水下干式焊接技术在导管架裂纹修复的研究

今日推荐陈波,徐志毅等 2017-11-10 11:27:20
    1 工程概况
    南海东部海域某平台在水下检测过程中发现多条裂纹和缺陷,其中在N42-M676、N43-M481节点上的两条疑似裂纹尺寸大,已超过允许打磨极限,且N42、N43节点异常复杂,与节点相连的空间杆件达7根之多,卡箍加强复杂且加强效果难以保证。在此困境下,通过专家讨论,决定从国外引进水下局部干式焊接技术进行裂纹修复。
    在此之前,水下焊接技术在我国固定平台导管架主结构焊缝裂纹修复中没有实际的应用案例,此次水下焊接技术应用是国内的首次尝试。
    2 水下焊接技术简介
    随着海洋油气资源大开发时代的到来,大量的海洋工程建设和维护工作需要先进的水下焊接技术作为支持。水下焊接技术已成为采油平台、输油管道和海底仓库等大型海洋结构物组装、维护及维修的关键所在。
    水下焊接种类繁多,从工作环境上可以分为湿法焊接和干法焊接,其中干法水下焊接包括高压干法水下焊接、常压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术以及在导管架裂纹维修方面的研究成果进行介绍。
    2.1 局部干法水下焊接
    无论是湿法或干法水下焊接,都由于其固有的不可克服的缺点,而极大影响了它们对日益复杂化的海洋结构的适用性。局部干法焊接是用气体把正在焊接的局部区域的水人为地排开,形成一个较小的气相区,使电弧在其中稳定燃烧的焊接法。由于它降低了水的有害影响,使焊接接头质量比湿法焊接得到明显改善。与其他干法焊接相比,无需大型昂贵的排水气室,适应性明显增大。它综合了湿法和干法两者的优点,是一种较先进的水下焊接方法,也是当前水下焊接研究的重点与方向。局部干法种类较多,日本提出了水帘式及钢刷式,在美国和英国是干点式及气罩式,而法国新近发展了一种旋罩式。
    2.2 某平台导管架焊缝裂纹拟采用的局部干法水下焊接技术
    2.2.1 导管架焊缝裂纹缺陷显示的描述
    经ACFM检测确定焊缝裂纹的位置和尺寸情况如图1、图2和表1所示。
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    2.2.2 水下焊接技术采用的标准和方法
    依据规范标准:UNDERWATER WELDING CODE,AWS D3.6(2010)。
    修补焊接方法:局部干式水下SMAW焊接技术。
    根据平台导管架拟修补焊缝的位置、尺寸大小和节点结构形式,定制一个排水气室(Habitat),排水气室包括带有密封压条和透明窗的外罩,内部加热装置,通气和排水进出口阀门,多个焊条插入口。焊接时,将定制排水气室安装在指定位置上,利用绑扎带、磁铁等固定装置系固,保证密封。用空气将气室内的水排出;然后,对排水气室进行加热、通风,使气室内干燥度、预热温度达到焊接要求;潜水焊工按照WPS(Welding Procedure Specification,焊接工艺规程)参数要求开始实施焊接;焊接过程中的焊接参数、气相环境的气体成分和压力由水面人员进行设定和监控,潜水焊工可根据水下实际情况,通过通气阀作适当调整,或与水面人员沟通调整。潜水焊工在水中施焊是依次将焊条从预先设定好的插入口插入气室内的气相区一段一段地进行焊接,将焊缝连接起来。焊工可以通过排水气室的透明窗进行焊接质量观察,通过插入口,用特制打磨头进行焊缝的打磨工作。
    2.3 水下焊接技术实施方案的基本流程
    水下焊接技术实施不仅仅包括水下焊接方法操作基本过程,还包括了大量的焊前准备工作和焊后处理工作,其基本流程可以归纳如下。
    (1)焊接工艺规程评定和焊工认证。
    (2)实体模型试验。
    (3)现场执行焊接。
    2.3.1 焊接工艺规程评定和焊工认证
    为了确保焊接操作顺序、焊接质量,应按水下焊接AWS D3.6(2010)的要求,对焊接工艺进行评定和焊工认证。主要要求如下。
    (1)试验板材的选择,AWS D3.6(2010)要求试验板材的化学成分、机械性能和材料等级尽量与实际材料接近,但无论如何,碳含量和碳当量不能低于实际材料的碳含量和碳当量,这一点与AWS D1.1(2010)有较大的区别。
    (2)制定PWPS焊接工艺参数应符合现场实际需求,工艺的覆盖范围,水深方面可以覆盖±20 m。
    (3)试验样板准备。采用两块钢板拼装焊接,按现场裂纹的实际需要决定做1G、2G、3G位置焊接,用于焊接返修的试验样板坡口开单面V,35°C~40°C可以接受。非全刨透返修的试验样板可以在背面加扁铁(图3)。
    (4)在大的试验水舱里,把排水气室与试验样板安装好,做好焊前的准备工作:排水、通气、干燥、加熱。
    (5)对试验样板按照批准的PWPS(初级焊接工艺规程)要求进行水下焊接(图4)。
    (6)焊接完成后按PWPS要求进行保温、降温后,才能拆除排水气室,使焊缝浸水。
    (7)对完成焊接的样板按照AWS D3.6(2010)要求进行机械性能试验。
    ①RT无损检测;
    ②强度试验;
