浅谈海洋平台齿条的安装以及焊接工艺要点

-1-浅谈海洋平台齿条的安装及焊接工艺要点崔全友孟祥富（青岛北海船舶重工有限责任公司）摘要：海洋钻井平台是实施海底油气勘探和开采的工作基地，它标志着海底油气开发技术的水平，而海上钻井平台起升系统的工作原理是齿轮-齿条机构，在海洋钻井平台的工作过程中，齿轮-齿条机构担负着整个平台的升降工作。因此在建造海洋平台时，齿条焊接及其精度控制一直占据着十分重要的地位。关键词：海洋平台齿条安装焊接一、概述：钻井平台是主要用于钻探井的海上结构物。上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段，主要有自升式和半潜式钻井平台，而我公司主要是建造自升式钻井平台。自升式钻井平台，由平台体、桩腿和升降机构组成，平台体能沿桩腿升降，一般无自航能力。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。钻完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位，而钻井平台的升降以及桩腿的预压全是由以齿条以及齿轮箱为主组成的升降系统完成的。1989年9月，世界上第一座极浅海步行坐底式钻井平台“胜利二号”在人们惊喜和赞美声中一步一步走着下水，拉开了我公司在海洋工程建造方面的序幕。至今我公司在海洋工程尤其是自升式钻井平台的建造已有20年的历史，从起初的“胜利作业三号”到最近的“中油海6号”，尤其是平台升降装置齿条的安装、焊接及其精度控制方面，随着我们技术水平提高及工艺的不断完善，产品的质量不断的提升。结合我公司近几年海洋工程的建造经验，浅谈一下海洋平台升降装置齿条的焊接及其精度控制。二、齿条材料的特点及焊接要点1齿条材料的特点齿条为自升式海上石油平台的关键构件，它承受平台体升、降时产生的载荷。齿条焊接质量的优与劣以及齿条对接缝处的齿间距焊后是否符合公差要求，是保证平台安全使用的必要条件。由于齿条是调质钢，以及齿条的厚度大，刚性大，拘束度大，即使焊缝中有很小的缺陷，也会形成裂纹源，导致裂纹产生。根据以上特点，调质高强度钢的齿条在焊接时应进行以下工作：1.1调质高强度钢在焊接时应注意1）控制焊接线能量，避免焊接线能量过大造成焊接接头软化；2）低碳调质钢的特点是含碳量比较低，基体组织是强度和韧性都比较高的低碳马氏体+下贝氏体，这对焊接有利。但是，调质状态下的钢材，只要加热温度超过他的回火温度，性能就会发生变-2-化。焊接时由于热循环的作用使热影响区强度和韧性的下降几乎是不可避免的。因此，在焊接低碳调质钢时要注意两个基本问题：①要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有一“自回火”作用，防止冷裂纹的产生；②要求在800-500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度。这两个问题是制定低碳调质钢焊接参数的主要依据；3）在焊接过程中控制层间温度，以防止产生不均匀组织，降低焊缝硬度。1.2为保证齿条焊接质量，避免裂纹和保证齿间距公差应进行1）焊接性试验①根据齿条化学成分进行碳当量计算；②进行齿条斜Y型坡口焊接裂纹试验；2）焊接工艺试验①确定齿条对接焊缝的坡口型式，测量焊接后的收缩余量，作为制定焊接工艺时的依据；②测量对接焊缝的变形数据，以确定齿条的焊接顺序。2焊接要点根据我公司近几年来建造自升式钻井平台的经验，就升降装置齿条的焊接及其精度控制方面将以我公司建造的“胜利作业三号”平台为例做以下阐述。我公司建造的“胜利作业三号”平台是我国自行设计建造的第一座齿轮齿条升降的三腿自升式修井作业平台；是我国“九五”期间国家重大技术装备科技攻关项目。它的投产克服了以往修井作业平台不能实现连续升降的弱点，使得海上修井作业范围扩大，作业水深可达5至25米，并可同时对９口井的采油平台进行修井作业，修井井深可达4500米。该平台升降装置齿条材质是美国ASTMA514Q，具体性能指标如表1所示。