荔灣3-1天然氣綜合處理平臺關(guān)鍵焊接技術(shù)

海洋石油工程（青島）有限公司（山東 266520）張劍利 靳偉亮 汪 彬 劉書慧劉 宏 王長軍 謝 偉

1.概述

荔灣3-1深水氣田位于中國南海珠江口盆地內(nèi)，距珠海約300km，水深約1500m。氣田探明儲量為1000億～1500億m3，項(xiàng)目建成后每年可處理120億m3天然氣。此規(guī)模相當(dāng)于西氣東輸一期的規(guī)模，將為珠三角及我國東南部地區(qū)提供大量優(yōu)質(zhì)清潔能源。荔灣3-1天然氣綜合處理平臺建造重量為28 000t，是國內(nèi)結(jié)構(gòu)最重、尺寸最大的海洋深水天然氣平臺，是中國海油深水開發(fā)最為重要的一步，具有里程碑的意義。海上浮托安裝荔灣3-1組塊如圖1所示。本文就項(xiàng)目建造中涉及到的焊接方法、設(shè)備、材料以及關(guān)鍵焊接技術(shù)等做簡要介紹。

圖1 海上浮托安裝荔灣3-1組塊

2.關(guān)鍵焊接技術(shù)

（1）超厚板CTOD焊接工藝 荔灣3-1平臺所處深水工況以及其中心平臺功能定位，決定其結(jié)構(gòu)中存在大量的D36鋼厚板，其中厚度最大達(dá)100mm。本項(xiàng)目規(guī)格書中對板厚超過50mm的焊接接頭要求進(jìn)行焊后熱處理，同時(shí)規(guī)定若焊態(tài)下焊接接頭經(jīng)斷裂韌性（CTOD）測試合格，則可以免去焊后熱處理。由于進(jìn)行焊后熱處理會(huì)增加焊口完工工序，增大現(xiàn)場質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，增加建造成本與工期，因此現(xiàn)場施工采用CTOD焊接工藝是最佳選擇。CTOD 受板材厚度的影響較大，板越厚，焊接接頭斷裂韌性值降低越嚴(yán)重。為覆蓋本項(xiàng)目全部厚板施工焊縫，試驗(yàn)?zāi)覆暮穸冗x取最大板厚100mm，該厚度遠(yuǎn)超出平常項(xiàng)目的厚度，工藝開發(fā)難度很大。

考慮到現(xiàn)場實(shí)際施工需要，焊接工藝選取埋弧焊與氣體保護(hù)焊。為了保證CTOD試驗(yàn)的通過，前期進(jìn)行大量調(diào)查和研究工作，最終選定了焊材型號及焊接參數(shù)。根據(jù)母材的碳當(dāng)量以及材料的厚度，選擇預(yù)熱溫度為110℃。最大層間溫度控制為200℃。埋弧焊選取F7A6—EM14K焊絲與焊劑，焊接參數(shù)如表1所示，氣體保護(hù)焊選取E81T1—K2M焊絲進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)如表2所示。

表1

表2

按表1、表2中參數(shù)焊接完成的試驗(yàn)件經(jīng)CTOD測試，結(jié)果合格，工藝開發(fā)取得成功。本工藝的成功使得公司具備了100mm厚板材的CTOD焊接工藝，能夠滿足本項(xiàng)目使用的同時(shí)也可滿足后續(xù)同類項(xiàng)目的需要。另外本次焊接工藝開發(fā)的母材使用了目前國內(nèi)主要的大厚度船用鋼生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，工藝開發(fā)成功進(jìn)一步增強(qiáng)了工藝的適用性。

（2）大直徑大壁厚雙相不銹鋼焊接工藝 雙相不銹鋼因其良好的耐腐蝕性能以及與碳鋼相近的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)特性，在石油化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其在海工以往項(xiàng)目中已大量使用，但一般均為小管徑，薄壁管線。荔灣3-1項(xiàng)目中雙相不銹鋼數(shù)量眾多，管徑大，壁厚大，焊接接頭耐腐蝕性能要求高，其最大壁厚39.67mm，最大管徑36英寸（1英寸=25.4mm），耐腐蝕性能不僅要求點(diǎn)蝕試驗(yàn)，而且對氫致裂紋和CO2應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)也提出了要求。

基于項(xiàng)目中雙相不銹鋼數(shù)量多、管徑壁厚大的特點(diǎn)，選取開發(fā)埋弧焊高效焊接工藝。同時(shí)為滿足其耐腐蝕性能要求，對其焊材的選用以及預(yù)熱、熱輸入、層間溫度進(jìn)行控制，保證奧氏體組織與鐵素體組織相平衡，避免出現(xiàn)氮化鉻和s相等有害組織。經(jīng)過一系列的控制措施，工藝開發(fā)取得成功。

具體措施為：選用氬弧焊進(jìn)行打底與熱焊道的焊接，埋弧焊填充蓋面。氬弧焊焊絲選用：Sandvik22.8.3.L；埋弧焊焊材選用：Sandvik22.8.3.L/15w，背面保護(hù)氣體為99.99%氬氣，氣體流量20～25L/min，開始焊接要保證管內(nèi)氧含量不超過100×10-6，且背面保護(hù)氣體需至少保留到第三道焊接完成。焊前不預(yù)熱，層間溫度控制在150℃以內(nèi)，熱輸入不超過2.0kJ/mm，焊接參數(shù)如表3所示。

