深水导管架的焊接质量控制

孙志广

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

深水导管架的焊接质量控制

孙志广

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

全世界海洋石油工业高速发展，作为海洋石油工程结构物的深水导管架相较于陆地钢结构，具有服役环境更加恶劣、钢材强度更高、结构形式更为复杂的特点，对焊接质量的要求也更为严苛。以东海某导管架为建造实例，深入探讨深水导管架的焊接质量控制。

深水；导管架；焊接质量；焊接工艺；焊接习惯

0　前言

深水导管架海洋平台作为海洋油气资源开发的重要基础设施之一，是海上油气钻采作业的支撑结构物，焊接是其最主要的建造方式。相较于陆地钢结构，其服役环境更加恶劣，钢材强度更高，结构形式更为复杂，所以其对焊接质量的要求更为严格。

1　实例

将以东海某导管架为建造实例，探讨深水导管架的焊接质量控制。

1.1导管架基本资料

该导管架为4腿12裙桩结构，如图1所示，重6450MT。导管架附近水深97.3m，工作点尺寸18.4 m× 16.4 m，底盘尺寸43.4 m×43.4 m，共5个水平层。设计寿命25年。

图1　某导管架结构模型Fig.1Structure model of some jacket

1.2导管架用钢特点

导管架用钢主要为低碳钢和低合金钢。主结构钢材为船用结构钢D36，对于大厚度管相交的T、K、Y管节点，由于在厚度方向上拘束度大，并承受局部应力集中，容易在临近焊缝的母材上产生层状撕裂，因此该部分使用的钢材为厚度方向断面收缩率大的D36-Z35（Z35代表断面收缩率大于35％），此位置的焊接也是导管架建造焊接控制中的重点。主结构使用的钢材必须满足下屈服点要求，大于等于355 MPa，最大厚度100 mm。次要结构选用的材料是屈服强度较低的钢材如Q235B等。

2　焊接工艺设计

由于服役条件较为恶劣，海洋石油工程结构对焊缝的综合机械性能要求很高，其焊接工艺的设计要满足业主规格书及一些国际通用标准规范、船舶入级规范等要求。常用的有美国焊接协会AWS D1.1和挪威船级社的DNV-OS-C401等。AWS D1.1的内容包括焊接方法、焊接工艺、焊接材料的选择、焊接工艺评定、焊工资格评定以及现场焊接施工管理和焊接检验等[1]，而DNV-OS-C401规定了用断裂力学试验-CTOD断裂韧性试验评估焊缝和热影响区包括强度、韧性、塑性及抗裂纹敏感系数等综合机械性能[2]。同时，结合导管架使用钢材的可焊性，选择合理的焊接方法、焊接材料、焊接工艺，并通过焊接工艺评定试验选择优化的焊接工艺参数从而获得满足要求的焊接接头。

示例导管架建造中焊接工艺设计的焊接方法主要有焊条电弧焊（SMAW）、CO2气体保护焊（FCAW）、埋弧焊（SAW）、氩弧焊（GTAW）。鉴于导管架建造中涉及的钢材厚度、材质、甚至厂家不同，再加上对焊接效率、焊接操作难易程度等因素的考虑，实际设计的焊接工艺众多，且多为各种焊接方法的组合。以下仅列举个别示例说明该导管架建造中焊接工艺的设计。

（1）单丝、双丝埋弧焊（SAW）。主要用于导管架钢管预制及接长焊接，在建造中结合母材实际厚度采用与焊条电弧焊（SMAW）或者CO2气体保护焊（FCAW）组合的方式进行使用。

a.限定管径406 mm及以上，厚度12.7～40 mm。

SMAW+FCAW+SAW，用于纵环缝单面坡口的焊接，使用SMAW进行打底焊接，热焊道采用FCAW焊接，填充及盖面使用单丝埋弧焊焊接。如有必要背焊，使用FCAW焊接。使用的焊材组合为LB-52U（SMAW）、GFL-71Ni（FCAW）、CHW-S3/SJ101（SAW）。主要焊接工艺参数如表1所示。预热温度及层间温度设计范围：12.7 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低预热温度40℃，最大层间温度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤40 mm，最低预热温度65℃，最大层间温度250℃。

