FPSO立管平臺支撐焊接裂紋修復

衣東旭

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

0 引 言

21世紀是海洋資源開發的新世紀，世界各國把開發海洋、發展海洋經濟和海洋產業作為國家發展的戰略目標[1]。浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)作為當今海洋油氣開發的主流裝置，已經被越來越多的石油公司所采用，是集人員居住與生產指揮系統于一體的綜合性大型海上油氣生產基地[2]。立管平臺作為FPSO的重要結構，其支撐的焊接是質量控制的難點和重點。

1 工程實例

某300 000噸級FPSO項目立管平臺支撐，其結構如圖1所示。

圖1 立管平臺支撐

支撐為一長達5 m的三角板，厚度為37.5 mm，其材質為船用低合金高強度鋼DH36。該材料具有良好的強度和韌性[3]，其母材化學成分如表1所示，碳當量Ceq為0.339%，焊接性能較好。

表1 DH36母材化學成分 %

焊接方法采用氣體保護藥芯焊絲電弧焊(Gas Shielded Flux-Cored Arc Welding,FCAW-G)，焊材采用TWE-711Ni焊絲，接頭采用K形坡口，預熱溫度為65 ℃。具體的焊接工藝參數如表2所示。

表2 TWE-711Ni焊絲焊接工藝參數

在焊接完成48 h后進行超聲探傷(Ultrasonic Testing,UT)時，發現焊道存在較多的橫向裂紋，裂紋大量分布，主要集中在根部，有很多已經擴展。焊道打磨后磁力探傷(Magnetic Testing,MT)所顯示的內部宏觀裂紋照片如圖2所示。由于大量裂紋的產生，嚴重影響了項目進度。

圖2 焊道內部宏觀裂紋

2 焊接裂紋產生原因分析

焊接裂紋主要分為：熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋。綜合考慮這3種裂紋的特點，可以判定立管平臺支撐的根部裂紋屬于冷裂紋，這種裂紋主要發生在含氫量高、預熱溫度不足的情況下，起源于焊縫根部應力集中最大的部位[4]。冷裂紋的形成主要有3個因素：鋼的脆硬性、擴散氫和拘束應力，3個因素的綜合作用導致冷裂紋的產生。不同的鋼種，這3個因素的作用程度是不同的[5]。

對于立管平臺支撐，其母材為DH36，屬于常用的船用高強度鋼，而且其厚度較大，脆硬傾向較高，比較容易產生冷裂紋。預熱方式的不足加劇接頭的脆硬傾向，焊接時采用氧乙炔火焰方式進行預熱，火焰預熱只能在鋼板表面比較淺的區域加熱[6]，表面溫度雖然達到要求，但內部溫度仍有可能低于預熱溫度，況且由于是冬季施工，加之立管平臺較長，預熱之后還沒有來得及焊接就容易冷卻，導致實際焊接時接頭溫度較低。

裝配導致產生較大的拘束應力。立管平臺支撐裝配時不僅需要與船體上支撐型鋼腹板中心對齊，而且需要與上部立管平臺預留槽對齊，由于船體支撐型鋼和上部立管平臺預留槽存在預制誤差，同時滿足上述兩個要求使得立管平臺支撐的安裝存在一定的難度。因此，安裝時在誤差允許的范圍內會對支撐板施加一定的外力，導致支撐有一定程度的彎曲，安裝后接頭存在較大的拘束應力。在焊接時，一旦拘束應力超過臨界拘束應力，就會產生裂紋，尤其是在根部區域；在焊接中斷時，接頭溫度冷卻到預熱溫度以下，在較大的拘束應力下較易產生裂紋。為了避免此類較大的應力集中，控制船體的建造誤差十分關鍵，在前期船體建造時就需要嚴格控制裝配誤差，后期的立管平臺建造也需要控制誤差，盡可能減少累計誤差帶來的裝配難度。

施工時正值冬季，施工地點潮氣較大，預熱不到位，加上焊后沒有消氫處理，導致擴散氫不能夠充分溢出，加劇裂紋的產生。

3 修復方案確定

基于上述裂紋產生原因的分析，從改善接頭應力、焊材選擇、焊后消氫處理等方面制訂下列裂紋修復措施。

3.1 缺陷清除

缺陷清除采用碳弧氣刨和打磨的方式，注意氣刨前，應對氣刨區域進行預熱，預熱溫度同焊接預熱溫度相同。裂紋清除應由距裂紋末端最少50 mm處開始，如圖3所示。氣刨過程中需要觀察原始焊縫的缺陷是否清除，直至缺陷清除后方可停止氣刨，打磨完成后采用干法MT對氣刨、打磨后的坡口進行檢驗，確保裂紋已完全去除。在焊接以前，須確保去除MT遺留的磁粉、油污、滲碳層等雜物，保持坡口的干凈。

圖3 清除缺陷坡口形狀

3.2 焊材選擇及焊接工藝參數

焊材選擇焊接接頭力學性能優于TWE-711Ni的DW-A55L焊絲[7]，其具體的焊接工藝參數如表3所示。尤其需要注意焊接速度，擺寬控制在16 mm以內，焊道厚度控制在單層3.5 mm左右。須注意焊道根部成形，必要時可使用小直徑套筒以改善根部成形。

表3 DW-A55L焊絲焊接工藝參數

3.3 預 熱

為了有效地改善焊接接頭的應力狀態，降低脆硬傾向，確保擴散氫的溢出，將預熱溫度從65 ℃提高至110 ℃，整個焊接過程需要保持接頭溫度不低于預熱溫度。為了取得較好的效果，整個過程需要采用電加熱的方式，將熱電偶布置在坡口邊緣25 mm位置，并需要做好溫度記錄。

3.4 焊接中斷

由于立管平臺支撐較長，必須合理安排焊接施工人力，采用輪班制盡力當日完成焊接工作，避免焊接中斷。對于焊接中斷的返修焊縫，必須在焊接完成至少2/3厚度才可以中斷。對于中斷焊縫，應采取保溫措施，保溫溫度不低于預熱溫度。保溫加熱方式與第3.3節相同。

3.5 焊后消氫處理

焊接完成后需要對焊縫加熱至200～250 ℃、保溫1～2 h再進行消氫處理，消氫處理完成后，緩慢冷卻，注意整個后熱保溫及緩冷過程均需要使用保溫棉對返修區域進行覆蓋。保溫加熱方式與第3.3節相同。

3.6 其他質量控制措施

為了保證返修措施的嚴格執行，在返修過程中必須做好其他一些質量控制措施。

(1) 嚴格進行層間清理，對收弧和起弧點進行打磨，接頭不允許存在油污、水分等影響焊接的雜質存在。

(2) 做好焊材的防護以免受潮，合理安排工作，不允許使用隔夜焊絲。

(3) 安排檢驗人員加強對焊接、預熱、焊接中斷保溫、焊后后熱保溫的檢查，做好焊接參數、各項溫度的記錄，確保各執行環節符合要求。

4 結 論

焊接修復后的立管平臺支撐在焊接完成48 h后進行UT，沒有發現裂紋及其他缺陷，成功地進行了修復。通過對焊接裂紋產生原因的分析，結合實際情況，建議此類船體結構建造時嚴格控制好誤差，可以減少裝配難度和接頭應力集中，在較大程度上有效減少后期焊接裂紋問題的發生。