超大型海洋鋼結構焊接質量檢驗與控制

孫 鐘，孫小磊，張志寬，徐現東，趙順利，唐旭東

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520）

0 前言

南海深水天然氣開發項目荔灣3-1項目是中國第一個深水油氣田開發項目，也是目前亞洲地區唯一真正意義上的深水項目。荔灣3-1項目，位于香港東南約340 km處的29/26區塊，所在海域水深約1 500 m，如圖1所示。荔灣3-1中心平臺總質量超過60 000 t，歷時3年建造完工。海洋石油天然氣開發是世界上公認的安全風險和施工難度最大的行業之一，具有技術含量高，施工難度大，作業環境惡劣，遠離陸地，救援及逃生困難等特點。南海荔灣海域海況較其他海域更為復雜，夏季有臺風，百年一遇最大有效波高可達13.4 m，臺風期間最大波高可達20 m以上，年平均波高1.4 m，平臺在服役期間要經常遭受潮流、風暴涌、風成流、臺風、海冰等極端沖擊，如果發生意外，造成的經濟損失和環境污染將不可估量，所以海洋工程質量顯得尤為重要，本研究將介紹項目運作過程中各個環節的質量檢驗技術及要求，以供其他項目參考。

1 項目簡介

圖1 荔灣3-1項目地理位置

荔灣3-1導管架為8腿導管架，其中外部的4根導管為雙頃，每根導管上攜帶4個裙樁套筒；中間4根導管為單傾，與其間的拉筋組成下水桁架；導管架頂部尺寸34 m×72 m，底部尺寸100 m×104.4 m，垂直高度201.5 m，共有7層水平片和6層立片，最大管徑4 200 mm，最大壁厚100 mm，總質量約32 000 t，如圖2所示。

圖2 荔灣3-1導管架

荔灣3-1組塊是由梁柱板和斜撐構成的空間剛架，共4層，8根立柱，2根吊機立柱，底部有模塊支撐DSF，組塊外形尺寸約77 m×107 m×25.5 m，總質量約36 000 t，如圖3所示。

2 質量檢驗和控制體系

圖3 荔灣3-1組塊

荔灣3-1項目質量檢驗及控制體系主要分導管架和組塊兩個單體分別進行編制，一共包括檢驗試驗計劃ITP、材料檢驗及跟蹤程序、焊接組對及外觀檢驗程序、硬度檢驗程序、結構無損檢驗程序、管線無損檢驗程序、PAUT相控陣檢驗程序、TOFD超聲波衍射時差檢驗程序、涂裝檢驗控制程序、尺寸檢驗控制程序等。這一系列檢驗程序依照相關業主規格書和標準進行編制，在工程中依次實施，共同發揮作用，如圖4所示。

圖4 荔灣3-1項目質量檢驗及控制體系

2.1 材料檢驗與跟蹤

材料檢驗主要涉及材料的數量、證書、標識、尺寸、外觀、厚度等進行相關檢驗，最基本的要求主要來自于中國船級社CCS海上平臺入級與建造規范（1992）和美國石油協會API RP 2A海上規定平臺規劃、設計和建造的推薦作法（2007）。相關材料檢驗及驗收標準，見表1。在建造過程中，對于原材料的切割下料，應做好原材料材質、爐批號等信息以鋼印形式進行的轉移工作，以便進行材料的跟蹤，最終完工時能清晰、明了地查詢每個桿件的材料來源。

2.2 焊接外觀檢驗及質量控制

焊接質量檢驗是一個連續進行的過程，一個成功的質量控制活動在首次焊接起弧之前就已經開始。在任何一種有效的焊接質量控制活動中，焊接外觀檢驗均作為評估結構和部件質量的一種最基本的方法。大量事實證明有效的焊接外觀檢驗可以提前發現絕大多數后期采用的其他更為昂貴的無損檢測所發現的焊接缺陷。焊接外觀檢驗主要包括焊前檢驗、焊接過程中檢驗和焊后檢驗。

表1 材料試驗及驗收標準

焊前檢驗主要是根據項目技術規格書，項目采用的規范和標準以及技術圖紙檢查焊接設備是否處于良好狀態、檢查母材和焊材的質量及狀態，檢驗坡口準備情況，檢查坡口附近是否清潔以及預熱溫度是否達標。

