淺談海洋平臺齒條的裝及焊接工藝要點

1、淺談海洋平臺齒條的安裝及焊接工藝要點崔全友 孟祥富（青島北海船舶重工有限責(zé)任公司）摘要：海洋鉆井平臺是實施海底油氣勘探和開采的工作基地,它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平，而海上鉆井平臺 起升系統(tǒng)的工作原理是齒輪-齒條機(jī)構(gòu)，在海洋鉆井平臺的工作過程中，齒輪-齒條機(jī)構(gòu)擔(dān)負(fù)著整個平臺的升降工 作。因此在建造海洋平臺時，齒條焊接及其精度控制一玄占據(jù)著十分重耍的地位。關(guān)鍵詞：海洋平臺 齒條 安裝 焊接一、概述：鉆井平臺是主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物。上裝鉆井、動力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救 生和人員住活設(shè)施，是海上汕氣勘探開發(fā)不可缺少的手段，主要有h升式和半潛式鉆井平臺，而我 公司主要是建造自升式鉆井平

2、臺。自升式鉆井平臺，由平臺體、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，平臺體能沿樁腿升降，一般無自航能力。 1953年美國建成第一座口升式平臺，這種平臺對水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快。工作 時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海而的安全工作高度，并對樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺遇 到風(fēng)暴時樁腿不致下陷。鉆完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，由拖 輪拖到新的井位，而鉆井平臺的升降以及樁腿的預(yù)壓全是由以齒條以及齒輪箱為主組成的升降系統(tǒng) 完成的。1989年9月，世界上第-朋極淺海步行坐底式鉆井平臺“勝利二號”在人們驚喜和贊美聲中一 步一步走著下水，拉開了我公司在海洋工程建造方而的序幕。至今我

3、公司在海洋工程尤其是自升式 鉆井平臺的建造己有20年的歷史，從起初的“勝利作業(yè)三號”到最近的“小汕海6號”，尤其是平 臺升降裝置齒條的安裝、焊接及其精度控制方面，隨著我們技術(shù)水平提高及工藝的不斷完善，產(chǎn)品 的質(zhì)量不斷的提升。結(jié)合我公司近幾年海洋工程的建造經(jīng)驗，淺談一下海洋平臺升降裝置齒條的焊接及其精度控制。二、齒條材料的特點及焊接要點1齒條材料的特點齒條為白升式海上石汕平臺的關(guān)鍵構(gòu)件，它承受平臺體升、降時產(chǎn)住的載荷。齒條焊接質(zhì)量的 優(yōu)與劣以及齒條對接縫處的齒間距焊后是否符合公差要求，是保證平臺安全使用的必要條件。由于齒條是調(diào)質(zhì)鋼，以及齒條的厚度大，剛性大，拘束度大，即使悍縫中冇很小的缺陷，也會

4、 形成裂紋源，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。根據(jù)以上特點，調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼的齒條在焊接時應(yīng)進(jìn)行以下工作：1.1調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼在焊接時應(yīng)注意1）控制焊接線能量，避免焊接線能量過人造成焊接接頭軟化；2）低碳調(diào)質(zhì)鋼的特點是含碳量比較低，基體組織是強(qiáng)度和韌性都比校高的低碳馬氏體i下貝氏體，這對焊接有利。但是，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的鋼材，只要加熱溫度超過他的回火溫度，性能就會發(fā)工變 化。焊接時由于熱循環(huán)的作用使熱影響區(qū)強(qiáng)度和韌性的下降兒乎是不可避免的。因此，在焊接低碳 調(diào)質(zhì)鋼時要注意兩個基木問題：要求馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度不能太快，使馬氏體有一 “印川火” 作用，防止冷裂紋的產(chǎn)生；要求在800 500°cz間的冷卻速度大于產(chǎn)

