高強鋼在大型半潛式平臺組塊建造中的應(yīng)用

王 娟楊明旺鄭茂堯劉凌云趙立君

(海洋石油工程(青島)有限公司,青島 266555)

0 引 言

鋼鐵是海洋工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)平臺、鉆井平臺、海底管道等。以往在海洋領(lǐng)域中只有關(guān)鍵性部位采用420 MPa高強鋼,比如海洋平臺用齒條鋼和載人深潛器,我國鋼廠近幾年材料性能有了很大的突破,寶鋼和武鋼鋼廠采用調(diào)質(zhì)工藝完成了屈服強度690 MPa高強度海洋平臺用齒條鋼,自升式海洋平臺樁腿178 mm 厚板為自升式平臺升降機構(gòu)所有的齒條鋼、半圓板國產(chǎn)化鋪平了道路[1]。

對于固定式平臺組塊結(jié)構(gòu),屈服強度為355 MPa的DH36鋼板為主結(jié)構(gòu)選型材料。隨著海洋平臺事業(yè)挺進深海,半潛式平臺國產(chǎn)化進程加快,浮式平臺的作業(yè)工況復(fù)雜性造成了設(shè)計中不僅要考慮設(shè)備縱向力,同時需要考慮環(huán)境載荷的影響,在半潛式平臺組塊中,70%結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了屈服強度為420 MPa級別的高強鋼。

同時,平臺的重量控制將對半潛式平臺的性能產(chǎn)生很大影響,對組塊的減重也有了更加嚴(yán)格的要求。相比固定式平臺,“深海一號”能源站組塊采用高強鋼,初步評估節(jié)省了約500t重量,起到了良好的減重效果。

高強鋼的使用在海工領(lǐng)域還是不夠成熟的,通過“深海一號”能源站組塊,本文將從項目運行階段的材料采辦和施工建造2個維度進行闡述,為后續(xù)項目提供參考。

1 高強鋼類型

1.1 適用范圍

以“深海一號”能源站組塊為例,主結(jié)構(gòu)的鋼板均采用全為420 MPa級別的鋼材。根據(jù)材料性能,最終選用API 2Y Gr.60 海洋結(jié)構(gòu)用淬火加回火鋼板,在組塊結(jié)構(gòu)材料中的比重大概為70%。主要應(yīng)用于所有組塊主結(jié)構(gòu)鋼材[2],包括:

(1)關(guān)鍵加厚管段、關(guān)鍵環(huán)板、關(guān)鍵翼緣板。

(2)環(huán)板、翼緣板、節(jié)點管段、組塊吊點,其余特別標(biāo)明的位置。

(3)組合梁翼緣板和腹板(包括腹板插入板),主結(jié)構(gòu)桁架立柱,板狀和管狀組合梁筋板,W 型鋼筋板。

1.2 材料性能

半潛式平臺組塊所用的關(guān)鍵部位的鋼板必須抗沖擊、塑性疲勞和層間撕裂。與355 MPa級別鋼材相比,除化學(xué)成分不同外,主要區(qū)別是機械性能的提高。化學(xué)成分要求如表1所示,機械性能要求如表2所示。

表1 化學(xué)成分要求(熔煉分析,%)Tab.1 Chemical composition(melting analysis,%)

表2 機械性能要求Tab.2 Mechanical properties

2 采辦和檢驗要求

應(yīng)該在訂單中補充如表3所示的要求。

表3 高強鋼適用范圍Tab.3 Application scope of high strength steel

S1 超聲波探傷:按照直射波檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對鋼板脈沖反射超聲波檢驗,驗收等級為A 級。任何區(qū)域中由于一個或多個不連續(xù)性導(dǎo)致底面反射波連續(xù)總體衰減,并伴隨在同一平面上連續(xù)顯示,如果該區(qū)域不能被一個直徑為3 in(75 mm)的圓所包圍,就不能驗收。

