自升式平台桩腿建造技术与工程实践

传建

摘要：

随着当前海洋工程行业的发展，自升式平台（船舶）的市场需求持续增长，然而当前国内技术还不成熟，尚缺乏相关的建造技术与工程实践。海王星公司自主研发设计的第一艏自升式平台（船舶）目前处于建造收尾阶段。本文所述的自升式平台用桩腿作为自升式平台的关键部件之一，总长度超过130m，建造难度相对较大，特别是在挟块组对尺寸控制、挟块焊接质量控制两个方面的要求特别严格。因此本文着重介绍桩腿制造过程中挟块的组对尺寸控制方法及焊接方法，并简述了本项目在焊接挟块时遇到的问题及解决办法。

关键词：

桩腿挟块组对焊接

1. 依据的规范和建造技术要求

1.1. 主要依据的规范

CCS 海上移动平台入级与建造规范（2005）；

CCS 钢质海船入级规范（2006）；

API Spec.2BSpecification for the Fabrication of Structural Steel Pipe（2002）；

CCS 材料与焊接规范（2009）；

1.2. 尺寸控制要求描述

1) 挟块加工：

挟块长度公差要求为±0.1mm。

挟块宽度为为±0.2mm。

2) 挟块组对：

 同一圆周的六块挟块，端面平行度误差不大于1mm。

 桩管轴向同一列挟块，同一管段内端面平行度（直线度）误差不大于1mm，且任意连续4件挟块的端面平行（直线度）度误差不大于3.2mm。

 同一圆周的六个楔块角度均分周列，同一圆周任意两列挟块之间的弦长差值不大于2mm。

1.3. 焊接技术要求

本项目挟块焊接用焊材为TWE-711NiФ1.2气体保护药芯焊丝，母材为CCS-EH36船用钢材。焊接过程执行CCS认可的焊接工艺规程（WPS）。焊缝质量等级按无损探伤二级标准执行。

2. 挟块组对与固定

2.1. 母线划线

挟块组对过程和环线划线都需要一条基准的母线，作为挟块纵向方向的控制线。考虑到钢桩接长后存在一定的直线度，即接长的每段钢桩都不在同一条直线上，因此划线控制原则就是根据每段钢管的轴线进行控制划线。母线划线程序如下：

a) 在样板纸约中间部位画出一条垂直于样板纸两个长边的基准线。

b) 将样板纸放到适当位置，以样板纸上的基准线为基准，在样板纸两侧（与基准线重合位置）划出两个基准点。

c) 拿开样板纸，以两个基准点连成一条直线，划出的直线即为第一段母线。

d) 由于临近钢桩环焊缝，将第一段母线延长约500mm，即延长到临近的另一管段内。

e) 再次将样板纸放置到钢桩的下一位置，调整样板纸位置使其上的基准线与前面划出的母线延长线重合，此时在样板纸两侧（与基准线重合位置）划出两个基准点，即基准点3和基准点4。拿开样板纸后连接基准点3和基准点4成一条直线。

f) 用同样的方法划出下一段母线，依次划出其余管段上的母线。

g) 母线尺寸控制。主要检验整根母线的直线度，公差要求为：同一管段内的母线直线度不超过1mm，两管段上任意3.05m范围内母线直线度不超过3.2mm。

2.2. 环线划线

根据设计图纸上挟块的组对位置，依次划出挟块组对应的环线，如下图2.2.1所示。

图2.2.1

2.3. 绘制环向挟块组对基准线

为了保证挟块组对后环向的分度，需要划出挟块组对所需要的另外5根基准线。

绘制方法：

 在相应的环线位置用标准的10m钢卷尺侧处环向的圆周长度；

 根据挟块分度均分的原则，将此圆周长均分为6段并打上冲眼；

 依次划处其余5条基准线，即为挟块组对基准线。

 环向挟块组对基准线报检。

2.4. 挟块组对

1) 在机加工工作台上划出挟块轴线方向中心线（划在挟块外侧面和两个端面上）；

2) 将挟块组对到母线相应位置，挟块两端的中心线与母线对齐，同时用角尺控制挟块端面与环线对齐；

3) 每件挟块组对完后点焊（不加固）；

4) 当组对完环向两圈后，开始检验挟块的位置公差，检验合格后加固（固定焊）；

5) 以后每组对完成环向一周检验一次，检验合格后加固（固定焊）。

6) 依次组对所有挟块环列并按相同的程序检验。

2.5. 挟块固定焊

待所有挟块组对完成并检验合格后，进行挟块的固定焊。

在挟块固定焊过程中适时检测挟块的焊接变形，必要时采取措施。

固定焊完成后复检挟块位置尺寸公差。

3. 挟块焊接

3.1. 焊前准备

按照规范要求的条款进行焊接前的坡口清理和焊前预热等准备工作。

3.2. 挟块焊接顺序

所有焊接执行焊接工艺规程。

1) 挟块单件焊接

单件挟块首先焊接中间孔位置，然后焊接外圈焊缝。

2) 沿桩腿圆周方向焊接

两个人沿圆周对称同时进行。如果对环向6件挟块顺时针或逆时针编号从1号——6号，焊接顺序为同时焊接钢桩两侧的两块挟块（即1号和4号），焊接完成后钢桩旋转60度，再焊接2号和5号，或者3号和6号。