5、生脆性混合組織的臨界速度。 這兩個問題是制定低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接參數(shù)的主要依據(jù)；3）在焊接過程中控制層間溫度，以防止產(chǎn)牛不均勻組織，降低焊縫硬度。1.2為保證齒條焊接質(zhì)量，避免裂紋和保證齒間距公差應(yīng)進(jìn)行1）焊接性試驗 根據(jù)齒條化學(xué)成分進(jìn)行碳當(dāng)量計算； 進(jìn)行齒條斜y型坡口焊接裂紋試驗；2）焊接工藝試驗 確定齒條對接焊縫的坡口型式，測量焊接后的收縮余量，作為制定焊接工藝吋的依據(jù)； 測量對接炸縫的變形數(shù)據(jù)，以確定齒條的炸接順序。2焊接要點根據(jù)我公司近幾年來建造自升式鉆井平臺的經(jīng)驗，就升降裝置齒條的焊接及其精度控制方面將 以我公司建造的“勝利作業(yè)三號”平臺為例做以下闡述。我公司建造的“勝利作業(yè)三號”平臺是我

6、國自行設(shè)計建造的第一座齒輪齒條升降的三腿自升式 修井作業(yè)平臺；是我國“九五”期間國家重大技術(shù)裝備科技攻關(guān)項目。它的投產(chǎn)克服了以往修井作 業(yè)平臺不能實現(xiàn)連續(xù)升降的弱點，使得海上修井作業(yè)范用擴(kuò)人，作業(yè)水深可達(dá)5至25米，并可同時 対9 口井的采油平臺進(jìn)行修井作業(yè)，修井井深可達(dá)4500米。該平臺升降裝置齒條材質(zhì)是美國 astma514q,具體性能指標(biāo)如表1所示。表1 astma514q機(jī)械性能指標(biāo)鋼號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度c沖擊功jastma514q690690-895-40342.1焊材的選擇在選擇焊接材料和制定焊接參數(shù)時，應(yīng)考慮焊縫及熱影響區(qū)組織狀態(tài)對焊接接頭強(qiáng)度、韌性的 影響。根

7、據(jù)等強(qiáng)原則，在建造勝利作業(yè)三號平臺時，我們選用了韓國現(xiàn)代公司的s-1101 &m,具體 性能如表2所示表2 s-11018.m機(jī)械性能試驗結(jié)果牌號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度"c沖擊功js-11018.m690795-6056> 52、 502.2坡口形式由于勝利作業(yè)三號平臺齒條模數(shù)為75mm,采川雙u型坡口可避免坡口開到齒條的齒面上。坡口如圖1所示、 j/圖1 u型坡口2. 3焊前準(zhǔn)備1）焊條s-11018.m經(jīng)350°c400°c烘烤15小時,s-7016.0經(jīng)320350°c烘烤15小 吋后放在120°c150

8、76;c的焊條保溫筒中。2）焊前清除坡口內(nèi)及坡口邊緣兩側(cè)各20mm范圍的氧化物、水、汕、銹等對焊接質(zhì)量有影 響的雜質(zhì)。2. 4焊前預(yù)熱對于低碳調(diào)質(zhì)鋼來說，預(yù)熱的主要目的是防止裂紋，就是說以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度， 通過馬氏體的回火”的作用來提高抗裂性能。當(dāng)預(yù)熱溫度過高時，由于冷卻速度太慢，靠近焊 縫金屬的奧氏體化區(qū)可能轉(zhuǎn)變?yōu)楹懈咛捡R氏體的鐵素體或轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮呢愂象w，這兩種顯微組織 會降低悍接接頭的韌性和強(qiáng)度。通過試驗，在保證燼接接頭不出現(xiàn)裂紋的悄況下,將預(yù)熱溫度確定 為 160 170°co2. 5層間溫度層間溫度為160°c190°c。2. 6后熱處理焊后