S3 附加拉伸試驗:淬火回火鋼板,每一批次取2個拉伸試樣,試樣應(yīng)從鋼板兩端的角部切取。

S4 厚度方向試驗:對于厚度等于和大于3/4 in(19 mm)的鋼板,上述拉伸試樣的軸線與其鋼板表面垂直。每張母材取2個試樣,試樣縱軸垂直于鋼板表面。在板寬中間位置處取一個試樣。按照ASTM A370 的規(guī)定進行拉伸試驗。每一拉伸試樣的斷面收縮率不應(yīng)小于30%。如果取自同一張鋼板的2個試樣之一的斷面收縮率低于30%而不小于25%,則應(yīng)在臨近失敗試樣處,再切取2個試樣進行復(fù)驗,2個復(fù)驗試樣的斷面收縮均應(yīng)等于或大于30%。

S5 改善了厚度方向性能的低硫鋼,最大含硫量改為0.006%。

S8 應(yīng)變時效對比V 形缺口沖擊試驗:能夠代表每一爐所產(chǎn)最薄和最厚的鋼板,在切割試件前使其在軸向力的作用下產(chǎn)生均勻形變,然后對試件做對比V 形缺口沖擊試驗。

S11 試生產(chǎn)鑒定:在出廠之前,按照規(guī)范,結(jié)合具體煉鋼和軋制工作,用專門的焊接和力學(xué)試驗方法進行預(yù)鑒定。

3 施工差異性

3.1 高強鋼焊接

“深海一號”能源站項目高強鋼焊接是在海洋工程領(lǐng)域的首次大規(guī)模應(yīng)用,缺乏相應(yīng)的應(yīng)用經(jīng)驗及焊接工藝,需要結(jié)合項目特點和半潛平臺特點開發(fā)最新工藝。

根據(jù)材料強度、韌性等要求,以及項目結(jié)構(gòu)形式特點,展開研發(fā)適合于海工場地和半潛平臺項目的焊接工藝方案;在焊接工藝評定試驗的過程中,嚴(yán)控工藝的焊接參數(shù),最終成功開發(fā)全套焊接工藝(GMAW+SAW、SMAW+FCAW-G、SMAW),能夠覆蓋整個項目全部結(jié)構(gòu)形式。

針對壁厚為50～90 mm 的大厚板,開發(fā)CTOD工藝,滿足-10℃下,全部CTOD 試驗結(jié)果大于0.25 mm,免除PWHT。

3.2 高強鋼卷制

對于半潛平臺建造的重中之重是合攏的精度,合攏精度的重要因素之一就是立柱的建造公差。“深海一號”能源站項目的立柱直徑達(dá)到2 600 mm,厚度達(dá)到90 mm,提出如下極其嚴(yán)苛的要求:

(1)內(nèi)徑的公差要求為±2 mm。

(2)對于與船體接觸的生產(chǎn)甲板立柱(4 處),卷管內(nèi)周長與理論值之間不能大于±6 mm。

(3)對于與船體接觸的生產(chǎn)甲板立柱(4 處),沿圓周方向上任意一點的內(nèi)徑與理論值之間不能大于±2 mm。

“深海一號”能源站高強鋼的屈服強度為420 MPa,國內(nèi)常規(guī)項目的卷制母材強度為355 MPa,高出20%。大管徑大壁厚大強度“三大行業(yè)調(diào)整”,建造過程中對立柱卷制提出挑戰(zhàn),經(jīng)過卷管機的實驗和現(xiàn)場溝通交流,多次討論分析后,得到高強鋼卷制的經(jīng)驗,保證了重中之重的8個立柱點的立柱卷制工作。為了保證高強鋼管的卷制要求,需要制訂嚴(yán)格的鋼管卷制流程(見圖1和圖2)。

