水下干式焊接技術在導管架裂紋修復的研究

陳波++徐志毅++黃竹

摘 要：南海東部海域某平臺導管架水下結構ACFM檢測發現裂紋，其中兩道深度超過6.8 mm裂紋焊道擬采用局部干法水下焊接技術進行修復處理。該文簡介了水下焊接技術，通過焊接工藝規程評定、焊工認證、實體模型試驗、現場執行焊接等全面闡述了平臺導管架裂紋修復的工作流程和注意事項，希望能為今后導管架水下裂紋修復項目提供參考依據。

關鍵詞：裂紋 水下焊接 模型試驗

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0012-03

1 工程概況

南海東部海域某平臺在水下檢測過程中發現多條裂紋和缺陷，其中在N42-M676、N43-M481節點上的兩條疑似裂紋尺寸大，已超過允許打磨極限，且N42、N43節點異常復雜，與節點相連的空間桿件達7根之多，卡箍加強復雜且加強效果難以保證。在此困境下，通過專家討論，決定從國外引進水下局部干式焊接技術進行裂紋修復。

在此之前，水下焊接技術在我國固定平臺導管架主結構焊縫裂紋修復中沒有實際的應用案例，此次水下焊接技術應用是國內的首次嘗試。

2 水下焊接技術簡介

隨著海洋油氣資源大開發時代的到來，大量的海洋工程建設和維護工作需要先進的水下焊接技術作為支持。水下焊接技術已成為采油平臺、輸油管道和海底倉庫等大型海洋結構物組裝、維護及維修的關鍵所在。

水下焊接種類繁多，從工作環境上可以分為濕法焊接和干法焊接，其中干法水下焊接包括高壓干法水下焊接、常壓干法水下焊接和局部干法水下焊接等。以下就局部干法焊接技術以及在導管架裂紋維修方面的研究成果進行介紹。

2.1 局部干法水下焊接

無論是濕法或干法水下焊接，都由于其固有的不可克服的缺點，而極大影響了它們對日益復雜化的海洋結構的適用性。局部干法焊接是用氣體把正在焊接的局部區域的水人為地排開，形成一個較小的氣相區，使電弧在其中穩定燃燒的焊接法。由于它降低了水的有害影響，使焊接接頭質量比濕法焊接得到明顯改善。與其他干法焊接相比，無需大型昂貴的排水氣室，適應性明顯增大。它綜合了濕法和干法兩者的優點，是一種較先進的水下焊接方法，也是當前水下焊接研究的重點與方向。局部干法種類較多，日本提出了水簾式及鋼刷式，在美國和英國是干點式及氣罩式，而法國新近發展了一種旋罩式。

2.2 某平臺導管架焊縫裂紋擬采用的局部干法水下焊接技術

2.2.1 導管架焊縫裂紋缺陷顯示的描述

經ACFM檢測確定焊縫裂紋的位置和尺寸情況如圖1、圖2和表1所示。

2.2.2 水下焊接技術采用的標準和方法

依據規范標準：UNDERWATER WELDING CODE，AWS D3.6（2010）。

修補焊接方法：局部干式水下SMAW焊接技術。

根據平臺導管架擬修補焊縫的位置、尺寸大小和節點結構形式，定制一個排水氣室（Habitat），排水氣室包括帶有密封壓條和透明窗的外罩，內部加熱裝置，通氣和排水進出口閥門，多個焊條插入口。焊接時，將定制排水氣室安裝在指定位置上，利用綁扎帶、磁鐵等固定裝置系固，保證密封。用空氣將氣室內的水排出；然后，對排水氣室進行加熱、通風，使氣室內干燥度、預熱溫度達到焊接要求；潛水焊工按照WPS（Welding Procedure Specification，焊接工藝規程）參數要求開始實施焊接；焊接過程中的焊接參數、氣相環境的氣體成分和壓力由水面人員進行設定和監控，潛水焊工可根據水下實際情況，通過通氣閥作適當調整，或與水面人員溝通調整。潛水焊工在水中施焊是依次將焊條從預先設定好的插入口插入氣室內的氣相區一段一段地進行焊接，將焊縫連接起來。焊工可以通過排水氣室的透明窗進行焊接質量觀察，通過插入口，用特制打磨頭進行焊縫的打磨工作。

2.3 水下焊接技術實施方案的基本流程

水下焊接技術實施不僅僅包括水下焊接方法操作基本過程，還包括了大量的焊前準備工作和焊后處理工作，其基本流程可以歸納如下。

（1）焊接工藝規程評定和焊工認證。

（2）實體模型試驗。

（3）現場執行焊接。

2.3.1 焊接工藝規程評定和焊工認證

為了確保焊接操作順序、焊接質量，應按水下焊接AWS D3.6（2010）的要求，對焊接工藝進行評定和焊工認證。主要要求如下。

（1）試驗板材的選擇，AWS D3.6（2010）要求試驗板材的化學成分、機械性能和材料等級盡量與實際材料接近，但無論如何，碳含量和碳當量不能低于實際材料的碳含量和碳當量，這一點與AWS D1.1（2010）有較大的區別。

（2）制定PWPS焊接工藝參數應符合現場實際需求，工藝的覆蓋范圍，水深方面可以覆蓋±20 m。

（3）試驗樣板準備。采用兩塊鋼板拼裝焊接，按現場裂紋的實際需要決定做1G、2G、3G位置焊接，用于焊接返修的試驗樣板坡口開單面V，35°C～40°C可以接受。非全刨透返修的試驗樣板可以在背面加扁鐵（圖3）。