表1ASTMA514Q机械性能指标钢号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JASTMA514Q690690-895-40342.1焊材的选择在选择焊接材料和制定焊接参数时，应考虑焊缝及热影响区组织状态对焊接接头强度、韧性的影响。根据等强原则，在建造胜利作业三号平台时，我们选用了韩国现代公司的S-11018.M，具体性能如表2所示表2S-11018.M机械性能试验结果牌号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JS-11018.M690795-6056、52、502.2坡口形式由于胜利作业三号平台齿条模数为75mm，采用双U型坡口可避免坡口开到齿条的齿面上。坡口如图1所示-3-图1U型坡口2.3焊前准备1）焊条S-11018.M经350℃～400℃烘烤1.5小时，S-7016.O经320～350℃烘烤1.5小时后放在120℃～150℃的焊条保温筒中。2）焊前清除坡口内及坡口边缘两侧各20mm范围的氧化物、水、油、锈等对焊接质量有影响的杂质。2.4焊前预热对于低碳调质钢来说，预热的主要目的是防止裂纹，就是说以降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的“自回火”的作用来提高抗裂性能。当预热温度过高时，由于冷却速度太慢，靠近焊缝金属的奥氏体化区可能转变为含有高碳马氏体的铁素体或转变为粗大的贝氏体，这两种显微组织会降低焊接接头的韧性和强度。通过试验，在保证焊接接头不出现裂纹的情况下，将预热温度确定为160～170℃。2.5层间温度层间温度为160℃～190℃。2.6后热处理焊后立即将焊缝及其附近区域加热至200～210℃，保温2小时，然后用石棉布包好缓冷且每小时降温不得超过50℃。2.7焊接顺序焊接顺序参见图2第一步第二步第三步第二步第三步≈≈图2焊接顺序-4-2.8焊后72小时进行超声波以及磁粉检验1）超声波检验：所有焊缝经超声波检验全部合格，无内部焊接缺陷。2）磁粉探伤检验：正反面焊缝经磁粉探伤检验后，无表面焊接裂纹。2.9焊接工艺评定结果焊接工艺评定结果见表3表3A514Q焊接接头机械性能试验结果项目拉力试验侧弯曲试验D=6t=180冲击试验（“V”形缺口，-40C冲击温度）抗拉强度N/mm2断裂位置焊缝中心熔合线熔合线外2mm熔合线外5mm试验值anz805、845855、830（4个试样）母材合格（4个试样）78、80、3842、55、40140、132、6889、114、84上述试验结果符合CCS船级社规范要求。齿条焊接及其精度完全在公差要求范围之内。3几座海洋平台的实例随着胜利作业三号平台顺利下水，在以后的时间里，我们又顺利完成了“辽河一号”钻井平台、“中油海63号”平台、“中油海5号”以及“中油海6号”等平台的建造。其中中油海5号、6号平台是秭妹船，因此仅以中油海6号平台为例。以下是各个平台齿条的特点、焊接材料的选择、齿条坡口型式以及焊接工艺评定结果。3.1辽河一号钻井平台1）平台齿条的材质辽河一号钻井平台是我国第一艘电动齿轮齿条升降三腿自升悬臂式平台，采用了多项新工艺、新技术，是海上石油勘探开发中所急需的工程装备，具有广阔的应用前景。该平台的研制成功标志着我国自升式平台的研究达到了一个新的水平，同时为自升式平台的推广打下了基础，将为我国浅海油田的勘探开发发挥更大的作用。该平台齿条材质是DILIMAX690E，具体性能指标如表4所示：表4DILIMAX690E机械性能指标钢号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JDILIMAX690E630720-900-40302）焊条材质的选择根据平台齿条材质在建造辽河一号钻井平台时，我们选用了韩国现代公司的S-11018.M，具体性能如表5所示。-5-表5S-11018.M机械性能试验结果牌号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JS-11018.M690795-6056、52、503）坡口辽河一号钻井平台齿条齿间距为425.5mm，采用双K型坡口减少了齿条坡口的加工量，受火焰切割的影响比较小。