水下干式焊接技術(shù)在導(dǎo)管架裂紋修復(fù)的研究

陳波++徐志毅++黃竹

摘 要：南海東部海域某平臺導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)ACFM檢測發(fā)現(xiàn)裂紋，其中兩道深度超過6.8 mm裂紋焊道擬采用局部干法水下焊接技術(shù)進(jìn)行修復(fù)處理。該文簡介了水下焊接技術(shù)，通過焊接工藝規(guī)程評定、焊工認(rèn)證、實體模型試驗、現(xiàn)場執(zhí)行焊接等全面闡述了平臺導(dǎo)管架裂紋修復(fù)的工作流程和注意事項，希望能為今后導(dǎo)管架水下裂紋修復(fù)項目提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：裂紋 水下焊接 模型試驗

中圖分類號：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0012-03

1 工程概況

南海東部海域某平臺在水下檢測過程中發(fā)現(xiàn)多條裂紋和缺陷，其中在N42-M676、N43-M481節(jié)點上的兩條疑似裂紋尺寸大，已超過允許打磨極限，且N42、N43節(jié)點異常復(fù)雜，與節(jié)點相連的空間桿件達(dá)7根之多，卡箍加強(qiáng)復(fù)雜且加強(qiáng)效果難以保證。在此困境下，通過專家討論，決定從國外引進(jìn)水下局部干式焊接技術(shù)進(jìn)行裂紋修復(fù)。

在此之前，水下焊接技術(shù)在我國固定平臺導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)焊縫裂紋修復(fù)中沒有實際的應(yīng)用案例，此次水下焊接技術(shù)應(yīng)用是國內(nèi)的首次嘗試。

2 水下焊接技術(shù)簡介

隨著海洋油氣資源大開發(fā)時代的到來，大量的海洋工程建設(shè)和維護(hù)工作需要先進(jìn)的水下焊接技術(shù)作為支持。水下焊接技術(shù)已成為采油平臺、輸油管道和海底倉庫等大型海洋結(jié)構(gòu)物組裝、維護(hù)及維修的關(guān)鍵所在。

水下焊接種類繁多，從工作環(huán)境上可以分為濕法焊接和干法焊接，其中干法水下焊接包括高壓干法水下焊接、常壓干法水下焊接和局部干法水下焊接等。以下就局部干法焊接技術(shù)以及在導(dǎo)管架裂紋維修方面的研究成果進(jìn)行介紹。

2.1 局部干法水下焊接

無論是濕法或干法水下焊接，都由于其固有的不可克服的缺點，而極大影響了它們對日益復(fù)雜化的海洋結(jié)構(gòu)的適用性。局部干法焊接是用氣體把正在焊接的局部區(qū)域的水人為地排開，形成一個較小的氣相區(qū)，使電弧在其中穩(wěn)定燃燒的焊接法。由于它降低了水的有害影響，使焊接接頭質(zhì)量比濕法焊接得到明顯改善。與其他干法焊接相比，無需大型昂貴的排水氣室，適應(yīng)性明顯增大。它綜合了濕法和干法兩者的優(yōu)點，是一種較先進(jìn)的水下焊接方法，也是當(dāng)前水下焊接研究的重點與方向。局部干法種類較多，日本提出了水簾式及鋼刷式，在美國和英國是干點式及氣罩式，而法國新近發(fā)展了一種旋罩式。

2.2 某平臺導(dǎo)管架焊縫裂紋擬采用的局部干法水下焊接技術(shù)

2.2.1 導(dǎo)管架焊縫裂紋缺陷顯示的描述

經(jīng)ACFM檢測確定焊縫裂紋的位置和尺寸情況如圖1、圖2和表1所示。

2.2.2 水下焊接技術(shù)采用的標(biāo)準(zhǔn)和方法

依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：UNDERWATER WELDING CODE，AWS D3.6（2010）。

修補(bǔ)焊接方法：局部干式水下SMAW焊接技術(shù)。

根據(jù)平臺導(dǎo)管架擬修補(bǔ)焊縫的位置、尺寸大小和節(jié)點結(jié)構(gòu)形式，定制一個排水氣室（Habitat），排水氣室包括帶有密封壓條和透明窗的外罩，內(nèi)部加熱裝置，通氣和排水進(jìn)出口閥門，多個焊條插入口。焊接時，將定制排水氣室安裝在指定位置上，利用綁扎帶、磁鐵等固定裝置系固，保證密封。用空氣將氣室內(nèi)的水排出；然后，對排水氣室進(jìn)行加熱、通風(fēng)，使氣室內(nèi)干燥度、預(yù)熱溫度達(dá)到焊接要求；潛水焊工按照WPS（Welding Procedure Specification，焊接工藝規(guī)程）參數(shù)要求開始實施焊接；焊接過程中的焊接參數(shù)、氣相環(huán)境的氣體成分和壓力由水面人員進(jìn)行設(shè)定和監(jiān)控，潛水焊工可根據(jù)水下實際情況，通過通氣閥作適當(dāng)調(diào)整，或與水面人員溝通調(diào)整。潛水焊工在水中施焊是依次將焊條從預(yù)先設(shè)定好的插入口插入氣室內(nèi)的氣相區(qū)一段一段地進(jìn)行焊接，將焊縫連接起來。焊工可以通過排水氣室的透明窗進(jìn)行焊接質(zhì)量觀察，通過插入口，用特制打磨頭進(jìn)行焊縫的打磨工作。