表1　单丝埋弧焊焊接工艺参数（单面坡口）Tab.1Welding parameters of single-wire SAW(single groove)

b.限定管径610 mm及以上，厚度16～50 mm。

FCAW+SAW，用于纵环缝双面坡口的焊接，使用FCAW进行打底焊接，清根后内口使用单丝埋弧焊焊接，外口使用双丝埋弧焊焊接。使用的焊材组合为GFL-71Ni（FCAW）、CHW-S3/SJ101（SAW）。主要焊接工艺参数如表2所示。预热温度及层间温度设计范围：16 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低预热温度40℃，最大层间温度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50mm，最低预热温度65℃，最大层间温度250℃。

（2）焊条电弧焊（SMAW）或者焊条电弧焊+CO2气体保护焊（SMAW+FCAW），主要用于导管架T、 K、Y管节点的全位置焊接及返修。导管架的T、K、Y节点焊接如图2所示。

a.限定管径355 mm及以上，厚度12.7～50 mm。

SMAW，根焊、填充及盖面均使用SMAW进行焊接，使用的焊材组合为LB-52U/CHE58-1，主要焊接工艺参数如表3所示。预热温度及层间温度设计范围：12.7 mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低预热温度40℃，最大层间温度220℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50mm，最低预热温度65℃，最大层间温度220℃。

b.限定管径168 mm及以上，厚度8～50 mm。

表2　双丝埋弧焊焊接工艺参数（双面坡口）Tab.2Welding parameters of double-wire SAW（double groove)

图2　某导管架TKY节点的焊接Fig.2The TKY connections welding in some jacket

表3　焊条电弧焊焊接工艺参数（TKY）Tab.3Welding parameters of SMAW(TKY)

SMAW+FCAW，使用SMAW打底焊接，FCAW进行填充及盖面焊接，使用的焊材组合为LB-52U/ GFL-71Ni。主要焊接工艺参数如表4所示。预热温度及层间温度设计范围：8mm≤母材厚度（T）≤38 mm，最低预热温度40℃，最大层间温度250℃；38 mm＜母材厚度（T）≤50 mm，最低预热温度65℃，最大层间温度250℃。

表4　焊条电弧焊+二氧化碳气体保护焊焊接工艺参数（TKY）Tab.4Welding parameters of SMAW+FCAW(TKY)

（3）氩弧焊（GTAW）主要用于导管架caisson管、灌浆管线、注水管线、放空管线和立管的焊接及其返修。

限定管径25 mm及以上，厚度1.5～11 mm，使用的焊材为JG-50。主要焊接工艺参数如表5所示。焊接过程中最低预热温度36℃，最大层间温度117℃。

表5　氩弧焊焊接工艺参数Tab.5Welding parameters of GTAW

3　焊接质量控制要点

导管架建造项目可能在不同地区或不同建造场地进行施工作业，气候环境、施工作业环境以及工作习惯或者工作方法都不尽相同。焊接质量控制需要根据施工现场的实际情况有所侧重。示例导管架的建造场地处于潮湿、多雨的南方某城市，且施工中分包商较多，施工作业人员水平良莠不齐，给焊接质量的控制带来很大困难。

3.1焊前准备

（1）组织好施工技术交底工作，让施工人员充分熟悉焊接工艺规程及相关要求。同时，施工前的班前会对施工工艺重新强调，使每名焊接操作者熟悉掌握，以便施工中严格执行，保证焊接质量。

（2）因空气潮湿且多雨，室外工作时必须做好焊接环境的准备工作。如搭建防风防雨简易工棚。

（3）结构组对工作中除确认组装尺寸外，必须做好焊接坡口的清理除锈工作，在彻底清理经专职检验人员确认后，方可涂防锈漆。

（4）必须做好焊材的保管防护工作。导管架施工使用的焊材为低氢焊材时，必须严格按照标准及相关焊材控制程序烘干焊材。

3.2焊接工艺

焊接过程中专业检验人员必须严格控制施工中的焊接工艺，确保完全符合焊接工艺规程要求，一些重要焊接节点（如钢桩现场接长口、TKY节点等）必须保证施工焊接记录的完整，内容需包括焊接时间、焊口编号、焊工编号、焊接工艺规程编号、预热温度、层间温度、焊接电流、焊接电压等参数。同时，重点从以下几方面对焊接质量加以控制。

