海洋鉆井平臺吊機立柱冷裂紋預防及返修

■ 汪 彬

1.概述

現(xiàn)代海洋鋼結構如移動式鉆井平臺，特別是固定式樁基平臺，在惡劣的海洋環(huán)境中受風浪和海流的長期反復作用和沖擊振動；另外由于低溫作用以及海水腐蝕介質的作用等都給鋼結構平臺帶來極為不利的影響。因此對于海洋鋼結構的檢測中裂紋是零容忍、最危險的缺陷，一旦出現(xiàn)必須完全清除并進行返修。

鉆井平臺的吊機主要用于海上平臺日常運營的各種起吊作業(yè)，吊機立柱是其主要的受力點，主要由主立柱以及內部十字筋板和封板組成。由于結構復雜焊縫集中，而且施焊空間受限，所以極易發(fā)生焊接冷裂紋。一旦出現(xiàn)裂紋，對項目進度和質量控制會造成極大影響。

本文主要從冷裂紋產生的原因出發(fā)，闡述了在鉆井平臺吊機立柱焊接中冷裂紋產生的機理以及控制措施，重點根據(jù)施工經驗介紹了裂紋返修中應該注意的要點。

2.冷裂紋的產生及預防

海洋鋼結構焊接生產中產生的主要裂紋是冷裂紋，占所有裂紋的90%以上。焊接冷裂紋有的在焊接過程中出現(xiàn)，有的則具有一定潛伏期。吊機立柱由主立柱和其內部的十字加強筋板和封板組成，焊縫相對比較集中，裂紋大多出現(xiàn)在筋板和主立柱焊接的T形結構上，在筋板之間以及筋板和封板之間的焊縫中也有出現(xiàn)。

（1）冷裂紋的產生機理 焊接冷裂紋在焊后較低的溫度下形成，一般是指焊縫在冷卻過程中溫度降到馬氏體轉變溫度范圍內（300～200℃以下）產生的，可以在焊接后立即出現(xiàn)，也可以在焊接以后的較長時間才發(fā)生。大量生產實踐和理論研究表明，鋼種的淬硬傾向、氫、接頭所承受的拘束應力是低合金高強鋼焊接時產生冷裂紋的三大主要因素。

（2）冷裂紋的控制 綜上所述，焊接冷裂紋的產生主要取決于材料的淬硬傾向、氫的擴散行為以及接頭的拘束應力三方面因素，要控制冷裂紋就要從這三方面入手。

控制淬硬傾向：材料的淬硬傾向是材料本身特有的性質，是由其合金元素的種類、含量共同決定的。因此，控制材料的淬硬傾向就需要在設計階段，要盡量選擇焊接性好，碳當量較低的材料。

焊接接頭的金相組織除了取決于焊接金屬與母材的化學成分外，還取決于焊接接頭的冷卻速度。因此通過預熱降低接頭冷卻速度有助于減少熱影響區(qū)的淬硬組織，減小冷裂紋出現(xiàn)的可能。

氫的控制：對于氫的控制就要從源頭上杜絕氫的來源，首先采用低氫焊材，充分烘干妥善保存。其次，在焊接之前對坡口以及兩側進行仔細清理打磨，去除油污、鐵銹等一切可能含氫的物質。焊接坡口的清潔程度對焊縫質量有重要的影響。如果焊件表面和坡口處有油污、銹、水分等污物存在，這些污物就會在高溫作用下，分解出CO、氫和水蒸氣，為焊縫提供氫的來源。

控制拘束應力：在生產實踐中，一般通過對母材進行預熱來降低焊接結構的熱應力。按照通用的要求，在焊道兩側至少75mm以內都要達到一定的預熱溫度之后才能施焊。因為厚度越大的材料拘束度越大，熱應力影響越大，所以越厚的材料，預熱溫度要求越高。