9、立即將焊縫及其附近區(qū)域加熱至200210°c,保溫2小吋，然后用石棉布包好緩冷且每小 時降溫不得超過50°co2. 7焊接順序焊接順序參見圖2第：步第一步第：步第三步圖2焊接順序2.8焊后72小時進(jìn)行超聲波以及磁粉檢驗1）超聲波檢驗：所有焊縫經(jīng)超聲波檢驗全部合格，無內(nèi)部焊接缺陷。2）磁粉探傷檢驗：正反血焊縫經(jīng)磁粉探傷檢驗后，無表血焊接裂紋。2. 9焊接工藝評定結(jié)果焊接工藝評定結(jié)果見表3表3 a514q焊接接頭機(jī)械性能試驗結(jié)果項h拉力試驗側(cè)彎曲試驗i）=6ta=180°沖擊試驗（“v”形缺口, -40°c沖擊溫度）抗拉強(qiáng)度n/mnf斷裂位逬焊縫中心熔合線熔

10、合線外2mm熔合線外5mm試驗值805、 845855. 830（4個試樣）母材合格（4個試樣）78、 80. 3842、 55、 40140、 132、 6889、 114. 84上述試驗結(jié)果符合ccs船級社規(guī)范耍求。齒條焊接及其精度完全在公差要求范闌z內(nèi)。3兒座海洋平臺的實例隨著勝利作業(yè)三號平臺順利下水，在以后的時間里，我們又順利完成了 “遼河一號”鉆井平臺、 "中油海63號”平臺、“中油海5號”以及“中油海6號”等平臺的建造。其中中油海5號、6號 平臺是秫妹船，因此僅以中汕海6號平臺為例。以下是各個平臺齒條的特點、焊接材料的選擇、齒條坡口型式以及焊接工藝評定結(jié)杲。3.1遼河一號

11、鉆井平臺1）平臺齒條的材質(zhì)遼河一號鉆井平臺是我國第一艘電動齒輪齒條升降三腿白升懸臂式平臺，采用了多項新工藝、 新技術(shù)，是海上石汕勘探開發(fā)屮所急需的工程裝備，具有廣闊的應(yīng)用前景。該平臺的研制成功標(biāo)志 著我國自升式平臺的研究達(dá)到了一個新的水平，同時為自升式平臺的推廣打下了基礎(chǔ)，將為我國淺 海油田的勘探開發(fā)發(fā)揮更大的作用。該平臺齒條材質(zhì)是dilimax690e,具體性能指標(biāo)如表4所示：表4 dilimax690e機(jī)械性能指標(biāo)鋼號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度°c沖擊功jdil1max690e630720-900-40302）焊條材質(zhì)的選擇根據(jù)平臺齒條材質(zhì)在建造遼河一號鉆井平臺時，我們

12、選用了韓國現(xiàn)代公司的s-11018.m,具體 性能如表5所示。表5 s-11018.m機(jī)械性能試驗結(jié)果牌號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度°c沖擊功js-11018.m690795-6056、 52> 503）坡口遼河一號鉆井平臺齒條齒間距為425.5mm,采用雙k型坡口減少了齒條坡口的加工量，受火焰 切割的影響比較小。坡口如圖3所示：圖3 k型坡口4）焊接工藝評定結(jié)果遼河一號鉆井平臺焊接丄藝評定結(jié)果參見表6o表6 dilimax690e焊接接頭機(jī)械性能試驗結(jié)果項目拉力試驗側(cè)彎曲試驗1）二6t a二 180。沖擊試驗（"v"形缺口，-40t沖擊溫度）抗拉

