海上鉆井平臺樁腿焊接工藝評定與分析

靜 超，張文明

（沈陽大學，遼寧沈陽110044）

海上鉆井平臺樁腿焊接工藝評定與分析

靜 超，張文明

（沈陽大學，遼寧沈陽110044）

對鉆井平臺樁腿材料690MPa淬火+回火細晶類高強鋼的可焊性進行分析研究。擬定合理焊接工藝評定方案，通過工藝評定驗證其合理性。確定了一套嚴格的焊接工藝參數(shù)，主要包括：焊前預熱、道間溫度控制、焊接線能量控制、道間清理要求、焊后消氫、無損檢測等控制項目。

鉆井平臺樁腿；焊評工藝；焊接性；線能量；沖擊功

0 前言

鉆井平臺腿樁用于支撐體積和質(zhì)量龐大的采油船體，保證平臺的平穩(wěn)升降，是海上鉆井平臺的一個非常重要的部件。由于本鉆井平臺腿樁系采用S690QL1強度級別高達800 MPa的高強鋼材料組焊而成，其使用條件苛刻，制造技術(shù)要求嚴格，尤其在焊接方面必須通過焊接工藝評定，檢驗企業(yè)的焊接技術(shù)及管理是否有能力完成此項任務。

該焊接工藝評定采用造船行業(yè)的焊接工藝評定標準即AWS D1.1及美國船級社ABS標準。評定涉及材料系高強調(diào)質(zhì)鋼，要求焊接接頭的低溫沖擊功高于母材標準要求值。

1 焊接工藝評定依據(jù)及要求

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品采用長8m、厚188mm鋸齒板與四根長4m、厚82.5 mm的半圓管焊接而成，焊接坡口示意如圖1和圖2所示。

圖1 產(chǎn)品坡口Fig.1Welding groove

1.2 焊接工藝評定項目

1.2.1 評定依據(jù)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及有關(guān)規(guī)范要求，提出兩項評定項目。評定按AWS D1.1及ABS標準執(zhí)行。一是針對半圓管與鋸齒板的焊接，編號為1#；二是針對半圓管之間的焊接，編號為2#。其接頭坡口簡圖如圖3

和圖4所示。

圖2 產(chǎn)品坡口Fig.2Welding groove

圖3 1#焊評坡口示意Fig.31#welding groove

圖4 2#焊評坡口Fig.42#welding groove

1.2.2 評定用材料

評定用材料與產(chǎn)品用材料相同。其中鋸齒板為δ188 mm的DILLIMAX 690E，半圓管為δ82.5 mm的 Aldu700QL1，根據(jù)焊接評定計劃書規(guī)定的檢驗要求，確定1#試板尺寸為δ188.8 mm×1 200 mm×150 mm鋸齒板與δ50 mm×1200mm×150mm半圓管相焊，2#試板尺寸δ50 mm×600 mm×300 mm。焊接材料采用林肯電子生產(chǎn)的CONARC 80，符合AWS E11018-M。

1.2.3 焊接要求

為滿足生產(chǎn)需要，1#評定試板第一層焊接的焊接位置為橫焊，第二層～蓋面焊層全部在平焊位置焊接；2#試板焊接位置為立焊。焊接預熱溫度及層間溫度為120℃～220℃，焊后爐內(nèi)消氫溫度200℃/2 h，預熱必須采用電加熱[1]。

1.2.4 檢驗及驗收要求

試件焊接完成并消氫出爐48 h后，需進行外觀檢驗和UT無損檢測。以上檢測合格后，方可加工試樣進行力學性能檢測，試件的力學性能檢測項目及驗收要求見表1，取樣位評定按AWS D1.1及ABS標準要求具體位置取樣。

表1 力學性能檢測項目Tab.1Mechanical property test item

2 焊接工藝方案

2.1 焊接工藝設計

由于樁腿項目和焊接評定試驗采用的材料均為德國標準690QL1淬火+回火細晶類高強鋼，成功焊接這類鋼的關(guān)鍵是控制焊后冷卻速度，即焊接接頭從800℃～500℃的冷卻時間。焊接研究和生產(chǎn)實踐證明，當t8/5過長，焊接時若線能量過大，高溫停留時間長引起奧氏體晶粒粗大，形成上貝氏體、M-A組元而引起HAZ脆化，HAZ沖擊性能下降，尤其是HAZ過熱區(qū)。所以焊接此類材料宜采用較小的焊接線能量。同時t8/5又不能過短，否則易導致淬硬裂紋，雖然690QL1鋼含碳量較低，但這類鋼在低碳鋼的基礎上加入了提高淬透性的合金元素易形成低碳馬氏體和上貝氏體的混合組織，冷裂傾向比較大。同時結(jié)構(gòu)剛性大，焊接時易產(chǎn)生較大的焊接應力，這些都增加了焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的幾率，

特別是產(chǎn)生氫致延遲裂紋，所以必須采取焊前預熱和層間溫度控制的工藝措施，以確保t8/5。鋼廠推薦的t8/5為10～20 s，EN 1011-2推薦t8/5為5～15 s[1-4]①Dillinger Hutte GTS.Dillimax 690 and 890-High strength fine grained structural steels,Material Data Sheet,Edition April 2003,2003.。

