高強鋼在大型半潛式平臺組塊建造中的應用

王 娟楊明旺鄭茂堯劉凌云趙立君

(海洋石油工程(青島)有限公司,青島 266555)

0 引 言

鋼鐵是海洋工程的關鍵結構材料,廣泛應用于生產平臺、鉆井平臺、海底管道等。以往在海洋領域中只有關鍵性部位采用420 MPa高強鋼,比如海洋平臺用齒條鋼和載人深潛器,我國鋼廠近幾年材料性能有了很大的突破,寶鋼和武鋼鋼廠采用調質工藝完成了屈服強度690 MPa高強度海洋平臺用齒條鋼,自升式海洋平臺樁腿178 mm 厚板為自升式平臺升降機構所有的齒條鋼、半圓板國產化鋪平了道路[1]。

對于固定式平臺組塊結構,屈服強度為355 MPa的DH36鋼板為主結構選型材料。隨著海洋平臺事業挺進深海,半潛式平臺國產化進程加快,浮式平臺的作業工況復雜性造成了設計中不僅要考慮設備縱向力,同時需要考慮環境載荷的影響,在半潛式平臺組塊中,70%結構設計采用了屈服強度為420 MPa級別的高強鋼。

同時,平臺的重量控制將對半潛式平臺的性能產生很大影響,對組塊的減重也有了更加嚴格的要求。相比固定式平臺,“深海一號”能源站組塊采用高強鋼,初步評估節省了約500t重量,起到了良好的減重效果。

高強鋼的使用在海工領域還是不夠成熟的,通過“深海一號”能源站組塊,本文將從項目運行階段的材料采辦和施工建造2個維度進行闡述,為后續項目提供參考。

1 高強鋼類型

1.1 適用范圍

以“深海一號”能源站組塊為例,主結構的鋼板均采用全為420 MPa級別的鋼材。根據材料性能,最終選用API 2Y Gr.60 海洋結構用淬火加回火鋼板,在組塊結構材料中的比重大概為70%。主要應用于所有組塊主結構鋼材[2],包括:

(1)關鍵加厚管段、關鍵環板、關鍵翼緣板。

(2)環板、翼緣板、節點管段、組塊吊點,其余特別標明的位置。

(3)組合梁翼緣板和腹板(包括腹板插入板),主結構桁架立柱,板狀和管狀組合梁筋板,W 型鋼筋板。

1.2 材料性能

半潛式平臺組塊所用的關鍵部位的鋼板必須抗沖擊、塑性疲勞和層間撕裂。與355 MPa級別鋼材相比,除化學成分不同外,主要區別是機械性能的提高。化學成分要求如表1所示,機械性能要求如表2所示。

表1 化學成分要求(熔煉分析,%)Tab.1 Chemical composition(melting analysis,%)

表2 機械性能要求Tab.2 Mechanical properties

2 采辦和檢驗要求

應該在訂單中補充如表3所示的要求。

表3 高強鋼適用范圍Tab.3 Application scope of high strength steel

S1 超聲波探傷:按照直射波檢驗標準規范對鋼板脈沖反射超聲波檢驗,驗收等級為A 級。任何區域中由于一個或多個不連續性導致底面反射波連續總體衰減,并伴隨在同一平面上連續顯示,如果該區域不能被一個直徑為3 in(75 mm)的圓所包圍,就不能驗收。

S3 附加拉伸試驗:淬火回火鋼板,每一批次取2個拉伸試樣,試樣應從鋼板兩端的角部切取。

S4 厚度方向試驗:對于厚度等于和大于3/4 in(19 mm)的鋼板,上述拉伸試樣的軸線與其鋼板表面垂直。每張母材取2個試樣,試樣縱軸垂直于鋼板表面。在板寬中間位置處取一個試樣。按照ASTM A370 的規定進行拉伸試驗。每一拉伸試樣的斷面收縮率不應小于30%。如果取自同一張鋼板的2個試樣之一的斷面收縮率低于30%而不小于25%,則應在臨近失敗試樣處,再切取2個試樣進行復驗,2個復驗試樣的斷面收縮均應等于或大于30%。

S5 改善了厚度方向性能的低硫鋼,最大含硫量改為0.006%。

S8 應變時效對比V 形缺口沖擊試驗:能夠代表每一爐所產最薄和最厚的鋼板,在切割試件前使其在軸向力的作用下產生均勻形變,然后對試件做對比V 形缺口沖擊試驗。

S11 試生產鑒定:在出廠之前,按照規范,結合具體煉鋼和軋制工作,用專門的焊接和力學試驗方法進行預鑒定。

3 施工差異性

3.1 高強鋼焊接

“深海一號”能源站項目高強鋼焊接是在海洋工程領域的首次大規模應用,缺乏相應的應用經驗及焊接工藝,需要結合項目特點和半潛平臺特點開發最新工藝。

根據材料強度、韌性等要求,以及項目結構形式特點,展開研發適合于海工場地和半潛平臺項目的焊接工藝方案;在焊接工藝評定試驗的過程中,嚴控工藝的焊接參數,最終成功開發全套焊接工藝(GMAW+SAW、SMAW+FCAW-G、SMAW),能夠覆蓋整個項目全部結構形式。

針對壁厚為50～90 mm 的大厚板,開發CTOD工藝,滿足-10℃下,全部CTOD 試驗結果大于0.25 mm,免除PWHT。

3.2 高強鋼卷制

對于半潛平臺建造的重中之重是合攏的精度,合攏精度的重要因素之一就是立柱的建造公差。“深海一號”能源站項目的立柱直徑達到2 600 mm,厚度達到90 mm,提出如下極其嚴苛的要求:

