自升式海洋钻井平台桩腿的焊接与精度控制.pdf

第3 l 卷第3 期 2 0 1 4 年6 月 江苏船舶 J I A N G S US H I P V o l t 3 1N o 3 J u n 2 0 1 4 自升式海洋钻井平台桩腿的焊接与精度控制 张晓安，钱建东 ( 中海工业( 江苏) 有限公司，江苏扬州2 2 5 2 1 1 ) 摘要：主要介绍了S U P E R 1 1 6 E 自升式海洋钻井平台桩腿和齿条预制及安装工艺，对桩腿和齿条的预制过程、 安装方法及安装过程中的注意事项进行了全面总结和分析。 关键词：自升式钻井平台；桩腿；齿条；焊接；精度管理 中图分类号：T G 4 7 文献标识码：B 1 自升式海洋钻井平台细撅工作原理 自升式海洋钻井平台主要由平台结构、升降机 构、桩腿、钻井装置以及生活模块、直升飞机平台等 组成。 自升式海洋钻井平台工作时，通常用升降机构 将平台举升到海面以上，使其免受海浪冲击，依靠桩 腿的支撑站立在海面上进行钻井作业。完成钻探任 务后，降下自升式海洋钻井平台到海面，将桩腿升降 至拖航位置，即可将该自升式海洋钻井平台拖航到 下一个作业井位。因此，桩腿是自升式海洋钻井平 台的关键部件之一。 2 桩腿的材料特性及选用 桩腿是由齿条、弦管、斜拉撑、水平拉撑等组成。 齿条部分的材料要求选用超高强度钢并且超厚板， 不仅屈服强度高，而且要具备一4 0 的低温冲击性 能。S U P E R 一11 6 E 桩腿齿条材料选用A S T M A S l 4 Q 材料，来料为齿条和弦管焊接完成的半成品。通过 设计数据与该齿条材料的机械性能参数的比较，认 为所用材料完全符合设计要求。 桩腿水平支撑管、斜拉支撑管材料，选用A P I 一 5 L X 5 2 材料，其机械性能与齿条材料的性能相反，硬 度不高，韧性好。 3 桩腿的焊接和精度控制 3 1 合理选择适合的焊接材料 焊接材料中的含氢量过高会引起焊接冷裂纹， 因此超高强度钢材的焊接需要使用低氢焊接材料。 某公司承建的S U P E R 11 6 E3 个桩腿类型的自升式 收稿日期：2 0 1 4 - 0 2 - 2 8 作者简介：张晓安( 1 9 5 6 一) ，男，工程师，从事船舶质量管理；钱建东 ( 1 9 7 6 一) ，男，助理工程师，从事船舶建造质量管理、检验工作。 海洋钻井平台建造过程中，先后试验了多个厂家的 多种焊条及药芯焊丝，最后选定H 1 0 或H 5 低氢焊 接材料。若用焊条修补缺陷时，必须使用含氢量为 H 5 的超低氢焊条，但是这种方法热输人量大，并且 效率低。经多次焊接试验，最后确定采用效率高、焊 后残余应力小的药芯焊丝。 3 2 装配焊接间隙的选择 自升式海洋钻井平台起升系统的工作原理是： 利用齿轮一齿条机构，在升降系统工作时，当前对轮 齿啮合以后，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变得 十分重要。通常C O ：药芯焊丝焊接，采用陶瓷衬 垫，装配间隙为5 9m m ，变形难于控制。自升式钻 井平台的齿条材料板厚大多在1 2 0m m 以上，采用x 型坡口形式。其坡口焊接，考虑到齿条的焊接收缩 变形，在焊前应预留一定的收缩余量，一般为2 5 3 5m m 。焊前收缩量示意图如图1 所示。 3 3 桩腿齿条焊前的预热 桩腿齿条在焊接前要进行预热，通过预热来降 低马氏体转变时的冷却速度，同时通过马氏体的 “自身回火”作用来提高抗裂性，从而减少和杜绝裂 纹的产生。桩腿齿条预热时要注意，加温不能过快、 过高，否则不仅不利于防止裂纹，相反会在冷却过程 中容易出现脆性混合组织，从而降低焊接热影响区 域的韧性。 3 4 严格控制层间温度 层间温度起着和预热同样的作用。根据在自升 式海洋钻井平台建造过程中的经验，得出结论：最小 层间温度为8 0 ，最大为2 0 0 。 