海洋平臺樁管自動焊工藝研究與應(yīng)用

劉 劍 ，牛虎理 ，張世杰 ，何亞章 ，張?zhí)锢?，吳金明

1.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.北京興油工程項目管理有限公司，北京 100083

隨著我國海洋油氣的不斷開發(fā)，海洋石油平臺建造安裝量逐年遞增，其中樁管的焊接是平臺導(dǎo)管架安裝建造中關(guān)鍵的部分[1]。樁管焊接具有以下特點：樁管的管徑達到800～2 200 mm，壁厚25～60 mm；大角度的坡口形式，坡口上部為30°、下部為15°；樁管有10°左右的傾斜，不利于焊縫成形[2]。平臺樁管焊接經(jīng)歷了從手工焊條電弧焊（SMAW） 到半自動氣保護（FCAW-G）焊接方法的變換，但由于樁管焊接量大，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，人工勞動強度大，因而往往引起焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，焊接效率低[3]。

中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司2005年開發(fā)了工業(yè)化樁管自動焊設(shè)備及其配套的自保護焊接工藝，并在海南24井上進行了現(xiàn)場焊接試驗[4]，其性能基本滿足海上施工要求。但由于自保護藥芯焊接方法（FCAW-S）存在著焊接質(zhì)量穩(wěn)定性不夠和焊后接頭處理時間長的問題，因此該方法應(yīng)用場合越來越少。本文基于樁管施工作業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)要求，提出了以藥芯焊絲氣保護焊接為核心，采用樁管2G對接的自動焊設(shè)備及配套的工藝技術(shù)，開發(fā)出高效穩(wěn)定的自動焊工藝的設(shè)計思路，并付諸于實施。試驗證明，采用該技術(shù)提高了焊接質(zhì)量和效率，縮短了施工周期，適應(yīng)了海上作業(yè)快速、高效的施工要求[5]。

1 樁管自動焊設(shè)備

樁管自動焊設(shè)備如圖1所示，主要由軌道、行走機構(gòu)、焊接執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成。樁管自動焊設(shè)備整體采用模塊化設(shè)計，相對輕便，模塊化結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)海上施工的便捷操作。樁管自動焊設(shè)備的機頭由模塊化的行走機構(gòu)和焊接執(zhí)行機構(gòu)組成，二者可以快速組裝和拆卸，改變了以往樁管自動焊設(shè)備依托輪進行定位致使安裝過程中存在定位調(diào)節(jié)難的問題，提高了定位精度。

圖1 樁管自動焊設(shè)備

按照模塊化、輕量化及滿足海上大量使用的思路進行設(shè)備開發(fā)，新開發(fā)的樁管自動焊設(shè)備具有以下兩個優(yōu)勢：其一，采用自保護焊接方式，具有較高的焊接質(zhì)量；其二，采取模塊化的結(jié)構(gòu)，設(shè)備相對輕便，便于海上施工的快速裝卡和撤離。

2 焊接工藝開發(fā)

2.1 焊接性分析

本文針對埕海油田某平臺的樁管進行焊接試驗，摸索焊接工藝參數(shù)。樁管材質(zhì)為DH36，屬于低合金船用鋼，依據(jù)標準對船用鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能進行復(fù)驗，實測化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 DH36船用鋼化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù) 單位：%

表2 DH36船用鋼力學(xué)性能

對管材復(fù)驗的化學(xué)成分進行統(tǒng)計，根據(jù)美國金屬學(xué)會提出的碳當量計算公式，進行DH36船用鋼的碳當量計算，分析鋼材的塑性、淬硬傾向和冷裂紋傾向，并為后續(xù)的焊接提出相應(yīng)的減少焊接應(yīng)力和防止開裂的技術(shù)措施。美國金屬學(xué)會的碳當量公式為：

碳當量計算結(jié)果CE=0.393＜0.4，因此DH36的碳當量不高，淬硬傾向不大，冷裂傾向較小；對于厚度較高的船用鋼焊接，適宜采用較小的熱輸入，控制結(jié)晶速度，保證接頭韌性[6]。由于樁管在海洋潮濕環(huán)境中焊接，有可能產(chǎn)生氫致裂紋，焊接時還需要從焊接工藝、焊接選材等方面控制焊接接頭的硬度和擴散氫含量。