2.3 水下焊接技術(shù)實施方案的基本流程

水下焊接技術(shù)實施不僅僅包括水下焊接方法操作基本過程，還包括了大量的焊前準(zhǔn)備工作和焊后處理工作，其基本流程可以歸納如下。

（1）焊接工藝規(guī)程評定和焊工認(rèn)證。

（2）實體模型試驗。

（3）現(xiàn)場執(zhí)行焊接。

2.3.1 焊接工藝規(guī)程評定和焊工認(rèn)證

為了確保焊接操作順序、焊接質(zhì)量，應(yīng)按水下焊接AWS D3.6（2010）的要求，對焊接工藝進(jìn)行評定和焊工認(rèn)證。主要要求如下。

（1）試驗板材的選擇，AWS D3.6（2010）要求試驗板材的化學(xué)成分、機(jī)械性能和材料等級盡量與實際材料接近，但無論如何，碳含量和碳當(dāng)量不能低于實際材料的碳含量和碳當(dāng)量，這一點與AWS D1.1（2010）有較大的區(qū)別。

（2）制定PWPS焊接工藝參數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)場實際需求，工藝的覆蓋范圍，水深方面可以覆蓋±20 m。

（3）試驗樣板準(zhǔn)備。采用兩塊鋼板拼裝焊接，按現(xiàn)場裂紋的實際需要決定做1G、2G、3G位置焊接，用于焊接返修的試驗樣板坡口開單面V，35°C～40°C可以接受。非全刨透返修的試驗樣板可以在背面加扁鐵（圖3）。

（4）在大的試驗水艙里，把排水氣室與試驗樣板安裝好，做好焊前的準(zhǔn)備工作：排水、通氣、干燥、加熱。

（5）對試驗樣板按照批準(zhǔn)的PWPS（初級焊接工藝規(guī)程）要求進(jìn)行水下焊接（圖4）。

（6）焊接完成后按PWPS要求進(jìn)行保溫、降溫后，才能拆除排水氣室，使焊縫浸水。

（7）對完成焊接的樣板按照AWS D3.6（2010）要求進(jìn)行機(jī)械性能試驗。

①RT無損檢測；

②強(qiáng)度試驗；

③彎曲試驗；

④沖擊試驗；

⑤宏觀和硬度試驗（最大不超過HV10 325）。

（8）試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，提交焊接工藝評定報告（PQR）和焊接工藝規(guī)程（WPS）報第三方和業(yè)主審批。注意：AWS D3.6中2G位置全熔透（CJP）PQR僅能覆蓋2G，不能覆蓋1G，這點與AWS D1.1不同。

（9）焊工認(rèn)證。按照PWPS完成焊接操作，結(jié)果合格的焊工獲得資格認(rèn)證。注意：AWS D3.6中3G位置全熔透（CJP）焊接僅能覆蓋1G和3G，不能覆蓋2G，這點與AWS D1.1不同，AWS D1.1可以覆蓋1G、2G和3G。

2.3.2 實體模型試驗

為了確保潛水員（焊工、檢測人員）能做好水下焊縫修補(bǔ)的準(zhǔn)備工作，需要熟悉焊接修理的操作過程。在真正執(zhí)行水下焊接任務(wù)前，需要模擬現(xiàn)場實際情況進(jìn)行實體模型試驗，即根據(jù)平臺導(dǎo)管架現(xiàn)場實際情況，按1∶1比例復(fù)制具有相同幾何尺寸和節(jié)點連接形式的局部導(dǎo)管架節(jié)點的結(jié)構(gòu)模具，置于水池內(nèi)進(jìn)行水下焊接操作試驗。

進(jìn)行水下焊接所用的焊接施工設(shè)備、輔助設(shè)備（通氣、加熱等）和排水氣室應(yīng)利用實體模型試驗來驗證其具有良好的工作狀況，適用于預(yù)期的現(xiàn)場工作環(huán)境。

