自升式海洋鉆井平臺(tái)樁腿的焊接與精度控制

張曉安,錢建東

(中海工業(yè)(江蘇)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

自升式海洋鉆井平臺(tái)樁腿的焊接與精度控制

張曉安,錢建東

(中海工業(yè)(江蘇)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

主要介紹了SUPER-116E自升式海洋鉆井平臺(tái)樁腿和齒條預(yù)制及安裝工藝，對(duì)樁腿和齒條的預(yù)制過程、安裝方法及安裝過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了全面總結(jié)和分析。

自升式鉆井平臺(tái)；樁腿；齒條；焊接；精度管理

1 自升式海洋鉆井平臺(tái)組成及工作原理

自升式海洋鉆井平臺(tái)主要由平臺(tái)結(jié)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、樁腿、鉆井裝置以及生活模塊、直升飛機(jī)平臺(tái)等組成。

自升式海洋鉆井平臺(tái)工作時(shí)，通常用升降機(jī)構(gòu)將平臺(tái)舉升到海面以上,使其免受海浪沖擊,依靠樁腿的支撐站立在海面上進(jìn)行鉆井作業(yè)。完成鉆探任務(wù)后,降下自升式海洋鉆井平臺(tái)到海面,將樁腿升降至拖航位置,即可將該自升式海洋鉆井平臺(tái)拖航到下一個(gè)作業(yè)井位。因此，樁腿是自升式海洋鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵部件之一。

2 樁腿的材料特性及選用

樁腿是由齒條、弦管、斜拉撐、水平拉撐等組成。齒條部分的材料要求選用超高強(qiáng)度鋼并且超厚板，不僅屈服強(qiáng)度高，而且要具備-40 ℃的低溫沖擊性能。SUPER-116E樁腿齒條材料選用ASTMA514Q材料,來(lái)料為齒條和弦管焊接完成的半成品。通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與該齒條材料的機(jī)械性能參數(shù)的比較，認(rèn)為所用材料完全符合設(shè)計(jì)要求。

樁腿水平支撐管、斜拉支撐管材料，選用API-5LX52材料,其機(jī)械性能與齒條材料的性能相反,硬度不高,韌性好。

3 樁腿的焊接和精度控制

3.1 合理選擇適合的焊接材料

焊接材料中的含氫量過高會(huì)引起焊接冷裂紋，因此超高強(qiáng)度鋼材的焊接需要使用低氫焊接材料。某公司承建的SUPER-116E 3個(gè)樁腿類型的自升式海洋鉆井平臺(tái)建造過程中，先后試驗(yàn)了多個(gè)廠家的多種焊條及藥芯焊絲，最后選定H10或H5低氫焊接材料。若用焊條修補(bǔ)缺陷時(shí)，必須使用含氫量為H5的超低氫焊條，但是這種方法熱輸入量大，并且效率低。經(jīng)多次焊接試驗(yàn)，最后確定采用效率高、焊后殘余應(yīng)力小的藥芯焊絲。

3.2 裝配焊接間隙的選擇

自升式海洋鉆井平臺(tái)起升系統(tǒng)的工作原理是：利用齒輪-齒條機(jī)構(gòu)，在升降系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)前對(duì)輪齒嚙合以后，后續(xù)的各對(duì)輪齒也能依次嚙合，而不是相互頂住或分離，因此齒條焊接及其精度控制變得十分重要。通常CO2藥芯焊絲焊接，采用陶瓷襯墊，裝配間隙為5～9 mm，變形難于控制。自升式鉆井平臺(tái)的齒條材料板厚大多在120 mm以上，采用X型坡口形式。其坡口焊接，考慮到齒條的焊接收縮變形，在焊前應(yīng)預(yù)留一定的收縮余量，一般為2.5～3.5 mm。焊前收縮量示意圖如圖1所示。

3.3 樁腿齒條焊前的預(yù)熱

樁腿齒條在焊接前要進(jìn)行預(yù)熱，通過預(yù)熱來(lái)降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，同時(shí)通過馬氏體的“自身回火”作用來(lái)提高抗裂性，從而減少和杜絕裂紋的產(chǎn)生。樁腿齒條預(yù)熱時(shí)要注意，加溫不能過快、過高，否則不僅不利于防止裂紋，相反會(huì)在冷卻過程中容易出現(xiàn)脆性混合組織，從而降低焊接熱影響區(qū)域的韌性。

3.4 嚴(yán)格控制層間溫度

層間溫度起著和預(yù)熱同樣的作用。根據(jù)在自升式海洋鉆井平臺(tái)建造過程中的經(jīng)驗(yàn)，得出結(jié)論：最小層間溫度為80 ℃，最大為200 ℃。

