單點系泊內塔結構焊接修復質量關鍵因素控制

王久民

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

單點系泊內塔結構焊接修復質量關鍵因素控制

王久民

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

為了保證單點系泊內塔結構的修復質量，通過選取優秀焊工，合理安排返修順序，嚴格控制預熱溫度、層間溫度、熱輸入量等焊接參數，對內塔返修焊接過程中的組對檢驗、過程監控、焊后外觀檢驗等環節進行了一系列有效的質量控制活動，使缺陷焊道得到成功修復并檢驗合格。修復結果表明，嚴格的質量控制措施，是保證內塔結構成功修復的關鍵因素。

預熱溫度；過程監控；焊接熱輸入；外觀檢驗

0　前言

中海油某海域塔筒結構是單點系泊浮筒的受力構件，起著連接FPSO（浮式儲卸油裝置）和單點基座的作用，常年承受大風、涌浪等循環載荷的作用，工作環境相對苛刻。塔筒安裝失敗以后，經檢測，環縫出現多處裂紋等缺陷。此時，在最短的時間內，做好焊道返修，使其焊接質量之關鍵因素得到有效控制，確保內塔結構焊接返修質量，從而保證該油田年度產量，成為一項緊迫的任務。

1　焊道缺陷狀況

該單點系泊塔筒結構總長約31 000 mm，其中塔筒上段直徑3 070 mm，長約21 600 mm，下段直徑3 570 mm，長約9 000 mm，中段有一長1 350 mm的錐形過渡，將上下兩段筒體進行連接。塔筒板材最薄處為30 mm，最厚處達75 mm，由11道環焊縫連接而成，如圖1所示。

經無損檢測人員對內塔環縫進行超聲波（UT）檢測，共發現8道環縫存在超標顯示，如表1所示，焊道編號從上到下依次為21、19、18、16、13、03、02、01，缺陷長度總計7 945 mm。其中，02號為缺陷最嚴重的一道焊口，缺陷長度達3 480 mm，幾乎占到整條焊道周長的1/3。

圖1　單點塔筒示意

表1　焊道編號及對應的缺陷長度

2　焊道返修過程質量關鍵因素控制

2.1返修焊工的選取及評定

由于焊道返修是修復塔筒結構的最后一道屏障，修復失敗則意味著該結構有可能廢棄，從而帶來巨大經濟損失。因此，選取了10名焊接技能高超、業務水平熟練的焊工，參加此次內塔返修焊工考試，他們全部都是有10年以上工作經驗的技師或高級技師。經過焊前培訓和考試，并對焊接考試件進行超聲波（UT）測試，10名焊工的焊接件全部合格。質量控制員見證了該10名焊工的焊接評定過程，焊工評定試驗件如圖2所示。

圖2　焊工評定試驗件

2.2返修焊接順序的控制

根據缺陷分布狀況及塔筒結構特點，決定采取從上到下，由簡入難的步驟，先選擇缺陷較少、容易返修的21號焊口進行返修，發現問題后，可以立即采取措施，糾正返修方案，從而為后續缺陷嚴重的焊縫返修積累經驗。此外，焊接工程師可以根據現場返修情況，適當調整返修順序。

對于缺陷長度超過500 mm的返修焊縫，為了保證修復質量和人員安全，制定了如圖3所示的坡口填充順序。

注：a.按照箭頭方向進行焊接；b.填充順序1～11；c.每部分長度200～400 mm；d.此方法用于長度大于500 mm的坡口填充。圖3　坡口填充順序

2.3返修環境要求

為了保障一個良好的焊接環境，作業區周圍需要搭建帆布防風帳篷，如圖4所示。其目的是：一防止焊縫區產生氣孔和電弧偏吹，二使焊縫在預熱后及焊接過程中緩慢冷卻，保證得到良好性能的焊縫組織[1]。

圖4　內塔頂部用于擋風的帆布帳篷

2.4控制缺陷清除

一般采用碳弧氣刨的方式去除焊縫缺陷。在氣刨之前，首先要對缺陷處的焊縫進行預熱，因為碳弧氣刨作業時會產生大量的熱量，預熱的目的是避免焊縫溫度變化過快，產生淬硬組織。預熱采用電阻加熱片，加熱片要將缺陷部位完全覆蓋，以保證均勻加熱[2]。當預熱溫度達到約110℃時，質量控制人員要用測溫儀確認并記錄，然后通知焊工立即進行氣刨。

如圖5所示，焊工每刨一層，都需仔細觀察，發現缺陷后，質量控制人員要用放大鏡等工具觀察缺陷類型、大小并拍照記錄。通常質量控制人員應要求焊工氣刨至缺陷深度以下2～3 mm，以保證缺陷完全去除，為保證焊接方便，不宜刨透。

由于碳弧氣刨會對焊縫產生一定的滲碳作用，在刨削面形成硬化層，增加返修區域的碳含量，使焊接性變差，因此，氣刨完成以后，質量控制員會要求焊工用砂輪機將氣刨區域進行打磨，以去除滲碳層，并將打磨區域圓滑過渡，直至露出金屬光澤，如圖6所示。待該區域冷卻至環境溫度以后，采用磁粉檢驗（MT）的方式，確認返修區域表面缺陷徹底清除干凈。

圖5　碳弧氣刨發現的氣孔

圖6　焊縫缺陷和滲碳層去除以后，露出金屬光澤

2.5缺陷產生的原因

通過統計，本次返修焊道氣刨出的缺陷主要以橫向裂紋、氣孔和夾渣為主。焊材未烘干或者焊接區域存在油污、油漆、鐵銹、水等污物時，極易造成氫致裂紋和氣孔；焊工運條方法不當或者層間清理不夠充分，極易造成夾渣[3]。因此，焊工的技能不足或者責任心較差，很有可能是造成焊縫產生缺陷的原因。