3 5 焊后热处理 桩腿齿条与座板这类高强钢材料的合金原理， 就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合 金元素来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和 第3 期张晓安等：自升式海洋钻井平台桩腿的焊接与精度控制 3 9 部分下贝氏体的混合组织，但是冷却速度不能过快。 实际焊接中，材料焊接后立即加热，温度到2 0 0o C ， 保温2 5h ，随后焊件在空气中自然冷却下来。这种 做法的目的不仅有利于氢的逸出，而且可防止冷却 后裂纹的产生和焊件变形。 一氏一 、， 坍一 弋矿 纠af 2 5 3 !m m 击匪i 姥叶。偾距姥 分度圆线 参考线1 参考线2 1 。婶收稍余 遗丌：洌矧 3 6 使用焊接专用胎架 通常施焊时使用码板，而且必须是与焊件同等 级材料。使用码板时如果不预热，就容易产生裂纹。 码板的预热虽然在焊接工艺认可实验( w P s ) 中可 以做到，但是在实际生产中就非常难做到。因此，不 论是主弦管与齿条的焊接，还是齿条与齿条的焊接， 都需要在专门设计的胎架上进行焊接，既能够保证 焊接质量，又能保证精度。 焊接专用胎架的作用主要有4 点： ( 1 ) 焊前定位齿条及弦管。 ( 2 ) 用来调整胎架与齿条间的间隙。 ( 3 ) 夹紧工件，焊接过程中限制焊件变形。 ( 4 ) 提高齿条的焊接精度。 3 7 采用合理的安装焊接顺序 在自升式海洋钻井平台升降系统工作时，齿条 与齿轮是依次啮合的，齿条的精度控制对海洋平台 的使用寿命有着重要影响。制定焊接工艺是保证和 控制齿条焊接质量的前提，合理的焊接顺序是制定 焊接工艺的关键。齿条对接焊接、齿条与座板焊接 时选用以下方法： ( 1 ) 将齿条对接焊接过程分成3 步。齿条对接 的焊接顺序如图2 所示。 图2 齿条对接的焊接顺序( 单位：m m ) 第1 步，在A 面使用S - 7 0 1 6 0 焊条进行打底 焊。 第2 步，对B 面进行清根处理后，2 名焊工分别 在A 、B 面使用L B 8 8 L T 或s 1 1 0 1 8 M 3 2 焊条同 时对称施焊，使用填充1 2 1 5m m 厚焊缝金属。为 避免产生角变形，2 名焊工施焊电压、电流应相同。 第3 步，2 名焊工分别在A 、B 面使用L B 8 8 L T 或S - 11 0 1 8 M 0 4 0 焊条同时对称施焊。为避免产 生角变形，2 名焊工施焊电压、电流也应相同。 需要注意的是，焊后7 2h 必须进行超声波以及 磁粉探伤检验。 ( 2 ) 对齿条与座板的焊接采用6 个顺序分步退 焊法进行施焊，齿条与座板焊接顺序如图3 所示。 焊接时采用由中间到两端，由里到外，逐步退焊法进 行齿条与座板的焊接。图3 中，按照从1 至6 的顺 序焊接。这样能使施焊过程中材料均匀自由的收 缩，最大限度地减少焊接变形。 # 兰坚兰兰兰兰三兰兰与多蜥 E 三三三三三三3 1 一 百一f4 - 3 - 2 - 1 一1 一二一3 - 4 了百、一歪舨 图3 齿条与座板的焊接顺序 按照精度要求，必须保证齿条中心线与桩腿中 轴线的平行线偏差在2m m 范围内。由双数焊工对 称于齿条中心线，从齿条中间向两边采用分步退焊 法，按照工艺要求划分为6 段，每段约4 0 0m m ，并在 两端同时施焊的原则进行焊接施工。 在桩腿齿条焊接过程中，若先装焊后切齿就很 难达到所要求的精度，所以必须采用合理的安装焊 接顺序。每条焊缝焊接时，要保持其一端能自由收 缩，然后采用先装箱体后装已切割好的齿条方法，每 一段都能使变形量得到严格的控制，这样就能使桩 腿齿条整体精度达到设计要求。 4 结语 在自升式海洋钻井平台的运营周期内，桩腿在 海洋中承受着各种各样的侵蚀和冲击。高水平的焊 接工艺与精度控制可以降低恶劣环境