坡口如图3所示：图3K型坡口4）焊接工艺评定结果辽河一号钻井平台焊接工艺评定结果参见表6。表6DILIMAX690E焊接接头机械性能试验结果项目拉力试验侧弯曲试验D=6t=180冲击试验（“V”形缺口，-40C冲击温度）抗拉强度N/mm2断裂位置焊缝中心熔合线熔合线外2mm熔合线外5mm试验值anz813、825736、822（4个试样）母材合格（4个试样）174、178、164182、192、194190、200、202200、194、1983.2中油海63号平台1）平台齿条材质中油海63号平台是一艘电动齿轮条升降的四腿自升式试采作业平台，该平台试油系统自成体系，可试验油井的石油储量、气体含量，并根据试验采集的参数确定配管直径等设施，优化投入产出比率，提高经济效益。齿条材质是N25HN，具体性能指标如表7所示：表7N25HN机械性能指标钢号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JN25HN690790-940-4069-6-2）焊条牌号选择我们在建造中油海63平台时，由于母材机械性能的提高，在焊接材料的选择声，我们选用了日本神钢的LB-88LT，实践也证明LB-88LT的力学性能完全符合要求。下表（表8）是我们对LB-88LT做的机械性能试验所得到的数值。表8LB-88LT力学机械性能试验结果牌号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JLB-88LT870905-40112、114、1163）齿条坡口由于中油海63号平台齿条模数为101.6mm，采用双V型坡口可避免坡口开到齿条的齿面上，而且双V型坡口加工比双U型坡口简单。坡口如图4所示。图4双V型坡口4）焊接工艺评定结果中油海63号平台焊接工艺评定结果见表9。表9N25HN焊接接头机械性能试验结果项目拉力试验侧弯曲试验D=6t=180冲击试验（“V”形缺口，-40C冲击温度）抗拉强度N/mm2断裂位置焊缝中心熔合线熔合线外2mm熔合线外5mm试验值anz855、860（2个试样）HAZ合格（4个试样）134、98、120106、70、124124、186、126160、88、7069、74、70104、90、1543.3中油海6号平台1）齿条材质中油海6号平台是我国自行设计的电动齿轮齿条升降自升式钻井平台。齿条材质是ASTMA514，具体性能指标如表10所示；-7-表10ASTMA514机械性能指标钢号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JASTMA514620690-895-40272）焊材选用该平台的焊材选用韩国现代公司的S-11018.M，具体性能如表11所示；表11S-11018.M机械性能试验结果牌号屈服强度MPa抗拉强度MPa冲击温度℃冲击功JS-11018.M690795-6056、52、503）齿条坡口中油海6号平台齿条比较厚，达到了165mm，而且模数为101.6mm，如采用K型或U型坡口，则坡口开到了齿条的齿面，因此我们选用了X型坡口，如图5所示；图5X型坡口4）评定结果表12A514焊接接头械性能试验结果项目拉力试验侧弯曲试验D=6t=180冲击试验（“V”形缺口，-40C冲击温度）抗拉强度N/mm2断裂位置焊缝中心熔合线熔合线外2mm熔合线外5mm试验值anz829、804804、832（4个试样）HAZ合格（4个试样）54、49、4263、49、7054、72、5074、50、7065、58、8256、72、72三、齿条焊接及其精度控制工艺1齿条的焊前组装及装焊顺序海上钻井平台起升系统的工作原理是齿轮-齿条机构，在升降系统工作时，当前对轮齿啮合以后，-8-后续的各对轮齿也能依次啮合，而不是相互顶住或分离，因此齿条焊接及其精度控制格外重要。根据我公司的建造经验，自升式钻井平台的齿条材料板厚大多在120mm以上，对于坡口型式为X型坡口的焊接以中油海63平台为例做一下简单阐述，考虑到齿条的焊接收缩变形，因此在焊前应留有一定的收缩余量，一般留到2.5-3.5mm。齿条安装尺寸，如下图6所示：参考线2