淬火回火鋼在深海半潛式鉆井平臺中的應用

梁 創，周 佳，王 璞，劉華祥

（1.中國船級社湛江分社，廣東湛江 524005；2.708研究所，上海 200011；3.中國海洋石油總公司，北京 100016）

0 前 言

深海半潛式鉆井平臺已廣泛應用于水深 500m以上海域的深海油氣田開發。由于較長時間在固定海域作業，且要面對極端惡劣海況下的風、浪、流，為保障人員及設備安全，對平臺結構強度提出了極高要求。同時，考慮到平臺的經濟性，提供更大的可變載荷，因此對平臺結構普遍采用 36公斤級高強度鋼（σ0=355MPa ）。

由于半潛式鉆井平臺獨特的結構型式，在整體強度載荷傳遞路徑的關鍵部位應力，往往大大地超過普通高強度鋼的許用值。因此，在此類平臺上較多應用具有更高強度的超高強度淬火回火鋼（以下簡稱“超高強度鋼”）。表1是ABS船級社超高強度鋼機械性能，按照屈服限從Q43～Q70進行分級。

世界上主要船級社的規范將平臺結構劃分為次要構件、主要構件和特殊構件。作為關鍵部位載荷傳遞區域和應力集中處的結構，都被定為特殊構件。ABS船級社 MODU規范[1]對不同設計溫度條件下，按結構分類對鋼材級別的選用給出了明確的要求，如表2所示。

本文介紹的深海半潛式鉆井平臺工作水深3000m，為當前世界上最新型的第六代平臺。它是由雙下浮體、4立柱支撐箱形上船體，左右立柱之間由2根橫向撐桿連接所構成。上船體設雙層底、中間甲板、主甲板共分為4層；上船體中部設有月池開口并布置井架。

1 超高強度鋼應用

半潛式鉆井平臺在海浪中的載荷與平臺的裝載、海浪的波高、周期、相位以及浪向角都有著密切的關系。而且，平臺在全壽命使用過程中，這些因素有多種不同的組合狀態。進行平臺強度校核時，需要對平臺的多個裝載工況進行分析。其中波浪載荷，也由一系列波浪周期和不同入射波相位的組合，從中選取最危險的情況進行分析。

半潛式鉆井平臺典型的裝載工況有作業工況、生存工況和拖航工況。分別進行在靜水載荷和最大環境載荷條件下的總強度分析。根據規范要求，平臺呈現最大橫向受力狀態、最大扭轉狀態、最大縱向剪切狀態、甲板處縱向和橫向加速度最大狀態、最大垂向彎曲狀態。從中可獲得控制結構強度的橫向分離力、扭矩、縱向剪切力和垂向彎矩的極值。表3列出了由水動力分析，預報得到生存工況下設計波參數所對應的載荷極值。由表中數據可見，平臺所承受的總強度載荷是相當大的。

表1 ABS超高強度鋼機械性能

表2 ABS鋼級選用表

表3 生存工況設計波參數所對應的載荷極值

平臺下浮體、立柱、橫撐和上船體各自相對獨立，同時相互連接傳遞并承受環境及工作載荷。其中下浮體提供浮力和穩性，主要承載構件為外板、中縱艙壁及與立柱外板相連的橫艙壁。立柱在平臺整體結構中主要提供浮力和穩性，主要承載構件為立柱外板和中縱、中橫艙壁。橫撐主要承受橫向分離力及扭矩載荷。箱形上船體主要承載構件為井字形艙壁及雙層底和上甲板。其中主要承載艙壁如圖1所示。上船體艙壁上主要承擔縱向剪切力及扭矩。

圖1 上船體主要承載艙壁

對于柱穩式平臺，主要構件有立柱與上船體和下浮體交接部分的外殼板；組成箱形或者工字型支撐結構且承受主要集中載荷的上殼體或平臺的甲板板、艙壁、撐桿、立柱、上船體甲板、及上船體或下浮體連接處提供適當對齊和足夠載荷傳遞的“貫穿”構件。以上主要構件互相連接處等均被定義為特殊構件。

平臺結構高應力區往往出現在上述主要承載特殊構件的連接區域。根據生存工況下，平臺立柱與上船體連接處有限元計算，板格最大應力可達到460MPa。為滿足要求，在該處選用了56公斤級和70公斤級的超高強度鋼。