2.2 工藝方案的制定

根據(jù)鋼廠材料生產(chǎn)制造指南、焊材廠提供的CCT曲線、EN 1011-2推薦t8/5和板材厚度確定了一套溫度控制方案，結(jié)合焊材的工藝性能編制焊接工藝評定方案。其要點如下：

（1）焊前（包括點焊）預熱溫度120℃～180℃，道間溫度120℃～200℃，焊后立即進行消氫處理。考慮到評定試件相對產(chǎn)品來說拒束度小，控制溫度時應偏下限。

（2）焊接時嚴格按照要求焊接工藝執(zhí)行。1#試板首層采用φ3.2mm焊條打底（保證焊透），第二層采用φ4.0mm焊條單道施焊，第三層采用φ3.2 mm分道焊接，第四層采用φ4.0 mm焊條分道焊接。φ3.2mm焊條焊接電流為120～130A，φ4.0mm焊條焊接電流最大為170 A，焊接速度135～200 mm/min。焊接電壓24～26 V，盡量壓低電弧施焊，電弧擺動寬度不得超過焊芯直徑2.5倍。2#試板全部采用φ3.2 mm焊條施焊，焊接電流110～120 A，電壓22～ 26 V，焊接速度不得小于100 mm/min，盡量采用連續(xù)焊。盡量做到不擺動焊，擺動寬度不得超過焊芯直徑2.5倍[1，4]。

每塊試板進行第一層打底焊時，接頭部位必須打磨，確保接頭質(zhì)量，保證背面熔合良好。每塊試板盡量做到每道焊縫厚度不超過3 mm，焊接層數(shù)不低于17層。每層焊接完后，用砂輪打磨焊道清渣。

3 焊接工藝評定實施

根據(jù)焊接工藝方案的要求，實施焊接工藝評定工作，主要包括如下幾方面。

3.1 下料與試件制備

試板預熱80℃～90℃后切割進行加工[1]。半圓管將厚度加工到規(guī)定厚度后，先進行超聲波檢測。半圓管重點檢測距原坡口50 mm范圍母材缺陷；鋸齒板兩側(cè)60 mm區(qū)域進行超聲波檢測。當鋸齒板加工坡口時，坡口加工側(cè)至少應切削加工掉25 mm。嚴格按圖紙規(guī)定加工試板坡口尺寸。

3.2 試件的焊接

評定試件焊接的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 評定試件焊接參數(shù)Tab.2Actual data record of welding Sspecimen

4 理化檢測

經(jīng)焊后UT無損檢測后，根據(jù)ABS標準規(guī)定的試樣尺寸加工所需拉伸、沖擊、側(cè)彎及金相硬度試驗的試樣。兩塊試板理化檢測結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

（1）通過上述評定試驗，初步掌握了690QL1淬火+回火細晶類高強鋼的焊接性，在本試驗條件下，預熱溫度120℃～180℃，道間溫度120℃～200℃，t8/5為5～20 s，焊后立即進行200℃/2 h消氫處理，焊接接頭機械性能和-37℃沖擊功完全滿足工程標準的要求。

（2）1#評定平焊位置焊接線能量小于2#評定立焊位置焊接線能量，而沖擊數(shù)據(jù)得出1#評定沖擊性能好于2#評定。

（3）首次按AWS D1.1及美國船級社ABS標準進行焊接工藝評定，初步了解和掌握本標準焊接工藝評定程序，為完成美國海上石油鉆井平臺的樁腿項目的焊接提供了保證。

[1]湯鎖庚.淬火回火高強度結(jié)構(gòu)鋼及其焊接[J].綠洲科技，

2000（1）：1-5.

[2]張國九，周昭偉，蔡宏彬.T-1、StE690和Wel-ten80c鋼焊接過熱區(qū)精細結(jié)構(gòu)及對性能的影響[J].焊接學報，1992，13（1）：16-23.

[3]Ismar Hajro，Dipl.ing.ASSESSMENT OF QT STEEL'S WELDED JOINT TOUGHNESS BASED ON REAL AND SIMULATED SPECIMENS[C].Turkey：TMT 2013.

[4]EN 1011-2.Welding-Recommendations for welding of metallic ma terials.Arc welding of ferritic steels[S].European Committee for Standardization，2004.

Welding procedure qualification and analysis of offshore drilling platform leg

JING Chao，ZHANG Wenming
（Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The drilling platformleg material690 MPa highstrength fine grained structuralsteelsweldabilityhadbeen analyzed.To formulate reasonable welding procedure specification plan，the procedure qualification would verify its rationality.Determined a set of strict welding process parameters，including preheating before welding，the inter-pass temperature control，welding heat input control，gouging method requirements，ahydrogeneliminationafterwelding，NDTetc.Controlproject.

drilling platform leg；welding process；weldability；weld heat input；impact

表3 力學性能檢測記錄Tab.3Record of mechanical test

TG406

A

1001-2303（2016）08-0048-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.11

2016-04-28；

2016-07-17

靜超（1988—），男，滿族，遼寧錦州人，在讀碩士，主要從事焊接技術(shù)及自動化的研究。