13、強(qiáng)度n/mm2斷裂位習(xí)焊縫中心熔合線熔合線外2mm熔合線外5mm試驗值813. 825736、 822（4個試樣）母材合格（4個試樣）174. 178. 164182. 192. 194190、 200. 202200. 194. 1983.2中油海63號平臺1 ）平臺齒條材質(zhì)中油海63號平臺是一艘電動齒輪條升降的四腿自升式試采作業(yè)平臺，該平臺試油系統(tǒng)自成體 系，可試驗油井的石油儲量、氣體含量，并根據(jù)試驗釆集的參數(shù)確定配管直徑等設(shè)施，優(yōu)化投入產(chǎn) 出比率，提高經(jīng)濟(jì)效益。齒條材質(zhì)是n25hn,具體性能指標(biāo)如表7所示：表7 n25hn機(jī)械性能指標(biāo)2）焊條牌號選擇我們在建造中油海63平臺時，山于母材機(jī)

14、械性能的捉高，在焊接材料的選擇聲，我們選用了 fi 本神鋼的lb-88lt,實踐也證明lb-88lt的力學(xué)性能完全符合要求。下表（表8）是我們對lb-88lt 做的機(jī)械性能試驗所得到的數(shù)值。表8 lb-88lt力學(xué)機(jī)械性能試驗結(jié)果牌號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度°c沖擊功jlb-88lt870905-40112、 114、 1163）齒條坡口由于中油海63號平臺齒條模數(shù)為101.6mm,釆用雙v型坡口可避免坡口開到齒條的齒面上，而 r雙v型坡口加工比雙u型坡口簡單。坡口如圖4所示。4）焊接工藝評定結(jié)果屮汕海63號平臺焊接工藝評定結(jié)杲見表9。表9 n25hn焊接接頭機(jī)械性能試驗

15、結(jié)果項目拉力試驗側(cè)彎曲試驗d 二6t a二 180。沖擊試驗（“v”形缺口, -40°c沖擊溫度）抗拉強(qiáng)度n/mm2斷裂位置焊縫中心熔合線熔合線外2mm熔合線外5mm試驗值855、 860（2個試樣）haz合格（4個試樣）134、 98、 120106、 70、 124124、 186、 126160. 88. 7069、 74、 70104、 90、 1543. 3中油海6號平臺1）齒條材質(zhì)中汕海6號平臺是我國白行設(shè)計的電動齒輪齒條升降白升式鉆井平臺。齒條材質(zhì)是astma514, 具體性能指標(biāo)如表10所示；表10 astma514機(jī)械性能指標(biāo)鋼號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度

16、-c沖擊功jastma514620690-895-40272）焊材選用該平臺的焊材選用韓國現(xiàn)代公司的s-11018.m,具體性能如表11所示;表11s-11018.m機(jī)械性能試驗結(jié)果牌號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度°c沖擊功js-11018.m690795-6056、 52、 503）齒條坡口屮汕海6號平臺齒條比較厚，達(dá)到了 165 mm,而且模數(shù)為101.6mm,如采用k型或u型坡口, 則坡口開到了齒條的齒面，因此我們選用x型坡口，如圖5所示；4）評定結(jié)果表12 a514焊接接頭械性能試驗結(jié)果項目拉力試驗側(cè)彎曲試驗d 二 6t a二 180。沖擊試驗（“v”形缺口, -40

17、°c沖擊溫度）抗拉強(qiáng)度n/mni2斷裂位置焊縫中心熔合線熔合線外2mrn熔合線外5mm試驗值829、 804804、 832（4個試樣）haz合格（4個試樣）54、 49、 4263、 49、 7054、 72、 5074、 50、 7065、 58、 8256、 72、 72三、齒條焊接及其精度控制工藝1齒條的焊前組裝及裝焊順序海上鉆井平臺起升系統(tǒng)的工作原理是齒輪-齒條機(jī)構(gòu)，在升降系統(tǒng)工作時，當(dāng)前對輪齒嚙合以后, 后續(xù)的各對輪齒也能依次嚙合，而不是相互頂住或分離，因此齒條焊接及其楮度控制格外重要。 根據(jù)我公司的建造經(jīng)驗，日升式鉆井平臺的齒條材料板厚大多在120 mm以上，對于坡口型