2.2 焊接坡口設(shè)計

坡口的確定原則是既要保證充分的熔透，又要盡可能減少熔敷量，并力求使接頭變形為最小。樁管的管徑達到800～2 200 mm，壁厚25～60 mm，而且樁管具有10°的傾斜，所以坡口形式需有利于焊縫成形[7]。為了進一步減少熔敷量，減少熔敷的焊道數(shù)量，提高焊接效率，降低焊接接頭的應(yīng)力和變形，提高接頭的抗裂性，因此采用上部30°、下部15°的坡口形式，即采用單面V型坡口，角度為45°，如圖2所示。

圖2 坡口示意

2.3 焊接工藝試驗

依照等強度匹配基本原則、低溫韌性需求和相關(guān)技術(shù)要求，選擇焊接材料進行焊接試驗。海上施工常用的SMAW+FCAW-G焊接方法，焊接材料選擇E7016+E71T-1C-J組合，有效地保證了打底焊接質(zhì)量和填充焊接效率，焊接接頭性能能夠滿足質(zhì)量要求。根據(jù)樁管材質(zhì)、坡口形式、焊材性能，針對性制定了樁管預(yù)焊接工藝規(guī)程，開展焊接工藝試驗，為形成適用于樁管自動焊設(shè)備的焊接工藝提供依據(jù)。按照AWSD1.1M-2020的要求，板材焊評可以替代管材焊評。此次試驗材料選擇規(guī)格700 mm×300mm×25 mm的DH36船用鋼板。設(shè)計45°坡口，采用手工焊+自動焊的焊接方法，進行2G位置的焊接。此次焊接工藝開發(fā)試驗過程由中國船級社全程見證。經(jīng)過一系列焊接工藝參數(shù)摸索試驗，得到了如表3所示的典型的焊接工藝參數(shù)。

表3 焊接工藝參數(shù)

2.4 焊接工藝評定

試件焊接完成后，全部進行了無損檢測，包括外觀檢查、X射線和超聲波檢測。結(jié)果表明，焊縫無裂紋、未熔、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷，滿足標準要求。焊接工藝評定的力學(xué)性能試驗包括焊接接頭拉伸、彎曲、夏比沖擊、宏觀觀察、維氏硬度、斷裂韌性（-20℃） 等，試驗結(jié)果見表4～表7。焊接接頭硬度測試點位置如圖3所示，焊接接頭試樣的宏觀腐蝕照片如圖4所示。

表4 拉伸試驗結(jié)果

表5 彎曲試驗結(jié)果

表6 沖擊試驗結(jié)果

表7 維氏硬度值（HV10）

圖3 維氏硬度測點位置示意

圖4 宏觀腐蝕照片

按照 ISO 15653：2018《Metallic materials—Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds》試驗標準，開展裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗[8]，試驗溫度為-20℃。在母材、熱影響區(qū)、焊縫等區(qū)域分別取樣進行低溫CTOD試驗，表8的測試結(jié)果表明，焊接接頭各部位CTOD值≥0.15 mm，滿足設(shè)計文件要求。

表8 CTOD試驗結(jié)果

焊接工藝評定試驗表明，為匹配自研樁管自動焊設(shè)備而開發(fā)的焊接工藝滿足試驗標準的各項指標要求，可用于工程施工。

3 工藝的現(xiàn)場應(yīng)用

研制的樁管自動焊設(shè)備及工藝在中國石油集團海洋工程公司海工事業(yè)部承建的埕海油田開發(fā)平臺建造工程中得到應(yīng)用。現(xiàn)場焊接隔水管焊縫2條，焊縫總長度6.38 m，單層焊道累計達95.76 m。現(xiàn)場焊接的焊縫外觀如圖5所示。應(yīng)用過程中設(shè)備輕便，裝卸和操作便利，焊接過程穩(wěn)定，焊接飛濺小，焊縫成型美觀，焊接效率高。焊縫的X射線和超聲檢測結(jié)果表明，焊接質(zhì)量好，滿足標準要求。

圖5 現(xiàn)場焊接的焊縫外觀

4 結(jié)束語

（1）海洋平臺樁管采用氣保護自動焊工藝進行焊接的焊接接頭抗拉強度、夏比沖擊功、斷裂韌性等指標均達到標準和項目設(shè)計要求，開發(fā)的焊接工藝滿足項目需求。

（2）應(yīng)用試驗證明，研制的海洋平臺樁管自動焊設(shè)備和焊接工藝能夠滿足樁管海上接樁焊接施工的要求，可顯著降低勞動強度，提高焊接質(zhì)量，提升焊接效率，大大節(jié)約海上施工作業(yè)的時間，其具有較高的應(yīng)用價值。