    ③弯曲试验;
    ④冲击试验;
    ⑤宏观和硬度试验(最大不超过HV10 325)。
    (8)试验结果符合标准要求后,提交焊接工艺评定报告(PQR)和焊接工艺规程(WPS)报第三方和业主审批。注意:AWS D3.6中2G位置全熔透(CJP)PQR仅能覆盖2G,不能覆盖1G,这点与AWS D1.1不同。
    (9)焊工认证。按照PWPS完成焊接操作,结果合格的焊工获得资格认证。注意:AWS D3.6中3G位置全熔透(CJP)焊接仅能覆盖1G和3G,不能覆盖2G,这点与AWS D1.1不同,AWS D1.1可以覆盖1G、2G和3G。
    2.3.2 实体模型试验
    为了确保潜水员(焊工、检测人员)能做好水下焊缝修补的准备工作,需要熟悉焊接修理的操作过程。在真正执行水下焊接任务前,需要模拟现场实际情况进行实体模型试验,即根据平台导管架现场实际情况,按1∶1比例复制具有相同几何尺寸和节点连接形式的局部导管架节点的结构模具,置于水池内进行水下焊接操作试验。
进行水下焊接所用的焊接施工设备、辅助设备(通气、加热等)和排水气室应利用实体模型试验来验证其具有良好的工作状况,适用于预期的现场工作环境。
通过实体模型试验,从裂纹缺陷打磨,焊前无损检测,排水气室安装、排水、加热,实施焊接操作,焊后保温、降温,直到焊后无损检测,真实地模拟整个水下焊接操作过程,可以从中发现焊接过程中可能会出现的问题,帮助焊工进一步完善水下焊接工艺操作流程,以避免和应对这些问题的发生,提高水下焊接工作的质量和效率。
实体模型试验的基本内容包括如下几方面。
    (1)按实际导管架几何尺寸、结构连接形式制作结构模具(图5)。
    (2)节点排水气室的设计、制作(图6)。
    (3)排水气室在结构模具上的匹配、安装、移除操作(图7)。
    (4)焊工水下焊接实操演练。
    (5)水下NDT检测实操演练。
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    2.3.3 现场执行焊接
    在执行现场焊接修理工作前,应完成编制水下焊接工艺规程WPS、水下焊接工作程序、水下焊接检验试验计划(ITP)等程序文件,提交业主和第三方审核通过。水下潜水员(焊工、检测人员)、现场(监督、水面检测)人员、第三方验船师应熟知水下焊接的工作流程要求,保证整个工作能按照预定操作程序一步步开展,并得到有效控制。
    现场执行焊接的基本步骤如下。
    (1)通过NDT检测(ACFM)再次划定裂纹缺陷范围。
    (2)通过第二种NDT检测方法(水下ACMPI或DCMPI)确定裂纹的起始位置、形态、几何尺寸,这一步非常必要,因为ACFM敏感性过强,易出现误判,需要验证。
    (3)进行打磨前,应该先在裂纹两端打止裂孔,以防裂纹的扩散。
    (4)采用手工机械打磨清除裂纹,不允许用水下碳弧气刨。打磨应沿深度方向逐层深入,边磨边ACFM检查,直至裂纹完全被清除。
    (5)确认打磨坡口的参数(坡口方向、角度、根部圆角等)符合WPS要求(图8)。
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    (6)采用第二种NDT检测(水下ACMPI或DCMPI)再次确认裂纹清除。
    (7)清除海生物,准备排水气室的安装。
    (8)利用绑扎带和磁铁安装固定排水气室,并检查密封状况。
    (9)对排水气室进行空气加压排水,检查气室的稳固性。
    (10)按WPS预热温度要求执行加热、通气干燥。
    (11)按WPS要求设定焊接参数,由水下潜水焊工完成焊接操作。
    (12)记录整个焊接操作参数、焊接预热温度、层间温度和时间等数据。
    (13)焊后保温、降温过程。完成焊接后,应保证气室继续密封,不能进水,并对气室内持续保温(125 ℃)4 h,然后,按预定降温速度(50 ℃/h)降至50 ℃以下,方可拆除气室进水。
    (14)焊后表面NDT检测,按照AWS D3.6(2010)中7.9章节的要求进行检测。
    (15)检测合格后,对焊缝表面进行必要的打磨光顺。
    (16)最后,提交水下焊接修理、检测报告。
    3 结语
    伴随着海洋石油和天然气工业的发展以及我国海洋工程向深海的挺进,水下焊接技术的应用将会越发广泛、成熟和稳定。虽然最终这两条疑似裂纹经过复检和多次专家论证,确定是导管架制作过程中的焊接缺陷且扩展风险小,只需进行定期监控,未能最终实施水下局部干式焊接。但通过从头开始就积极参与其中,查阅规范要求、各类水下焊接文献和案例,在试验过程和海上实施现场与执行水下焊接任务的外方专家进行沟通、交流和学习,对水下焊接设备、特殊焊条、辅助工具、焊接和检测实施方案、水下焊接工作流程有了一个直观而较全面的了解,为将来遇到类似复杂节点裂纹的维修提供了技术储备。
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参考文献
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