海洋設施棄置吊點焊接工藝淺析

劉 帥* 劉雪宜 王 儒 王宏波 田永花

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

新建海洋平臺設施在海上安裝完成后，為了避免對后續生產流程產生干涉和影響，通常會將安裝時吊裝用的吊點切除。平臺設施服役完成后進入棄置流程，在拆除平臺設施時，吊點需要恢復安裝。平臺建造選用的鋼材類型需要綜合考慮生產工藝要求、結構形式等因素，棄置時也應根據平臺結構鋼材的材質，結合焊接工藝評定來確定棄置吊點所用的鋼材和焊材。

1 吊點焊接工藝分析

平臺結構棄置吊點主要有兩種結構形式，即trunnion 形式和pad-eye 形式，應根據鋼結構的受力情況和鋼材用量來確定吊點的結構形式。

選擇焊接方法時應遵循以下原則：首先需要保證焊接質量，獲得內在質量和外觀均合格的焊接接頭，焊接變形小；其次，需具有較高的生產效率，實現機械化或自動化焊接，便于施焊，經濟效益較好。選擇焊接方法時應根據母材的性能、結構受力情況、焊接結構特點及現場施工條件等因素進行綜合考慮。海洋工程常用的焊接方法包括以下幾種。

埋弧焊采用顆粒狀焊劑進行保護，但只適用于平焊和角焊位置，焊接時使用的電流較大，電弧的電場強度較高，電弧穩定性較差，因此不適合焊接較薄工件。該方法具有生產效率高、焊縫成形好、成分穩定、力學性能好、焊縫質量高、勞動條件好等優點。

手工焊條電弧焊操作和維修方便，生產成本較低，但生產效率較低，產品質量受焊工技術水平影響較大。手工鎢極氬氣保護電弧焊以氬氣為保護氣體進行焊接，焊縫質量容易控制，在很小的電流區域內電弧穩定性好，適用于焊接薄板，也可進行多方位焊接。使用交流電源時，該方法具有自動清除熔池表面氧化膜的功能，因此，可用于焊接化學性能活潑、易氧化的有色金屬、不銹鋼，但工件坡口加工的工作量較大、生產效率低，生產成本高，鎢極承載電流的能力較差，當焊接電流過大時，易引起鎢極熔化或破碎，造成焊縫夾鎢。

藥芯焊絲電弧焊依靠藥芯熔化時產生的氣體及熔渣來聯合保護熔化金屬，生產效率較高，但焊縫的塑性和韌性稍差，焊接時煙塵較多，進行長弧焊時容易出現氣孔。熔化極氣體保護電弧焊的生產效率較高，可進行多個方向的焊接，便于實現機械化和自動化。該方法既可焊接普通碳鋼，又可焊接不銹鋼、鑄鐵和有色金屬。

本文以CO2氣體保護焊為例，對棄置吊點焊接工藝進行介紹和分析。

1.1 焊接準備

（1）焊接前，應將在坡口兩側30 mm 范圍內影響焊接質量的毛刺、油污、水銹及氧化物清理干凈。

（2）當施工環境溫度低于0 ℃，鋼材碳當量大于0.41%，結構鋼性過大和工件較厚時，應進行焊前預熱，預熱溫度為80～100 ℃，預熱范圍為板厚的5 倍，且不應小于100 mm。

（3）工件厚度大于6 mm 時，為了確保焊接強度，應在板材的對接邊緣開V 形或X 形坡口，坡口角度為60°，鈍邊厚度為0～1 mm，裝配間隙為0～1 mm；當板厚差不小于4 mm 時，應對較厚板材的對接邊緣進行削斜處理。

