[3] 肖茂，肖緋雄，王騰飛，等. 分段退焊對(duì)焊接殘余應(yīng)力及變形的影響[J]. 熱加工工藝. 2019，49（19）150-153.

[4] 劉永科.鋼結(jié)構(gòu)建造中焊接變形原因分析及改進(jìn)措施[J].中國(guó)設(shè)備工程，2020（3）：229-230.

[5] 吳敏敏，賈必玉. 海洋石油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制[J].化工管理，2015（27）：138-138.

收稿日期：2020-10-30

作者簡(jiǎn)介：謝 偉（1987— ），男，本科，工程師，國(guó)際焊接檢驗(yàn)師，主要從事焊接檢驗(yàn)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制等工作。E-mail：xiewei@cooec.com.cn。