結構應力主要是因結構之間互相力的作用導致焊縫不能自由伸縮而引起的，吊機立柱結構復雜焊縫繁多，本身的結構應力很大，是最主要的拘束來源，其控制措施主要有以下幾點。

第一，提高裝配質量。裝配時如果出現(xiàn)過大的錯邊和坡口間隙，則容易造成未焊透、夾渣和焊縫成形不良等焊接缺陷，這些缺陷構成局部應力集中，成為氫的富集場所；另外，如果引起裝配應力過大，也會大大增加焊后接頭承受的應力狀態(tài)。因此，應嚴格按照工藝指定的坡口形式進行組對，并加強組對檢驗，防止出現(xiàn)坡口間隙、鈍邊過大等問題；另外在接頭組對合格后再安裝夾具，從而防止出現(xiàn)裝配應力過大的問題。

第二，采用合理的焊接順序。焊縫接頭中如果存在較大的殘余應力，將為氫的擴散提供動力，增大裂紋產生傾向，因此在施焊之前，應當設計好合理的焊接順序。一般是先焊接十字筋板之間的拼接以及T形焊縫，后焊接筋板與立柱之間的焊縫。另外，應當注意的是焊縫盡可能對稱焊接；焊縫尺寸要適當，為便于焊接操作，盡量避免仰焊等。

3.裂紋返修

下文從施工角度出發(fā)，闡述了裂紋返修過程中應當注意的問題。

（1）裂紋定位和標注 返修前，為了便于返修和裂紋位置追蹤，應采用有效方法對裂紋位置進行準確定位，應使用記號筆在焊縫或母材表面準確標出裂紋的位置，同時應對裂紋的長度、深度等信息進行準確尺寸標注。此舉是為了避免因為缺陷定位不準，造成的返修不完全。

（2）裂紋去除 相比起返修焊接，缺陷去除反而是裂紋返修中最關鍵的一步。返修坡口的準備直接影響到返修焊接質量的好壞。對于淺層裂紋應采用砂輪打磨的方式去除，對于深度較深的裂紋采用碳弧氣刨與打磨的方式進行。具體操作時，氣刨至距缺陷深度約5mm左右，換用打磨的方式小心打磨，尋找缺陷。需要注意的是氣刨前同樣必須進行預熱。

由于吊機立柱內部筋板較多，施焊和施刨空間較小，所以經常會出現(xiàn)因操作不當，造成氣刨后的坡口過窄或者過寬的現(xiàn)象，這將對下一步的焊接造成不利的影響。因此，氣刨時必須注意以下幾點。

第一，刨削電流要小一些，如果電流過大，會加大熱影響區(qū)范圍，不利于控制焊接質量，還有小電流氣刨可以有利于發(fā)現(xiàn)缺陷，能確定在刨削過程中將缺陷清除掉。

第二，在刨削過程中，應采用多層多次刨削法，當看到缺陷漏出時，應淺淺地再刨一次，特殊缺陷的清除應采用兩次或多次氣刨清除。

第三，氣刨過程中，應使用直徑較小的碳棒，防止一次對焊縫刨得過寬，增大返修焊接時的金屬填充量。

第四，選擇合適的刨削速度和空氣壓力：刨削速度對刨槽尺寸，表面質量和刨削的穩(wěn)定有一定的影響，刨削速度須與電流大小和刨槽深度相匹配，刨削速度太快，易造成碳棒與金屬短路電弧熄滅形成夾碳缺陷，一般刨削速度為0.5～1.2m/min為宜。壓縮空氣的壓力也會直接影響刨削速度和質量。壓力高可提高刨削速度和刨槽表面的光滑度；壓力低會造成刨槽表面沾渣，一般要求壓縮空氣的壓力為0.4～0.6MPa。

第五，根據(jù)實際情況調整刨槍角度。刨削時碳棒與刨槍夾角為45°左右，而與刨槽軸線夾角為60°～90°，兩側夾角一般應垂直。刨削過程中，操作時既不能前后擺動也不能橫向擺動，否則刨出的溝槽深淺不一、邊緣不齊。刨削過程中移動要平穩(wěn)，對準風線孔位置，防止壓縮空氣吹偏。氣刨工藝參數(shù)如表1所示。