2.6焊接方法及焊材

為了保證修復質量，又考慮到可操作性，本次焊接返修采用手工電弧焊（SMAW），填充金屬使用堿性低氫焊條E7018-1，焊接參數如表2所示。采用多層多道焊接，前一層對后一層起到預熱作用，后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區的組織，有效防止產生冷裂紋。

表2　返修焊接參數

根據廠家建議，焊條拆封以后，焊接作業過程中，焊工應將開封的低氫焊條放入保溫桶內，保溫桶內的溫度不應低于80℃。這樣做的目的是防止焊條受潮，保證焊條內低的氫含量。如圖7所示，質量控制員應檢查焊工隨身攜帶的焊條保溫桶內的溫度。

圖7　低氫焊條的保溫監控

超過4 h未使用的焊條，應當放入350℃～400℃的烘箱內烘焙1 h，才能再次使用。質量控制員也應檢查烘箱內焊條烘焙的溫度，如圖8所示。

圖8　低氫焊條的烘焙監控

2.7焊接返修

2.7.1控制預熱溫度

返修焊接前，需要預熱焊接區域，其作用主要有三點[4]：

（1）預熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋，同時也減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。

（2）預熱可降低焊接應力。均勻地局部預熱或整體預熱，可以減少焊接區域被焊工件之間的溫度差（也稱為溫度梯度）。一方面降低了焊接應力，另一方面降低了焊接應變速率，有利于避免產生焊接裂紋。

（3）預熱可以降低焊接結構的拘束度，對降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預熱溫度的提高，裂紋發生率下降。

為了保證焊接質量，決定采用電阻加熱片的方式進行預熱，如圖9所示。相對于燃氣烤把加熱，其優點是工件受熱均勻，溫度維持效果好。

圖9　電阻加熱片

焊縫周圍至少75 mm進行預熱，溫度達到以110℃以上。如圖10所示，質量控制員要使用紅外線測溫儀進行測試和確認，達到該溫度后，方可進行焊接。

圖10　使用紅外線測溫儀檢查預熱溫度

2.7.2控制層間溫度

層間溫度也是需要控制的焊接參數，層間溫度過高會引起熱影響區晶粒粗大，使焊縫強度及低溫沖擊韌性下降。如低于預熱溫度則可能在焊接過程中產生裂紋。因此規定層間溫度不得低于預熱溫度，最高不得大于某一界線的溫度。由于塔筒材質為D36（TMCP），屬于普通碳鋼，因此層間溫度最高不超過250℃。

焊工作業過程中，質量控制員要手持紅外線測溫槍，隨時監控層間溫度，發現溫度低于預熱溫度時，應要求焊工立即停止焊接作業，待溫度升至WPS（焊接工藝規程）要求的預熱溫度以上時才能繼續焊接；發現溫度高于250℃時要求焊工立即停止焊接，待溫度下降以后再繼續焊接，同時可以要求切斷加熱片電源，以防止溫度上升過快。

2.7.3控制焊接熱輸入

焊接過程中，焊接電流、電壓是需要關注的重要參數，因為它們決定了焊縫的熱輸入量。熱輸入過大，則熔敷金屬中的合金元素燒損較為嚴重，同時也使奧氏體晶粒粗大，焊縫強度和沖擊韌性就會降低，構件變形也會加大；熱輸入量過小，則熔敷金屬冷卻速度過快，易產生淬硬的馬氏體組織，從而產生冷裂紋。如圖11、圖12所示，每隔約20 min，質量控制員要使用鉗形電流表對焊接電流、電壓進行測試、監控和記錄，對于超出WPS范圍的數值，要及時糾正。

圖11　監控焊接電流

圖12　監控焊接電壓

2.7.4焊后緩冷監控

焊接修復完成以后，應使用保溫棉將修復焊道進行包裹，以使其緩慢冷卻至環境溫度。質量控制員應檢查保溫棉覆蓋范圍是否充分，分布是否均勻等。

3　最終檢驗

焊道返修完畢后，要求焊工用砂輪機將焊道表面打磨平整并圓滑過渡，去除藥皮、焊渣、鐵銹等污物。質量控制員依據AWS D1.1規范檢查焊道外觀，確認焊道外觀合格后，待48 h以后進行NDT檢驗。

檢驗結果表明，該內塔所有返修焊道外觀檢驗及NDT檢驗一次合格率均達到100％。

4　結論

（1）返修焊接開始前，質量控制員要檢查返修順序、防風情況、焊材焊機準備情況以及缺陷清除過程，保證它們能滿足相關檢驗標準要求。

（2）返修焊接過程中，質量控制員要監控并記錄預熱溫度、層間溫度、焊接電流、電壓等焊接參數，并嚴格控制在WPS允許范圍內。

（3）返修工作需要選取焊接技能熟練，責任心強的焊工進行焊接作業，以保證焊接修復質量。

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Key factors control of structural welding repair quality for the fixed tower sigle point mooring（SPM）

WANG Jiumin
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

To insure the repair quality for the Fixed Tower SPM，by way of choosing high skilled welders，strictly controlling the welding parameters such as preheating temperature，pass temperature and heat input，a series of effective quality control activities are conducted for the links such as fitting up inspection，process monitoring and visual inspection for the Fixed Tower repair welding work，then all the defective welds are repaired successfully and pass inspection.The repair result shows that the strict quality control measures are the key factors to get a successful repair work for the fixed tower structure.

preheating temperature；process monitoring；welding heat input；visual inspection

TG405

A

1001－2303（2016）05－0109-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.24

2015－10－18；

2015－12－20

王久民（1962—），男，天津人，工程師，主要從事海洋采油平臺鋼結構質量控制方面的研究工作。