表3

大壁厚雙相不銹鋼埋弧焊焊接工藝的成功開發(fā)，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，大幅度地提高焊接效率，保證了項(xiàng)目的按期完工。

3.焊接材料、設(shè)備使用情況

工程焊接中“人、機(jī)、料、法、環(huán)”會(huì)對工程項(xiàng)目的質(zhì)量與工期產(chǎn)生重大影響。以下就本項(xiàng)目中涉及到的部分焊接材料與設(shè)備進(jìn)行著重介紹。

（1）焊接材料 項(xiàng)目中使用的結(jié)構(gòu)焊接材料有以下幾種：

第一，埋弧焊焊材：林肯錦州公司生產(chǎn)的焊絲JW—1與SJ101焊劑配合使用。其用于D36鋼多層多道焊和窄間隙埋弧焊，具有耐氣孔性及脫渣性佳，焊縫韌性好等特點(diǎn)。

第二，氣體保護(hù)焊焊材：昆山天泰TWE—711Ni，使用純CO2為保護(hù)氣體，適用于全位置焊接，電弧穩(wěn)定、飛濺少、脫渣容易，具有良好的低溫沖擊韌性。

第三，焊條電弧焊焊材：四川大西洋CHE58—1，其具有優(yōu)異的焊接工藝性能，電弧挺度好，不易產(chǎn)生磁偏吹，焊縫成形美觀，飛濺少，脫渣容易；焊縫金屬具有優(yōu)良穩(wěn)定的低溫韌性及抗裂性能。

（2）焊接設(shè)備 項(xiàng)目中使用的焊接設(shè)備主要有以下幾種：

第一，埋弧焊采用林肯DC—1000（見圖2），它也可適用于碳弧氣刨。其輸出電流為150～1300A，輸出電壓為16～46V。它具有的電壓波動(dòng)補(bǔ)償電路在電源電壓變化10%時(shí)仍能保持輸出電壓和電流恒定，使焊接質(zhì)量得以保障。

第二，氣體保護(hù)焊采用松下YD—500ER1（見圖3）高送絲性能逆變通用CO2/MAG焊機(jī)，額定負(fù)載持續(xù)率為100%，輸出電流為60～550A，輸出電壓為17～41V。其對焊工技能要求較低，容易上手操作，焊接調(diào)節(jié)簡單輕松，焊絲送給穩(wěn)定，適應(yīng)各種惡劣的送絲環(huán)境和長距離延長電纜工作條件。

第三，焊條電弧焊主要采用唐王ZX7—500（見圖4）。其具有較強(qiáng)的電網(wǎng)自動(dòng)補(bǔ)償能力，適用范圍廣。控制電路采用數(shù)字邏輯電路，性能穩(wěn)定可靠，具有良好的動(dòng)特性，引弧容易，焊接飛濺小，噪聲小，具有完善的自動(dòng)保護(hù)功能，能配接無線遙控裝置，電流調(diào)節(jié)方便，特別適合遠(yuǎn)距離和高空作業(yè)。其額定焊接電流為30～500A，額定負(fù)載持續(xù)率為60%。

圖2

圖3

圖4

4.結(jié)語

荔灣3-1天然氣綜合處理平臺的建造，極大地推動(dòng)了海工焊接技術(shù)的發(fā)展。超厚板CTOD焊接工藝的開發(fā)成功，免去了焊后熱處理，大大降低了施工強(qiáng)度與成本，也保證了施工質(zhì)量。大直徑大壁厚雙相不銹鋼焊接工藝在滿足項(xiàng)目耐腐蝕性能等要求的同時(shí)，既提高了施工效率，降低了成本，又提升了企業(yè)自身的競爭力。

荔灣3-1天然氣綜合處理平臺的建成表明我國在深水超大型油氣平臺設(shè)計(jì)、建造能力上取得了標(biāo)志性突破，我國海洋石油工業(yè)也因此正式從淺水領(lǐng)域跨向深水領(lǐng)域。

【鏈接】

2014年1月3日，中國海洋學(xué)會(huì)、中國太平洋學(xué)會(huì)和中國海洋湖沼學(xué)會(huì)常務(wù)理事及理事聯(lián)合投票，評選出“2013年中國十大海洋科技進(jìn)展”。

※“蛟龍”號2013年試驗(yàn)性應(yīng)用航次創(chuàng)造十項(xiàng)佳績

※我國建造的亞洲最大海上油氣平臺荔灣3-1天然氣綜合處理平臺建成并安裝成功

※我國科學(xué)家最新研究對“地幔羽”假說提出了挑戰(zhàn)

※我國在國際海底區(qū)域獲得富鈷結(jié)殼礦區(qū)的專屬勘探權(quán)和優(yōu)先開采權(quán)

※我國實(shí)現(xiàn)世界最長海底沉管隧道的首次對接

※我國近海水體環(huán)境衛(wèi)星遙感關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用成果達(dá)國際領(lǐng)先水平

※我國在海洋焊接關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破

※我國首個(gè)全球業(yè)務(wù)化海洋學(xué)預(yù)報(bào)系統(tǒng)正式運(yùn)行

※我國自主研發(fā)的無人無纜潛器“潛龍一號”成功下潛5080m

※在我國近海首次探獲高純度新類型天然氣水合物