（1）正确使用焊材。

检查焊材牌号，确认与焊接使用的焊接工艺规程一致。检查焊材质量，确认其满足使用要求，低氢焊条、埋弧焊焊剂已进行烘干处理，并保持要求温度。

（2）预热及层间温度。

在焊接工作开始前（包括点焊）和任何焊接中断后都必须预热焊缝，可使用气体火焰烤把或电加热方法，需注意切割或者气刨火焰不能用于预热。预热能够去除焊缝中的扩散氢，降低焊缝的冷却速度，从而有效防止冷裂纹。但合理控制预热温度也是非常重要的，预热温度过高，一方面会恶化施工条件，另一方面在局部预热的条件下因产生附加应力，反而会促使产生冷裂纹[3]。所以，预热温度不是越高越好，应严格按照焊接工艺规程要求进行预热。焊接工艺规程中设计预热温度的依据是AWS D1.1中根据母材的强度、厚度、拘束度以及焊接材料的扩散氢含量对常用钢材预热温度的推荐[4]。

焊接过程中层间温度的控制也是影响焊接质量的重要因素，如果过高会引起热影响区晶粒粗大，焊缝力学性能下降，过低则可能引起裂纹。所以必须在每一焊道引弧施焊前加以核对。

在示例导管架建造中，要求施焊焊工必须随身携带测温蜡笔或者测温枪，以便实时监控预热温度和层间温度。

（3）焊接热输入。

焊接热输入即施焊时，热源功率与焊接速度之比，也就是焊接热源输入给单位长度焊缝上的能量。当确定焊接方法和焊材后，它是焊接接头成形、组织和性能的主要影响因素。焊接热输入过大，会引起近缝区晶粒粗大，降低焊缝力学性能；过小又会使焊缝成形困难，也会影响热影响区淬硬，不利于氢的溢出[3]。因此，在焊接过程中必须严格执行焊接工艺规程中焊接电流、电压等工艺参数要求，确保使用合理的焊接热输入。

在示例导管架建造中，由于施工分包商较多，受教育程度和施工水平参差不齐，对焊接热输入的控制难度很大。可能受制于施工进度压力，个别施工单位在经过技术交底以及班前会强调后依然无法对焊接热输入的控制引起重视。针对此情况，由质量控制专业人员组成监控小组，在日常巡检的基础上不定期抽查焊接过程中的焊接电流、焊接电压等参数，对未正确操作的施工单位予以经济惩罚，强令违规个人停止继续在项目中施工作业。监控小组抽查焊接现场如图3所示。

3.3焊接习惯

焊接习惯虽然不是影响焊接质量的主要因素，但是良好的施焊习惯能够提升焊工个体的职业素养和建造场地的施工形象。在示例导管架建造中，组织建造参与各方成立联合巡查小组对施焊焊工的焊接习惯进行检查。

（1）焊工施焊时必须劳保齐全。

（2）焊工随身携带经项目批准的焊工牌，显示焊工的基本信息以及施焊资格和有效期，便于施工领班或者业主确认检查。

（3）施焊时注意保护焊接材料。

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Welding quality control for deep water jacket

SUN Zhiguang
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

The offshore oil industry around the world has being rapidly developing in recent years.Comparing with inland steel structure, deep water jacket,as the structure of offshore oil engineering,has the worse service environment,the higher steel strength and more complex structure.So its welding quality requirements are more stringent.In this paper，the welding quality control for deep water jacket is discussed takinga jacket in the East China Sea as an instance.

deep water；jacket；welding quality；welding procedure；welding habit

TG405

B

1001－2303（2016）05－0123-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.27

2015-08-10；

2015-09-16

孙志广（1983—），男，辽宁喀左人，工程师，学士，主要从事海洋石油工程项目管理、焊接工艺研究等工作。