此外，由于平臺艙室設備及通道布置要求，不可避免地在載荷傳遞路徑的艙壁上開孔。例如：在上船體雙層底近立柱區域，有電纜和管系開孔。另外，主要艙壁上由于走道布置、電纜、管系或風道開孔。以上這些情況都會導致艙壁有效剪切面積的損失。為滿足強度要求，也局部地采用超高強度鋼。

上述高應力區域及超高強度鋼應用區域如圖2、3所示。

圖2 高應力區域應力分布

2 超高強度鋼焊接工藝

2.1 母材性能

平臺中所用超高強度鋼是從日本住友金屬工業株式會社進口。級別為ABS EQ56、EQ56 Z35、EQ70和EQ70 Z35，厚度從25.5mm至60mm不等，供貨狀態為淬火回火鋼（調質鋼），其化學成分見表4。主要力學性能：σs=671～732MPa，σb=728～767MPa（EQ56）；σs=765～798MPa，σb=795～829MPa（EQ70）。

圖3 超高強度鋼選用區域

表4 超高強度鋼（EQ56、EQ70）化學成分 %

根據表 4可知，母材的含碳量 C相對較低（0.12%～0.14%），但碳當量 Ceq比較高（0.55%～0.56%）。因此，可焊性相對于普通高強度鋼要差。研究表明，此類鋼的主要焊接特點是，在焊接熱影響區，特別是在焊接熱影響區的粗晶粒區常常會產生冷裂紋和韌性下降的趨勢[2]。因此，必須制定正確的焊接工藝，嚴格實施。

2．入庫文獻的選擇必須遵循完整性原則。不采用傳統語料庫建設中隨機擇句或擇段的方式選擇語料，不論文獻長短都進行全文收錄，確保古籍文獻的全貌；不要求語料庫規模和入庫語料追求“大而全”，反對不加選擇地簡單堆砌羅列所有文獻。

2.2 焊接工藝

根據超高強度鋼上述特性及焊接特點，采用了比較成熟、穩定的手工電弧焊（SMAW）焊接方法。并根據CCS《材料與焊接規范（2006）》[3]與AWS D1.1[4]的有關要求分別對不同母材、不同坡口型式、不同焊接位置等進行了焊接工藝評定，所有評定的焊接接頭的性能均滿足船級社規范[2]與AWS D1.1[4]的要求。以下就板厚為38mm，采用45°K型坡口，對接或T型接頭，橫焊或平焊，母材為EQ70超高強度鋼的焊接工藝作一介紹。

焊接材料：焊材是由美國Lincoln Smitweld B.V公司提供的CONARC 80，級別相當于AWS D1.1[4]A5.5 E11018M-H4。其化學成分見表 5。主要力學性能（常溫）：σs=764MPa，σb=820MPa。

預熱及層間溫度：最小預熱溫度：75℃，層間溫度 75～175℃；

緩冷措施：焊接結束后立刻進行 210～230℃保溫1h，然后進行空冷；

焊接參數：采用多層多道焊，具體參數見表6。

表5 焊材化學成分 %

表6 超高強度鋼（EQ70）焊接工藝參數

2.3 焊接現場

平臺所選用的超高強度鋼（EQ56、EQ70）板厚較大（28.5mm以上），且均位于平臺主要區域和特殊區域，結構復雜、焊接要求高、難度大。因此，為保證焊接質量，現場對該類鋼的焊接做如下特殊要求：

1)挑選焊接經驗比較豐富的焊工專門負責EQ56、EQ70鋼的焊接。焊工必須嚴格按照 AWS D1.1[4]第4章的要求進行考試，取得資質后方可進行焊接工作。

2)焊接場所附近張貼相應的焊接工藝，并由專門質檢員在現場監督施工，以防焊工違規操作。

3)所有 EQ56、EQ70鋼用色標標識，以防與其它材料相混誤用焊接工藝。

4)焊接現場搭建臨時擋雨棚，確保焊接工作連續完成，免受天氣影響。

3 超高強度鋼焊接裂紋控制及探傷

由于超高強度鋼可焊性較差，且焊后在熱影響區容易產生裂紋。因此，能否成功焊接這類鋼，焊接裂紋控制尤為關鍵。在焊接EQ56、EQ70鋼的實際操作中，除了嚴格按照批準的焊接工藝進行焊接外，采取一些必要的措施對控制裂紋的產生，能起到很好的效果。