(1)內徑的公差要求為±2 mm。

(2)對于與船體接觸的生產甲板立柱(4 處),卷管內周長與理論值之間不能大于±6 mm。

(3)對于與船體接觸的生產甲板立柱(4 處),沿圓周方向上任意一點的內徑與理論值之間不能大于±2 mm。

“深海一號”能源站高強鋼的屈服強度為420 MPa,國內常規項目的卷制母材強度為355 MPa,高出20%。大管徑大壁厚大強度“三大行業調整”,建造過程中對立柱卷制提出挑戰,經過卷管機的實驗和現場溝通交流,多次討論分析后,得到高強鋼卷制的經驗,保證了重中之重的8個立柱點的立柱卷制工作。為了保證高強鋼管的卷制要求,需要制訂嚴格的鋼管卷制流程(見圖1和圖2)。

圖1 立柱卷制流程圖Fig.1 Flowchart of column rolling

圖2 現場流程Fig.2 Fabrication of column rolling

3.3 高強鋼質量檢查

所有材料在切割之前,需根據檢驗程序驗收,確認板材的型號、等級和爐批號,有特殊性能要求的板材要特別注明,如“Z”向性能板。

按照管的尺寸確定切割線和板的卷制方向,用火焰切割機具切割坡口,坡口在卷制前切割,切割前后都檢查尺寸,卷制前按照規定的半徑對板材端頭壓邊。

從板材的邊緣開始按照規定的半徑對稱均勻卷制,如果板材因過厚或者屈服強度過高壓邊困難,可直接卷制,逐漸增大上滾輪的壓力,逐步達到要求的半徑。在卷制的過程中,利用卷管機的限位避免板材出現縱向的偏離,根據直徑制作60°內弧檢測樣板,按要求檢測卷制鋼管。在吊上和吊離卷板機的過程中,要避免板材和管材被吊索或卡具損傷。卷管過程中隨時清理板材的整個表面,清除所有的焊接殘渣、鐵銹和其他可能損壞壓輥表面的突出物。縱縫的根部間隙和錯皮應使用合適的夾裝工具進行調整并用定位焊固定,定位焊焊縫總長要足以保證強度要求,每段定位焊長度應不小于50 mm,同時應滿足焊接程序的要求。根據API SPEC.2B和相關檢驗程序(組對檢驗程序),利用內弧檢測樣板和直尺進行裝配檢驗。在卷制管的縱縫兩端要使用引弧和熄弧板,弧板長100 mm,坡口、板厚和曲度與鋼管一致,引弧板的材料應與卷制管相同。開始縱縫封底焊,縱縫內側焊接,縱縫外側清根,如果WPS中有要求,焊前必須清根,包括定位焊和封底焊,徹底清除掉滲碳層和其他缺陷。縱縫外側焊接,弧板移除,在母材表面留有3 mm 弧板,其余用火焰切去,然后在母材上打磨至光滑。如果焊接管在自檢之后需要矯正,則需要對卷管進行整圓以達到規定的半徑。如果卷管自檢合格,則需報質檢部門進一步檢查。在整圓前,過高的焊肉(如果有)要打磨掉,以使焊接光滑過渡到母材,滿足外觀要求。在調圓過程中,上滾輪不要過度加壓以免焊縫和母材受到機械損傷。后進行外觀、尺寸和誤差檢驗。

對于在母材上檢查出的每一處缺陷都應進一步地探測以確定其范圍。對于完工的鋼管,可不處理深度不超過規定公稱壁厚5%的缺陷和深度不超過公稱壁厚5%和1.6 mm 的機械傷痕。超過上述限度的缺陷應磨削至完好的金屬本體,凹坑部位應呈流線型。磨削部位減小的厚度不應超過公稱壁厚的7%,但任何情況下不應超過3.2 mm。軋制鋼板的缺陷如果超過上述限度而未超過公稱壁厚的20%,可以進行焊補。對深度超過公稱壁厚20%的缺陷或長度及/或寬度超過公稱直徑的20%的缺陷,則不允許進行補焊。焊接缺陷修復,規范不允許的焊接缺陷必須進行處理。

在管的拼接過程中,對鋼管對接坡口的要求,坡口形式及尺寸要嚴格按照項目典型圖處理。除非有其他圖紙說明,不同壁厚的管(壁厚差＞5 mm)對接時,應把對接處做成坡度不超過1∶4 的過渡段。組對和定位焊組對根部間隙:0～3.0 mm。組對后進行直線度檢驗,進行封底焊接,內部環縫焊接,采用埋弧自動焊或手工電弧焊進行填充和蓋面。清根同縱縫焊接,外部環縫焊接,焊縫外觀檢查。NDT 無損檢驗,外觀及尺寸檢驗,母材和焊接缺陷修復。各管段卷制完畢后,在運送至下一工序之前,在管段明顯位置標注項目名稱、桿件號等信息。

4 結 語

本文以“深海一號”能源站組塊設計為例,對比說明了高強鋼用于半潛式平臺組塊設計上的應用特點。根據“深海一號”能源站平臺組塊設計的特點和要求,重點闡明了高強鋼的材料性能,采辦附加實驗要求,高強鋼卷管流程。對于今后大型浮式平臺組塊高強鋼的應用,本工程案例具有重要參考意義。