圖1 立柱卷制流程圖Fig.1 Flowchart of column rolling

圖2 現(xiàn)場流程Fig.2 Fabrication of column rolling

3.3 高強鋼質(zhì)量檢查

所有材料在切割之前,需根據(jù)檢驗程序驗收,確認(rèn)板材的型號、等級和爐批號,有特殊性能要求的板材要特別注明,如“Z”向性能板。

按照管的尺寸確定切割線和板的卷制方向,用火焰切割機具切割坡口,坡口在卷制前切割,切割前后都檢查尺寸,卷制前按照規(guī)定的半徑對板材端頭壓邊。

從板材的邊緣開始按照規(guī)定的半徑對稱均勻卷制,如果板材因過厚或者屈服強度過高壓邊困難,可直接卷制,逐漸增大上滾輪的壓力,逐步達(dá)到要求的半徑。在卷制的過程中,利用卷管機的限位避免板材出現(xiàn)縱向的偏離,根據(jù)直徑制作60°內(nèi)弧檢測樣板,按要求檢測卷制鋼管。在吊上和吊離卷板機的過程中,要避免板材和管材被吊索或卡具損傷。卷管過程中隨時清理板材的整個表面,清除所有的焊接殘渣、鐵銹和其他可能損壞壓輥表面的突出物。縱縫的根部間隙和錯皮應(yīng)使用合適的夾裝工具進行調(diào)整并用定位焊固定,定位焊焊縫總長要足以保證強度要求,每段定位焊長度應(yīng)不小于50 mm,同時應(yīng)滿足焊接程序的要求。根據(jù)API SPEC.2B和相關(guān)檢驗程序(組對檢驗程序),利用內(nèi)弧檢測樣板和直尺進行裝配檢驗。在卷制管的縱縫兩端要使用引弧和熄弧板,弧板長100 mm,坡口、板厚和曲度與鋼管一致,引弧板的材料應(yīng)與卷制管相同。開始縱縫封底焊,縱縫內(nèi)側(cè)焊接,縱縫外側(cè)清根,如果WPS中有要求,焊前必須清根,包括定位焊和封底焊,徹底清除掉滲碳層和其他缺陷。縱縫外側(cè)焊接,弧板移除,在母材表面留有3 mm 弧板,其余用火焰切去,然后在母材上打磨至光滑。如果焊接管在自檢之后需要矯正,則需要對卷管進行整圓以達(dá)到規(guī)定的半徑。如果卷管自檢合格,則需報質(zhì)檢部門進一步檢查。在整圓前,過高的焊肉(如果有)要打磨掉,以使焊接光滑過渡到母材,滿足外觀要求。在調(diào)圓過程中,上滾輪不要過度加壓以免焊縫和母材受到機械損傷。后進行外觀、尺寸和誤差檢驗。

對于在母材上檢查出的每一處缺陷都應(yīng)進一步地探測以確定其范圍。對于完工的鋼管,可不處理深度不超過規(guī)定公稱壁厚5%的缺陷和深度不超過公稱壁厚5%和1.6 mm 的機械傷痕。超過上述限度的缺陷應(yīng)磨削至完好的金屬本體,凹坑部位應(yīng)呈流線型。磨削部位減小的厚度不應(yīng)超過公稱壁厚的7%,但任何情況下不應(yīng)超過3.2 mm。軋制鋼板的缺陷如果超過上述限度而未超過公稱壁厚的20%,可以進行焊補。對深度超過公稱壁厚20%的缺陷或長度及/或?qū)挾瘸^公稱直徑的20%的缺陷,則不允許進行補焊。焊接缺陷修復(fù),規(guī)范不允許的焊接缺陷必須進行處理。

在管的拼接過程中,對鋼管對接坡口的要求,坡口形式及尺寸要嚴(yán)格按照項目典型圖處理。除非有其他圖紙說明,不同壁厚的管(壁厚差＞5 mm)對接時,應(yīng)把對接處做成坡度不超過1∶4 的過渡段。組對和定位焊組對根部間隙:0～3.0 mm。組對后進行直線度檢驗,進行封底焊接,內(nèi)部環(huán)縫焊接,采用埋弧自動焊或手工電弧焊進行填充和蓋面。清根同縱縫焊接,外部環(huán)縫焊接,焊縫外觀檢查。NDT 無損檢驗,外觀及尺寸檢驗,母材和焊接缺陷修復(fù)。各管段卷制完畢后,在運送至下一工序之前,在管段明顯位置標(biāo)注項目名稱、桿件號等信息。

4 結(jié) 語

本文以“深海一號”能源站組塊設(shè)計為例,對比說明了高強鋼用于半潛式平臺組塊設(shè)計上的應(yīng)用特點。根據(jù)“深海一號”能源站平臺組塊設(shè)計的特點和要求,重點闡明了高強鋼的材料性能,采辦附加實驗要求,高強鋼卷管流程。對于今后大型浮式平臺組塊高強鋼的應(yīng)用,本工程案例具有重要參考意義。