（4）在大的試驗水艙里，把排水氣室與試驗樣板安裝好，做好焊前的準備工作：排水、通氣、干燥、加熱。

（5）對試驗樣板按照批準的PWPS（初級焊接工藝規程）要求進行水下焊接（圖4）。

（6）焊接完成后按PWPS要求進行保溫、降溫后，才能拆除排水氣室，使焊縫浸水。

（7）對完成焊接的樣板按照AWS D3.6（2010）要求進行機械性能試驗。

①RT無損檢測；

②強度試驗；

③彎曲試驗；

④沖擊試驗；

⑤宏觀和硬度試驗（最大不超過HV10 325）。

（8）試驗結果符合標準要求后，提交焊接工藝評定報告（PQR）和焊接工藝規程（WPS）報第三方和業主審批。注意：AWS D3.6中2G位置全熔透（CJP）PQR僅能覆蓋2G，不能覆蓋1G，這點與AWS D1.1不同。

（9）焊工認證。按照PWPS完成焊接操作，結果合格的焊工獲得資格認證。注意：AWS D3.6中3G位置全熔透（CJP）焊接僅能覆蓋1G和3G，不能覆蓋2G，這點與AWS D1.1不同，AWS D1.1可以覆蓋1G、2G和3G。

2.3.2 實體模型試驗

為了確保潛水員（焊工、檢測人員）能做好水下焊縫修補的準備工作，需要熟悉焊接修理的操作過程。在真正執行水下焊接任務前，需要模擬現場實際情況進行實體模型試驗，即根據平臺導管架現場實際情況，按1∶1比例復制具有相同幾何尺寸和節點連接形式的局部導管架節點的結構模具，置于水池內進行水下焊接操作試驗。

進行水下焊接所用的焊接施工設備、輔助設備（通氣、加熱等）和排水氣室應利用實體模型試驗來驗證其具有良好的工作狀況，適用于預期的現場工作環境。

通過實體模型試驗，從裂紋缺陷打磨，焊前無損檢測，排水氣室安裝、排水、加熱，實施焊接操作，焊后保溫、降溫，直到焊后無損檢測，真實地模擬整個水下焊接操作過程，可以從中發現焊接過程中可能會出現的問題，幫助焊工進一步完善水下焊接工藝操作流程，以避免和應對這些問題的發生，提高水下焊接工作的質量和效率。

實體模型試驗的基本內容包括如下幾方面。

（1）按實際導管架幾何尺寸、結構連接形式制作結構模具（圖5）。

（2）節點排水氣室的設計、制作（圖6）。

（3）排水氣室在結構模具上的匹配、安裝、移除操作（圖7）。

（4）焊工水下焊接實操演練。

（5）水下NDT檢測實操演練。

2.3.3 現場執行焊接

在執行現場焊接修理工作前，應完成編制水下焊接工藝規程WPS、水下焊接工作程序、水下焊接檢驗試驗計劃（ITP）等程序文件，提交業主和第三方審核通過。水下潛水員（焊工、檢測人員）、現場（監督、水面檢測）人員、第三方驗船師應熟知水下焊接的工作流程要求，保證整個工作能按照預定操作程序一步步開展，并得到有效控制。

現場執行焊接的基本步驟如下。

（1）通過NDT檢測（ACFM）再次劃定裂紋缺陷范圍。

（2）通過第二種NDT檢測方法（水下ACMPI或DCMPI）確定裂紋的起始位置、形態、幾何尺寸，這一步非常必要，因為ACFM敏感性過強，易出現誤判，需要驗證。

（3）進行打磨前，應該先在裂紋兩端打止裂孔，以防裂紋的擴散。

（4）采用手工機械打磨清除裂紋，不允許用水下碳弧氣刨。打磨應沿深度方向逐層深入，邊磨邊ACFM檢查，直至裂紋完全被清除。

（5）確認打磨坡口的參數（坡口方向、角度、根部圓角等）符合WPS要求（圖8）。

（6）采用第二種NDT檢測（水下ACMPI或DCMPI）再次確認裂紋清除。

（7）清除海生物，準備排水氣室的安裝。

（8）利用綁扎帶和磁鐵安裝固定排水氣室，并檢查密封狀況。

（9）對排水氣室進行空氣加壓排水，檢查氣室的穩固性。

（10）按WPS預熱溫度要求執行加熱、通氣干燥。

（11）按WPS要求設定焊接參數，由水下潛水焊工完成焊接操作。

（12）記錄整個焊接操作參數、焊接預熱溫度、層間溫度和時間等數據。

（13）焊后保溫、降溫過程。完成焊接后，應保證氣室繼續密封，不能進水，并對氣室內持續保溫（125 ℃）4 h，然后，按預定降溫速度（50 ℃/h）降至50 ℃以下，方可拆除氣室進水。

（14）焊后表面NDT檢測，按照AWS D3.6（2010）中7.9章節的要求進行檢測。

（15）檢測合格后，對焊縫表面進行必要的打磨光順。

（16）最后，提交水下焊接修理、檢測報告。

3 結語

伴隨著海洋石油和天然氣工業的發展以及我國海洋工程向深海的挺進，水下焊接技術的應用將會越發廣泛、成熟和穩定。雖然最終這兩條疑似裂紋經過復檢和多次專家論證，確定是導管架制作過程中的焊接缺陷且擴展風險小，只需進行定期監控，未能最終實施水下局部干式焊接。但通過從頭開始就積極參與其中，查閱規范要求、各類水下焊接文獻和案例，在試驗過程和海上實施現場與執行水下焊接任務的外方專家進行溝通、交流和學習，對水下焊接設備、特殊焊條、輔助工具、焊接和檢測實施方案、水下焊接工作流程有了一個直觀而較全面的了解，為將來遇到類似復雜節點裂紋的維修提供了技術儲備。

參考文獻

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