18、式為x型 坡口的焊接以屮汕海63平臺為例做一下簡單闡述，考慮到齒條的焊接收縮變形，因此在焊前應(yīng)制有 一定的收縮余量，一般留到2. 5-3. 5mmc齒條安裝尺寸，如下圖6所示：分度圓線參考線1參考線21.1焊接齒條對接齒條1、2、3的安裝対接步驟參見圖7。1）將齒條2做為基準(zhǔn)段。將齒條2的座板斷續(xù)焊在樁腿上，1、3齒條座板不可點焊在樁腿上。 在三段齒條上需加防傾固定肘板，肘板布置如圖8所示。123圖7齒條對接步驟圖2）調(diào)整齒條1、2安裝尺寸，由4名炸工對稱焊接齒條對接縫。3）調(diào)整齒條2、3安裝尺寸，由4名焊工對稱焊接齒條對接縫。4）齒條檢驗合格后將焊縫增強(qiáng)髙磨去，與齒條表而齊平。5）預(yù)熱溫度：

19、150-160°c6）層間溫度：160°c-190°c7）后熱處理：焊后立即將焊縫及其附近區(qū)域加熱至200°c左右，保溫1.5-2小時后，用石棉布 包好緩冷。1.2焊接順序：如圖9所示圖9焊接順序圖1）第一步,在a面使用s-7016.0進(jìn)行打底焊。2）第二步，對b面進(jìn)行清根處理后，兩名焊工分別在a、b面使用lb-88lt或s-11018. m3. 2 焊條同時對稱施焊，使用填充1215価厚焊縫金屬。為避免產(chǎn)生角變形，兩名焊t施焊電流應(yīng)相同。3）第三步，兩名焊工分別在a、b面使用lb-88lt或s-11018.m4.0焊條同時對稱施焊。為避 免產(chǎn)生角變形，

20、兩名焊工就焊電流應(yīng)相同。4）焊后72小時進(jìn)行超聲波以及磁粉檢驗。1.3座板的安裝我們?nèi)砸灾杏秃?3座板的安裝為例進(jìn)行簡單的闡述。齒條與樁腿之間的是由過渡板連接的，也就是所謂的座板，因此在焊接齒條對接縫之詢，先進(jìn) 行座板與齒條的焊接，然后進(jìn)行齒條對接，再進(jìn)行樁腿與座板的焊接，最后進(jìn)行后裝座板的焊接。 般座板的材質(zhì)是船用高強(qiáng)鋼e36,而屮汕海63平臺的座板材質(zhì)是高強(qiáng)度淬火回火鋼e500,機(jī)械性 能參見表13;表13 e500機(jī)械性能指標(biāo)鋼號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度沖擊功je500500610-77040c50在焊接材料的選擇上，我們選用了韓國現(xiàn)代公司的sc-91k2藥芯焊絲,下表為sc

21、-91k2機(jī)械性能 試驗結(jié)果表14 sc-91k2機(jī)械性能試驗結(jié)果牌號屈服強(qiáng)度mpa抗拉強(qiáng)度mpa沖擊溫度°c沖擊功jsc-91k2500615-40194. 148、 178196. 190、 132e500板對接焊接工藝評定，力學(xué)試驗結(jié)果參見農(nóng)15表15 e500焊接接頭機(jī)械性能試驗結(jié)果項目拉力試驗彎曲試驗d=4t a=180°沖擊試驗（“v”形缺口, -40°c沖擊溫度）抗拉強(qiáng)度n/mnr斷裂位置焊縫中心熔合線熔合線外2mm熔合線外5mm試驗值670680（2個試樣）haz正彎反彎68、 76> 116158、 152、 160170. 154> 158110. 148. 174合格合格1.4座板與齒條的焊接1）悍接座板與齒條外縫的角縫時，由雙數(shù)焊工對稱于齒條中心線，從齒條中間向兩邊采用分段 退焊法，每段長度