通過實體模型試驗，從裂紋缺陷打磨，焊前無損檢測，排水氣室安裝、排水、加熱，實施焊接操作，焊后保溫、降溫，直到焊后無損檢測，真實地模擬整個水下焊接操作過程，可以從中發(fā)現(xiàn)焊接過程中可能會出現(xiàn)的問題，幫助焊工進(jìn)一步完善水下焊接工藝操作流程，以避免和應(yīng)對這些問題的發(fā)生，提高水下焊接工作的質(zhì)量和效率。

實體模型試驗的基本內(nèi)容包括如下幾方面。

（1）按實際導(dǎo)管架幾何尺寸、結(jié)構(gòu)連接形式制作結(jié)構(gòu)模具（圖5）。

（2）節(jié)點排水氣室的設(shè)計、制作（圖6）。

（3）排水氣室在結(jié)構(gòu)模具上的匹配、安裝、移除操作（圖7）。

（4）焊工水下焊接實操演練。

（5）水下NDT檢測實操演練。

2.3.3 現(xiàn)場執(zhí)行焊接

在執(zhí)行現(xiàn)場焊接修理工作前，應(yīng)完成編制水下焊接工藝規(guī)程WPS、水下焊接工作程序、水下焊接檢驗試驗計劃（ITP）等程序文件，提交業(yè)主和第三方審核通過。水下潛水員（焊工、檢測人員）、現(xiàn)場（監(jiān)督、水面檢測）人員、第三方驗船師應(yīng)熟知水下焊接的工作流程要求，保證整個工作能按照預(yù)定操作程序一步步開展，并得到有效控制。

現(xiàn)場執(zhí)行焊接的基本步驟如下。

（1）通過NDT檢測（ACFM）再次劃定裂紋缺陷范圍。

（2）通過第二種NDT檢測方法（水下ACMPI或DCMPI）確定裂紋的起始位置、形態(tài)、幾何尺寸，這一步非常必要，因為ACFM敏感性過強(qiáng)，易出現(xiàn)誤判，需要驗證。

（3）進(jìn)行打磨前，應(yīng)該先在裂紋兩端打止裂孔，以防裂紋的擴(kuò)散。

（4）采用手工機(jī)械打磨清除裂紋，不允許用水下碳弧氣刨。打磨應(yīng)沿深度方向逐層深入，邊磨邊ACFM檢查，直至裂紋完全被清除。

（5）確認(rèn)打磨坡口的參數(shù)（坡口方向、角度、根部圓角等）符合WPS要求（圖8）。

（6）采用第二種NDT檢測（水下ACMPI或DCMPI）再次確認(rèn)裂紋清除。

（7）清除海生物，準(zhǔn)備排水氣室的安裝。

（8）利用綁扎帶和磁鐵安裝固定排水氣室，并檢查密封狀況。

（9）對排水氣室進(jìn)行空氣加壓排水，檢查氣室的穩(wěn)固性。

（10）按WPS預(yù)熱溫度要求執(zhí)行加熱、通氣干燥。

（11）按WPS要求設(shè)定焊接參數(shù)，由水下潛水焊工完成焊接操作。

（12）記錄整個焊接操作參數(shù)、焊接預(yù)熱溫度、層間溫度和時間等數(shù)據(jù)。

（13）焊后保溫、降溫過程。完成焊接后，應(yīng)保證氣室繼續(xù)密封，不能進(jìn)水，并對氣室內(nèi)持續(xù)保溫（125 ℃）4 h，然后，按預(yù)定降溫速度（50 ℃/h）降至50 ℃以下，方可拆除氣室進(jìn)水。

（14）焊后表面NDT檢測，按照AWS D3.6（2010）中7.9章節(jié)的要求進(jìn)行檢測。

（15）檢測合格后，對焊縫表面進(jìn)行必要的打磨光順。

（16）最后，提交水下焊接修理、檢測報告。

3 結(jié)語

伴隨著海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展以及我國海洋工程向深海的挺進(jìn)，水下焊接技術(shù)的應(yīng)用將會越發(fā)廣泛、成熟和穩(wěn)定。雖然最終這兩條疑似裂紋經(jīng)過復(fù)檢和多次專家論證，確定是導(dǎo)管架制作過程中的焊接缺陷且擴(kuò)展風(fēng)險小，只需進(jìn)行定期監(jiān)控，未能最終實施水下局部干式焊接。但通過從頭開始就積極參與其中，查閱規(guī)范要求、各類水下焊接文獻(xiàn)和案例，在試驗過程和海上實施現(xiàn)場與執(zhí)行水下焊接任務(wù)的外方專家進(jìn)行溝通、交流和學(xué)習(xí)，對水下焊接設(shè)備、特殊焊條、輔助工具、焊接和檢測實施方案、水下焊接工作流程有了一個直觀而較全面的了解，為將來遇到類似復(fù)雜節(jié)點裂紋的維修提供了技術(shù)儲備。

參考文獻(xiàn)

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