3.1 焊接材料控制

焊接材料中的氫對產生冷裂紋的影響很大。含氫量越大，越容易產生裂紋。因此，在焊材使用上應選用低氫型或超低氫型焊條。CONARC 80屬于超低氫型焊條。該焊條采用真空包裝，使用前不需烘焙處理。焊條在使用前應做好記錄，當真空包裝打開后 4h焊條沒有用完，應放回烘焙箱，在370～430℃溫度下烘焙2h后方可使用。在使用中焊條應存放在低溫干燥的焊條保溫筒內，隨用隨取。再烘干的焊條在保溫筒內的時間不得超過4h。

3.2 焊接熱輸入控制

超高強度鋼焊接時，線能量應結合所要求的最高預熱溫度和層間溫度給予限制[3]。焊接熱輸入不僅影響焊接熱影響區的性能，也影響焊縫金屬的性能[2]。為控制好焊接線能量輸入不超過工藝要求的最大熱輸入量（見表6），在實際焊接中做了一些規定：不得采用大直徑焊條進行焊接（如禁止使用直徑5mm及以上的焊條）；焊接中采用多層小道焊接，不能采用橫向擺動的運條技術；采用小焊接電流并在焊接工藝范圍內適當提高焊接速度；在碳弧氣刨清根時嚴格控制熱輸入，清根后打磨清理氣刨表面后再施焊等等。

對比本例中，高強度鋼EH36相同焊接位置和采用相同焊接方法的焊接工藝，其焊接參數的焊接電流、電壓、線能量等（見表7），均大于焊接EQ56、EQ70時所用的焊接參數（見表6）。這也是為了控制焊接熱輸入而做了適當調整。

3.3 預熱及層間溫度控制

為防止冷裂紋的產生，焊前應對接頭進行預熱，同時也應防止過高的預熱溫度或層間溫度使焊接熱影響區的冷卻速度過于緩慢。為便于預熱溫度和層間溫度的控制在焊接工藝范圍內（見表6），保持預熱和焊道間溫度的穩定性，現場焊接中采用了電熱偶片進行加熱，（見圖 4）。由專人控制，并在其監督指揮下施焊，取得了很好的效果。

表7 高強度鋼（EH36）焊接工藝參數

圖4 電熱偶片預熱和層間溫度控制

3.4 緩冷措施

焊接結束后，立刻用電熱偶片對焊接接頭加熱至210～230℃，并保溫1h，然后用絕緣毯裹住緩慢冷卻至常溫。焊后采用緩冷措施主要是為了焊接接頭氫的充分擴散，對防止氫裂紋起了很大的作用。

3.5 焊縫外觀檢驗與探傷

焊縫外觀檢驗標準參照AWS D1.1[4]和DNV移動平臺規范[6]要求。對于探傷要求及評定標準，按照AWS D1.1[4]和美國船級社規范[5]的要求進行。值得指出的是根據 AWS D1.1[4]要求，對調質鋼的焊接，要求焊接接頭冷卻至常溫后48h才能進行探傷。但根據以往的經驗，有些調質鋼焊接接頭延遲裂紋出現得更晚，為了避免漏檢，對所有超高強度鋼EQ56、EQ70的焊縫均在冷卻后72h方可進行探傷。

4 結 語

綜上所述，深海半潛式鉆井平臺的設計中，為抵抗惡劣的環境載荷，確保平臺安全，在其主要承載構件上選用了超高強度鋼。

盡管超高強度鋼可焊性差，極易出現焊接裂紋，但只要有嚴格的焊接要求，采取一定的焊接裂紋控制措施，就能成功地焊接EQ56、EQ70鋼。對今后此類鋼材的焊接有一定借鑒意義。

此外，因平臺布置和功能要求，平臺主要艙壁關鍵區域布置有大量管線，導致結構集中開孔令結構強度損失較大。若能在設計早期階段將開孔區域進行合理的規劃與布局，也可有效控制超高強度鋼在平臺中的應用，從而降低生產成本，提高焊接質量。

[1] American Bureau of Shipping (ABS), Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units 2006, Part 3,Hull Construction and Equipment[S].

[2] 陳劍虹.焊接手冊第2版第2卷[M].機械工業出版社.

[3] 中國船級社焊接與材料規范(2006)[S].

[4] 美國鋼結構焊接規范 AWS D1.1(2006)[S].

[5] ABS Guide for Nondestructive Inspection of Hull Welds(2002)[S].

[6] Offshore Standard DNV-OS-C401 (2004), Ch.2 Sec.3.[S].