3.5 焊后熱處理

樁腿齒條與座板這類高強(qiáng)鋼材料的合金原理，就是在低碳的基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素來(lái)保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織，但是冷卻速度不能過快。實(shí)際焊接中，材料焊接后立即加熱，溫度到200 ℃，保溫2.5 h，隨后焊件在空氣中自然冷卻下來(lái)。這種做法的目的不僅有利于氫的逸出，而且可防止冷卻后裂紋的產(chǎn)生和焊件變形。

圖1 焊前收縮余量示意圖

3.6 使用焊接專用胎架

通常施焊時(shí)使用碼板，而且必須是與焊件同等級(jí)材料。使用碼板時(shí)如果不預(yù)熱，就容易產(chǎn)生裂紋。碼板的預(yù)熱雖然在焊接工藝認(rèn)可實(shí)驗(yàn)(WPS)中可以做到，但是在實(shí)際生產(chǎn)中就非常難做到。因此，不論是主弦管與齒條的焊接，還是齒條與齒條的焊接，都需要在專門設(shè)計(jì)的胎架上進(jìn)行焊接，既能夠保證焊接質(zhì)量，又能保證精度。

焊接專用胎架的作用主要有4點(diǎn)：

(1)焊前定位齒條及弦管。

(2)用來(lái)調(diào)整胎架與齒條間的間隙。

(3)夾緊工件，焊接過程中限制焊件變形。

(4)提高齒條的焊接精度。

3.7 采用合理的安裝焊接順序

在自升式海洋鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)工作時(shí)，齒條與齒輪是依次嚙合的，齒條的精度控制對(duì)海洋平臺(tái)的使用壽命有著重要影響。制定焊接工藝是保證和控制齒條焊接質(zhì)量的前提，合理的焊接順序是制定焊接工藝的關(guān)鍵。齒條對(duì)接焊接、齒條與座板焊接時(shí)選用以下方法：

(1)將齒條對(duì)接焊接過程分成3步。齒條對(duì)接的焊接順序如圖2所示。

圖2 齒條對(duì)接的焊接順序(單位：mm)

第1步，在A面使用S-7016.0焊條進(jìn)行打底焊。

第2步，對(duì)B面進(jìn)行清根處理后，2名焊工分別在A、B面使用LB-88LT或S-11018.MФ3.2焊條同時(shí)對(duì)稱施焊，使用填充12～15 mm厚焊縫金屬。為避免產(chǎn)生角變形，2名焊工施焊電壓、電流應(yīng)相同。

第3步,2名焊工分別在A、B面使用LB-88LT或S-11018.MФ4.0焊條同時(shí)對(duì)稱施焊。為避免產(chǎn)生角變形，2名焊工施焊電壓、電流也應(yīng)相同。

需要注意的是，焊后72 h必須進(jìn)行超聲波以及磁粉探傷檢驗(yàn)。

(2)對(duì)齒條與座板的焊接采用6個(gè)順序分步退焊法進(jìn)行施焊，齒條與座板焊接順序如圖3所示。焊接時(shí)采用由中間到兩端，由里到外，逐步退焊法進(jìn)行齒條與座板的焊接。圖3中，按照從1至6的順序焊接。這樣能使施焊過程中材料均勻自由的收縮，最大限度地減少焊接變形。

圖3 齒條與座板的焊接順序

按照精度要求，必須保證齒條中心線與樁腿中軸線的平行線偏差在2 mm 范圍內(nèi)。由雙數(shù)焊工對(duì)稱于齒條中心線，從齒條中間向兩邊采用分步退焊法，按照工藝要求劃分為6段，每段約400 mm，并在兩端同時(shí)施焊的原則進(jìn)行焊接施工。

在樁腿齒條焊接過程中，若先裝焊后切齒就很難達(dá)到所要求的精度，所以必須采用合理的安裝焊接順序。每條焊縫焊接時(shí)，要保持其一端能自由收縮，然后采用先裝箱體后裝已切割好的齒條方法，每一段都能使變形量得到嚴(yán)格的控制，這樣就能使樁腿齒條整體精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在自升式海洋鉆井平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)，樁腿在海洋中承受著各種各樣的侵蝕和沖擊。高水平的焊接工藝與精度控制可以降低惡劣環(huán)境對(duì)鉆井平臺(tái)的影響，延長(zhǎng)使用壽命，因此樁腿和齒條焊接，精度控制以及裂紋的控制是自升式海洋鉆井平臺(tái)制造過程中的關(guān)鍵。通過采用以上工藝方法，焊前齒條的預(yù)組裝、焊前預(yù)熱以及選用合理的焊接順序等一系列措施，保證了樁腿齒條-齒輪機(jī)構(gòu)的安裝精度和使用要求，從而降低了成本，縮短了安裝周期，提高了自升式海洋鉆井平臺(tái)起升精度。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范 2012[M]. 北京：交通人民出版社，2012.

2014-02-28

張曉安(1956-)，男，工程師，從事船舶質(zhì)量管理；錢建東(1976-)，男，助理工程師，從事船舶建造質(zhì)量管理、檢驗(yàn)工作。

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