焊接過程中檢驗主要檢驗焊接參數是否符合焊接工藝WPS的要求、檢查層間溫度、檢查層間清理、檢查焊接順序等。

焊后外觀檢驗主要是根據標準、規范及項目中的特殊要求，采用一定的檢驗工具對焊縫的外觀情況、焊縫長度、焊接構件的尺寸精準度的檢驗，特殊情況下還需要對焊后熱處理進行監控。

2.3 無損檢驗及檢驗新技術應用

許多創新技術因超大型海洋鋼結構的結構復雜性和緊張的工期應運而生。在荔灣3-1項目中成功推行了PAUT、TOFD和ET三項檢測新技術的應用。

ET渦流探傷技術是常規無損探傷技術之一。目前，我國渦流探傷技術已應用于冶金、機械、航空、航天、電力、化工等行業領域，在海洋工程領域尚未應用先例。在荔灣3-1項目中，渦流探傷技術應用于已經做好涂裝系統構件的表面復查工作，以排除表面裂紋等缺陷的存在，如圖5所示。

PAUT檢驗技術是PhasedArrayUltrasonicTesting的縮寫，即相控陣技術。該項技術最早應用于醫學和軍事，近些年在核工業和航空領域也開始大量應用，現在醫院采用的B超也是基于相控陣技術。PAUT技術是一套超聲波圖像采集實時成像系統，在荔灣3-1項目中主要用來取代RT射線探傷作業，提高工效的同時規避了射線輻射的風險。此項技術的應用，填補了我國在海洋工程檢驗領域無損檢測技術的一項空白，開啟了相控陣技術應用的先河，如圖6所示。

圖5 ET在荔灣3-1項目中的應用

TOFD超聲波衍射時差法，也稱為“裂紋端點衍射法”或“尖端反射法”，采用一發一收兩個探頭產生非聚焦的縱波，從待檢工件內部結構（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量，用于缺陷的檢測、定量和定位。在荔灣3-1項目中，主要在某些合適區域應用TOFD檢驗技術替代傳統人工超聲波檢驗技術，以提高檢驗準度和效率，節省了大量人力和時間，為項目順利開展和準時完工提供了保障，主要應用于卷管縱、環縫的檢驗，如圖7所示。

2.4 涂裝質量控制

海洋環境是一種非常惡劣的腐蝕環境，導致海洋鋼結構的嚴重腐蝕。海上鋼結構處于飛濺區部分是極易發生應力腐蝕的部分，這部分的防腐是靠陽極保護不能滿足的，只有涂層防護才是經濟、有效的防腐措施。

荔灣3-1導管架共有5套涂裝系統，組塊和生活樓共有13套涂裝系統，另外導管架上創新性將A1、A4、B1、B4 的+5.5 m 到-71 m 設計為乙二醇MEG儲存罐，這部分罐體內部需進行熱噴鋁防腐工藝。每個系統對于油漆類型、干膜厚度、涂裝間隔以及顏色均有不同的要求。涂裝質量控制主要從表面清理、涂料準備、外觀檢驗、附著力檢查、漏點檢驗、干膜厚度檢驗等方面進行。主要采用的標準為ASTM（美國材料與試驗協會）相關標準、NACE（美國腐蝕工程師協會）相關標準和SSPC（美國鋼結構涂裝委員會）相關標準，如表2所示。

表2 涂裝作業及檢驗相關標準

2.5 尺寸控制

大型鋼結構建造過程中，各中散片數量多且結構復雜，用三維坐標控制網進行大型導管架的尺寸控制，能夠從整體上控制大型鋼結構尺寸，確保了鋼結構整個施工過程中尺寸的整體性。在大型鋼結構施工前，根據施工方案進行控制站點布設與設計，通過測量各個控制站點，建立與大型鋼結構匹配的三維坐標控制網模型，然后再利用控制站點測量結構物上各個位置的三維坐標值，在建造過程中，經過精確測量，把被測點具體的三維偏差及時反饋給施工部門，方便調整，能夠準確有效地指導場地施工。它是尺寸控制方法的一種革新，也克服了以往測量中的很多問題，在過程控制方面有不可取代的優勢，也是國外大型鋼結構尺寸控制的方法之一。

3 結論

復雜、惡劣的服役環境，要求大型海洋鋼結構必須具有過硬的整體質量。完整的質量檢驗及控制體系為荔灣3-1項目的質量提供了有力保障。傳統的質量檢驗及控制方法里創新性的增加了新的檢驗技術，有效調節了工期緊與質量檢驗相沖突的難題，為海油工程后續項目提供了借鑒。