自升式海洋鉆井平臺樁腿的焊接與精度控制

張曉安,錢建東

(中海工業(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225211)

自升式海洋鉆井平臺樁腿的焊接與精度控制

張曉安,錢建東

(中海工業(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225211)

主要介紹了SUPER-116E自升式海洋鉆井平臺樁腿和齒條預制及安裝工藝，對樁腿和齒條的預制過程、安裝方法及安裝過程中的注意事項進行了全面總結和分析。

自升式鉆井平臺；樁腿；齒條；焊接；精度管理

1 自升式海洋鉆井平臺組成及工作原理

自升式海洋鉆井平臺主要由平臺結構、升降機構、樁腿、鉆井裝置以及生活模塊、直升飛機平臺等組成。

自升式海洋鉆井平臺工作時，通常用升降機構將平臺舉升到海面以上,使其免受海浪沖擊,依靠樁腿的支撐站立在海面上進行鉆井作業。完成鉆探任務后,降下自升式海洋鉆井平臺到海面,將樁腿升降至拖航位置,即可將該自升式海洋鉆井平臺拖航到下一個作業井位。因此，樁腿是自升式海洋鉆井平臺的關鍵部件之一。

2 樁腿的材料特性及選用

樁腿是由齒條、弦管、斜拉撐、水平拉撐等組成。齒條部分的材料要求選用超高強度鋼并且超厚板，不僅屈服強度高，而且要具備-40 ℃的低溫沖擊性能。SUPER-116E樁腿齒條材料選用ASTMA514Q材料,來料為齒條和弦管焊接完成的半成品。通過設計數據與該齒條材料的機械性能參數的比較，認為所用材料完全符合設計要求。

樁腿水平支撐管、斜拉支撐管材料，選用API-5LX52材料,其機械性能與齒條材料的性能相反,硬度不高,韌性好。

3 樁腿的焊接和精度控制

3.1 合理選擇適合的焊接材料

焊接材料中的含氫量過高會引起焊接冷裂紋，因此超高強度鋼材的焊接需要使用低氫焊接材料。某公司承建的SUPER-116E 3個樁腿類型的自升式海洋鉆井平臺建造過程中，先后試驗了多個廠家的多種焊條及藥芯焊絲，最后選定H10或H5低氫焊接材料。若用焊條修補缺陷時，必須使用含氫量為H5的超低氫焊條，但是這種方法熱輸入量大，并且效率低。經多次焊接試驗，最后確定采用效率高、焊后殘余應力小的藥芯焊絲。

3.2 裝配焊接間隙的選擇

自升式海洋鉆井平臺起升系統的工作原理是：利用齒輪-齒條機構，在升降系統工作時，當前對輪齒嚙合以后，后續的各對輪齒也能依次嚙合，而不是相互頂住或分離，因此齒條焊接及其精度控制變得十分重要。通常CO2藥芯焊絲焊接，采用陶瓷襯墊，裝配間隙為5～9 mm，變形難于控制。自升式鉆井平臺的齒條材料板厚大多在120 mm以上，采用X型坡口形式。其坡口焊接，考慮到齒條的焊接收縮變形，在焊前應預留一定的收縮余量，一般為2.5～3.5 mm。焊前收縮量示意圖如圖1所示。

3.3 樁腿齒條焊前的預熱

樁腿齒條在焊接前要進行預熱，通過預熱來降低馬氏體轉變時的冷卻速度，同時通過馬氏體的“自身回火”作用來提高抗裂性，從而減少和杜絕裂紋的產生。樁腿齒條預熱時要注意，加溫不能過快、過高，否則不僅不利于防止裂紋，相反會在冷卻過程中容易出現脆性混合組織，從而降低焊接熱影響區域的韌性。

3.4 嚴格控制層間溫度

層間溫度起著和預熱同樣的作用。根據在自升式海洋鉆井平臺建造過程中的經驗，得出結論：最小層間溫度為80 ℃，最大為200 ℃。

3.5 焊后熱處理

樁腿齒條與座板這類高強鋼材料的合金原理，就是在低碳的基礎上通過加入多種提高淬透性的合金元素來保證獲得強度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織，但是冷卻速度不能過快。實際焊接中，材料焊接后立即加熱，溫度到200 ℃，保溫2.5 h，隨后焊件在空氣中自然冷卻下來。這種做法的目的不僅有利于氫的逸出，而且可防止冷卻后裂紋的產生和焊件變形。