（4）若使用瓶裝氣體，則應進行排水提純處理，且應檢查氣體壓力。

（5）對CO2焊機的焊機送絲情況和氣體流量進行檢查。

1.2 焊接材料要求

（1）CO2氣體質量分數為99.5%，含水量（質量分數，下同）不超過0.1%，含碳量不超過0.1%。

（2）應根據焊接件的材料確定相應的焊絲牌號。

1.3 焊接要點

（1）對于不開坡口的薄板，對接和立角焊可采用向下的焊接順序。

（2）室外作業風速大于1 m/s 時，應采取防風措施，在吊耳四周加圍板擋風。

（3）根據被焊工件的結構形式，選擇合理的焊接順序。

（4）工件對接兩端應設置尺寸合適的引弧板。

（5）定期清理軟管內的污物及噴嘴里的飛濺物。

（6）根據焊絲直徑正確選擇焊絲導電阻，伸出長度一般控制在10 倍焊絲直徑范圍內。

（7）焊絲軟管焊接時必須拉順，不能彎曲，焊絲軟管半徑不小于150 mm，施焊前應將送氣軟管內殘存的不純氣體排出。

（8）導電阻磨損后孔徑增大時，會引起焊接不穩定，需重新更換導電阻。

1.4 焊接程序

（1）焊接板焊縫時，對于縱橫交叉的焊縫，應先焊接端焊縫，然后焊接邊焊縫。

（2）接縫長度超過1 m 時，應采用對稱焊法或逐步退焊法。

（3）對稱結構的工件應從中央向首尾方向焊接，左、右方向對稱進行焊接。

（4）當工件焊縫質量不合格時，應在布置工件時進行反復修改直至合格，不得留到整體安裝焊接時再進行修改。

（5）如工件平、立、角焊同時存在時，應先焊立角焊縫，后焊平角焊縫；先焊短焊縫，后焊長焊縫。

1.5 焊接質量要求

對于重要結構的焊縫，按設計規定進行X 光或超聲波內部檢查，并按設計規定進行評定。進行外表焊縫檢查時，所有結構焊縫都需檢查，其焊縫外表質量要求如下：（1）焊縫直線度不大于100 mm，內直線度不大于2 mm；（2）焊縫過渡時，不應有突變小于90°的過渡角度；（3）角焊縫K值公差為工件板厚，工件板厚不大于4 mm 時，0.9K0≤K≤K0+1；工件板厚大于4 mm 時，0.9K0≤K≤K0+2（K0為焊腳尺寸）；（4）當板厚不大于6 mm 時，d≤0.3 mm；當板厚大于6 mm 時，d≤0.5 mm（d為焊接咬邊深度）。（5）焊縫不應低于工件表面，且不應存在尚未熔合的缺陷；（6）多道焊縫表面堆疊相交處，下凹深度應不大于1 mm；（7）焊接缺陷可進行修補，修補后應打磨。（8）工件為鑄鋼件時，焊后必須經過550 ℃的退火處理，以消除應力；（9）焊接結構件的性能需通過第三方檢驗機構的認可。

2 應用案例

錦州21-1WHPA、錦州20-2SW 平臺棄置項目中，WHPA 平臺組塊基礎質量為1 384 t，導管架基礎質量為655 t，SW 組塊原始基礎質量為832 t，導管架基礎質量為1 070.7 t，2 座平臺組塊和導管架共計需焊接16 個吊點。組塊吊點焊接時，吊點底部圓管需與組塊主樁腿頂部圓管對接焊接，錦州21-1WHPA組塊主樁腿圓管直徑為1 016 mm，錦州20-2SW 組塊主樁腿圓管直徑為914 mm，每個吊點質量為1～2 t，焊接工作量非常大。吊點工作包括陸地預制焊接和海上焊接兩部分，每座平臺8 個吊點焊接均需要22 天的工期，工期較長。

組塊原始吊點采用trunnion 形式，雖然結構強度滿足設計要求，但需要的鋼材量較大，導致資源浪費，通過優化設計后，采用Padeye 形式的吊點，節省了鋼材用量，根據焊接工藝評定報告，材料選取D36 鋼。綜合考慮導管架樁腿的結構形式、結合結構受力狀況和工期并行等因素，導管架吊點采用trunnion 形式，組塊和導管架吊點的焊接工藝符合CCS 海上焊接相關規范。采用焊接效率較高的CO2氣體保護焊進行吊點焊接。

同時，針對海上不利氣象制定了應急預案。施工方在施工時盡量選取好氣象進行焊接作業，組塊吊點焊接作業需要在一個氣象周期內完成。海上氣象存在很大的不確定性，為了應對中途氣象變差的情況，工程船撤離現場時，人員和設備需要轉移到平臺上繼續進行焊接作業，同時對吊點和焊機進行防風、防雨處理。需要預先準備的施工資源包括：移動式發電機，生活集裝箱，燃油及焊絲、焊機配件。

在吊點焊接階段，應對焊接質量進行嚴格把關，設置關鍵質量控制點，加強對關鍵施工工序和薄弱環節的監控，把影響質量控制點的關鍵質量特性因素降到最低，加強施工全過程的監控，最終焊縫磁粉檢測一次合格率達到了99.98%，將返工作業量控制到最少，通過一系列優化措施節省了海上施工工期12.5天，創造了可觀的經濟效益，焊接合格率詳細情況如表1 所示。

表1 焊接合格率統計表（包括陸地及海上施工）

3 結論

未來油田平臺增儲上產的規模不斷提高，平臺結構規模將愈大，選用鋼材的質量等級將更高，對棄置吊點焊接工藝提出了更高的要求。提高焊接質量、節約鋼材消耗量、縮短焊接工期將是未來的主要發展方向。