3) 沿桩腿纵向焊接

从桩腿一端向另一端焊接，焊工之间间隔1件或2件挟块，待6名焊工沿圆周方向的6件挟块焊接完成后，再继续向同一方向焊接下一位置。

3.3. 焊接

1) 焊工必须按图样、焊接工艺规程（WPS）、技术标准施焊，施焊过程中注意控制焊接变形。

2) 每条焊缝应尽可能一次焊完。当中断焊接时，对冷裂纹敏感的焊件应及时采取后热、缓冷等措施。

4. 焊接裂缝问题及解决方法

4.1. 焊接裂缝问题

本项目由于处于冬期施工，焊接工作结束后对第一套桩腿挟块（共计258块）进行无损检测，发现裂纹共计59处，合格率仅为77%，出现大量返修。桩腿结构的特殊性决定了焊接裂纹倾向较大。

 材质是船用高强结构钢EH36；

 钢板母材厚度大，挟块为45毫米，桩管最大厚度是70毫米，约束应力很大。

 焊缝填充金属量多，每块挟块焊丝用量达到15公斤。

 焊缝过于密集，焊缝间距200毫米，特别是个别焊缝与桩管焊缝重叠。

 裂纹全部集中在立端面打磨平整的立缝上。

 裂纹绝大多数在桩管母材或接近母材的焊缝处。

 裂纹大多数是纵裂纹,深度最深约10毫米。

 裂纹绝大多数在桩管环焊缝两侧的两排挟块上。

焊缝检验照片 典型裂缝照片

4.2. 焊接裂缝解决方法

对本项目出现的裂缝问题，项目组聘请了焊接实验室专家，召开了技术专题会，讨论会一致认为必须采用电伴热设施，采取焊前对钢板进行充分预热和焊后缓冷措施，才能有效解决此裂纹（过大的残余应力造成）问题。但电伴热设备投资较大，而且还会造成施工工期延长，项目成本必然增加。项目组总结经验，经过多次试验，利用现有资源进行了技术改进。对后续焊接的两套桩腿进行无损探伤，一次探伤合格率由原来的77%上升到96%，此数据反映出技术改进后焊接质量显著提高。解决方法如下：

1) 管理方面

项目组对员工实施奖惩措施， 从而调动员工的积极性和主动能力，这对今后生产高质量的产品有很大的帮助。对后续焊接一次合格人员进行奖励，对合格率较低焊接工人进行适量经济处罚。

2) 技术方面：

由于裂纹频繁出现，我们经过查找资料，对出现的问题进行细致的会诊，找出问题所在，对症下药，使裂纹出现几率大大减小，并积累了类似问题的处理经验。主要采取的方法：

a) 在焊接桩管筒内部增加玻璃丝保温棉保温，降低了焊缝母材散热速度；

b) 对焊工棚进行改造，使焊工棚全部密封，减少散热速度，增加焊接区域环境温度，并且保证了二氧化碳气体保护焊的焊接工艺质量；

c) 采取桩管两头全部密封，使桩管内部空气无法流通，减少散热速度；

d) 严格执行WPS文件，电流、电压，焊接速度严格执行，保证焊接热输入线能量最小化，同时增大预热温度至160度，焊接过程中采取锤击消除应力法，使其应力得到释放，减少应力集中产生的裂纹；

e) 采用氧乙炔烤把加热辅助冷却，在焊接完毕的挟块及时进行焊后二次烤火，帮助焊缝缓慢冷却；

f) 辅助冷却后，用保温棉保温，使其缓慢冷却；

g) 增大焊缝焊角尺寸，时效7天后进行打磨处理，减小了延迟裂纹出现的几率。

5. 结束语

对于自升式平台的建造实践，特别是对于其中的关键性结构部件的建造实践在当前国内还是比较少。我公司项目组针对公司的经营策略进行了此项目的建造实践工作，虽然在项目实施过程中遇到了很多问题，比如在实现铆焊工作的精确尺寸控制，高强钢厚板在冬期施工条件下的焊接质量控制等方面都面临了很大的困难，工期也比预计的要曲折，最后项目组组织工程技术人进行了相关的论证和试验，实践的结果还是比较理想的，基本少达到了设计要求，为公司及项目组的进一步建造工作积累了大量有用的实践经验。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。