另外，為便于返修焊接和提高焊接質量，應沿焊縫軸線方向將裂紋前后至少各50mm的焊縫金屬去除。裂紋清除后坡口末端應為錐形，最小錐度為3︰1。打磨形成的坡口底部圓弧最小半徑為5mm，深度/寬度應＜1，坡口深度≥（D+3）mm，坡口角度需≥40°，一般情況下返修坡口寬度不大于原焊縫寬度，如附圖所示。

經打磨發(fā)現(xiàn)檢驗報告標記處均為裂紋且裂紋數(shù)量較多、分布分散時，用打磨去除裂紋后，建議用碳弧氣刨去除剩余的焊縫金屬，采用全焊縫長度返修。

打磨和氣刨預熱均采用電加熱方式進行，根據(jù)焊縫厚度決定，一般預熱溫度≥100℃。

（3）MT檢測 返修坡口制備完成后，須對返修坡口進行MT檢測，確保坡口面沒有裂紋之后才能開展下一步工作。此舉主要是為了檢查缺陷的清除是否徹底，以及是否在氣刨過程中產生了新的缺陷，避免重復返修。

（4）返修焊接 因為目前很多項目都不允許二次返修，因此返修焊接在整個返修過程中起到決定性作用，返修后如果焊縫依然不合格，則會對工期對質量造成巨大的影響。因此，返修焊縫的焊接比原始焊縫往往有更高的技術要求。以藥芯氣體保護焊為例，表2是返修的焊接參數(shù)，必需嚴格遵守。除此之外，還應當注意以下幾點。

第一，引弧必須在坡口內進行，不得在坡口外引弧，熄弧時應填滿弧坑。多層焊的焊層之間接頭應錯開。

第二，焊接返修區(qū)域周圍應采取防風、防雨措施。

第三，整個返修焊接必須連續(xù)性一次焊完，焊接過程中不得中斷，如因特殊情況中斷焊接，焊道及周圍必須用保溫棉保溫，重新焊接前必須采用磁粉檢測及必要的超聲波檢測確定是否有新的缺陷產生，重新焊接前必須重新預熱。

第四，焊接時，每層焊道要清理干凈，以免產生焊接缺陷，每焊一道應仔細檢查，確定無缺陷后再焊下一道。焊接下一道前，需將熄弧點進行打磨。

第五，使用新開包且經過烘干和保溫的焊條用于焊接返修。

（5）后消氫處理 為了進一步清除焊縫中可能存在的氫，降低裂紋發(fā)生的概率，焊接完成后立即對返修焊縫及兩端原焊縫各200mm進行250℃保溫，保溫時間根據(jù)較厚側的母材厚度而定，為1.5h/25mm，最低保溫2h，焊縫保溫后緩冷。

（6）NDE無損檢測 返修完成后分別在24h和48h后使用和檢測原始焊縫相同的無損檢測方法進行。合格后也不能掉以輕心，因為冷裂紋具有延遲的特性，因此對于特別重要或者經常出現(xiàn)裂紋的結構返修焊縫，根據(jù)項目情況在完成1～2個月之后再一次進行復檢。

氣刨后坡口示意

表1 氣刨工藝參數(shù)

表2 返修焊接參數(shù)

4.結語

鉆井平臺吊機立柱承受平臺吊機日長作業(yè)產生的各類載荷，由于內部結構復雜、焊縫集中、施工空間較小，所以容易出現(xiàn)冷裂紋，一旦出現(xiàn)裂紋返修難度較大。

本文闡述了海洋工程鋼結構中冷裂紋出現(xiàn)的原因和控制措施，從源頭上杜絕裂紋的產生。然后從施工角度出發(fā)，列舉了在吊機立柱裂紋返修中的幾個關鍵步驟，尤其是對裂紋清除的方式和注意要點進行了詳細說明，保證能高質量的完成裂紋返修，以確保海洋結構件的安全。