圖1 焊前收縮余量示意圖

3.6 使用焊接專用胎架

通常施焊時使用碼板，而且必須是與焊件同等級材料。使用碼板時如果不預熱，就容易產生裂紋。碼板的預熱雖然在焊接工藝認可實驗(WPS)中可以做到，但是在實際生產中就非常難做到。因此，不論是主弦管與齒條的焊接，還是齒條與齒條的焊接，都需要在專門設計的胎架上進行焊接，既能夠保證焊接質量，又能保證精度。

焊接專用胎架的作用主要有4點：

(1)焊前定位齒條及弦管。

(2)用來調整胎架與齒條間的間隙。

(3)夾緊工件，焊接過程中限制焊件變形。

(4)提高齒條的焊接精度。

3.7 采用合理的安裝焊接順序

在自升式海洋鉆井平臺升降系統工作時，齒條與齒輪是依次嚙合的，齒條的精度控制對海洋平臺的使用壽命有著重要影響。制定焊接工藝是保證和控制齒條焊接質量的前提，合理的焊接順序是制定焊接工藝的關鍵。齒條對接焊接、齒條與座板焊接時選用以下方法：

(1)將齒條對接焊接過程分成3步。齒條對接的焊接順序如圖2所示。

圖2 齒條對接的焊接順序(單位：mm)

第1步，在A面使用S-7016.0焊條進行打底焊。

第2步，對B面進行清根處理后，2名焊工分別在A、B面使用LB-88LT或S-11018.MФ3.2焊條同時對稱施焊，使用填充12～15 mm厚焊縫金屬。為避免產生角變形，2名焊工施焊電壓、電流應相同。

第3步,2名焊工分別在A、B面使用LB-88LT或S-11018.MФ4.0焊條同時對稱施焊。為避免產生角變形，2名焊工施焊電壓、電流也應相同。

需要注意的是，焊后72 h必須進行超聲波以及磁粉探傷檢驗。

(2)對齒條與座板的焊接采用6個順序分步退焊法進行施焊，齒條與座板焊接順序如圖3所示。焊接時采用由中間到兩端，由里到外，逐步退焊法進行齒條與座板的焊接。圖3中，按照從1至6的順序焊接。這樣能使施焊過程中材料均勻自由的收縮，最大限度地減少焊接變形。

圖3 齒條與座板的焊接順序

按照精度要求，必須保證齒條中心線與樁腿中軸線的平行線偏差在2 mm 范圍內。由雙數焊工對稱于齒條中心線，從齒條中間向兩邊采用分步退焊法，按照工藝要求劃分為6段，每段約400 mm，并在兩端同時施焊的原則進行焊接施工。

在樁腿齒條焊接過程中，若先裝焊后切齒就很難達到所要求的精度，所以必須采用合理的安裝焊接順序。每條焊縫焊接時，要保持其一端能自由收縮，然后采用先裝箱體后裝已切割好的齒條方法，每一段都能使變形量得到嚴格的控制，這樣就能使樁腿齒條整體精度達到設計要求。

4 結語

在自升式海洋鉆井平臺的運營周期內，樁腿在海洋中承受著各種各樣的侵蝕和沖擊。高水平的焊接工藝與精度控制可以降低惡劣環境對鉆井平臺的影響，延長使用壽命，因此樁腿和齒條焊接，精度控制以及裂紋的控制是自升式海洋鉆井平臺制造過程中的關鍵。通過采用以上工藝方法，焊前齒條的預組裝、焊前預熱以及選用合理的焊接順序等一系列措施，保證了樁腿齒條-齒輪機構的安裝精度和使用要求，從而降低了成本，縮短了安裝周期，提高了自升式海洋鉆井平臺起升精度。

[1] 中國船級社.材料與焊接規范 2012[M]. 北京：交通人民出版社，2012.

2014-02-28

張曉安(1956-)，男，工程師，從事船舶質量管理；錢建東(1976-)，男，助理工程師，從事船舶建造質量管理、檢驗工作。

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