自升式钻井船桩腿齿条焊接施工技术

200呎自升式钻井船桩腿齿条焊接施工技术

沈楠楠、靳伟亮、闵祥军、朱大喜、汪彬

（海洋石油工程（青岛）有限公司，青岛266520）

摘要：钻井船桩腿齿条具有壁厚大、强度高、碳当量高、尺寸精度要求高等特点，如何保证其焊接质量是钻井船建造工作的重点和难点之一。本文介绍了公司200呎自升式钻井船项目中

的齿条焊接所用工艺，并重点介绍了该项目桩腿齿条的焊接施工要点和焊接变形控制。

关键词：钻井船桩腿齿条焊接施工要点焊接变形控制

1 概况

200呎自升式钻井船项目是中国海洋石油工程股份有限公司承接的第一个钻井船类项目，在海工的建造史上具有划时代的意义。而200呎自升式钻井船项目H0001/0002船桩腿齿条所用钢材的材质为ASTM A514 GR.Q和GR.F（下文统一简称为S690），其屈服强度为690MPa，抗拉强度为760 MPa-895 MPa，最大壁厚为154mm，这在海工的建造史上也是史无前例的。选择合适的焊接方法、焊接工艺和焊接施工技术，对项目的顺利开展，保证焊接质量，都具有重要的意义。本文介绍了公司200呎自升式钻井船项目中的齿条焊接所用工艺，并重点介绍了该项目桩腿齿条的焊接施工要点和焊接变形控制。

2齿条母材及焊接性能分析

200呎自升式钻井船项目中，公司购买单根成品齿条，然后进行接长焊接，接长处包括齿条板的对接，弦管(窗户板)与弦管的半环缝对接，以及弦管(窗户板)与齿条板之间焊接，焊缝布置如图所示。

图1. 齿条接长焊接处焊缝分布示意图

根据200呎自升式钻井船项目焊接规格书的要求，我们选用了ASTM A514 GR.Q和ASTM A514 GR.F 为试验材料，其规格为800mm×200mm×127mm，800mm×200mm×32mm，ф380mm×32mm×200mm三种；调质状态供货，试验件的化学成分和力学性能分别见表1和表2。

表1 试验件的化学成分(%)

材质 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Ti V Al GR.F 0.1129 0.250 0.806 0.0192 0.0038 0.45 0.96 0.182 0.44 0.012 0.036

GR.Q 0.16 0.19 1.10 0.011 0.003 1.19 1.27 0.28 0.45 0.043 0.013

表2 试验件的力学性能

材质屈服强度σs（MPa）抗拉强度σb（MPa）延伸率δ5(%) 冲击功A KV(J) GR.F 789 839 20 163 GR.Q 725 810 17 87

注：表1、表2中数据为钢材证书提供的实测值；冲击功A KV值为-40℃条件下实测值的平均值。

钢材焊接性能的差异可用可焊性表示，可焊性主要受钢材化学成分的影响。钢材的可焊性可用碳当量Ceq 来评价。一般来说，Ceq 小于0.4%的钢材具有良好的可焊性，Ceq 在0.4%~0.6%之间的钢材可

焊性稍差，Ceq 高于0.6%的钢材可焊性很差。按照工程要求，碳当量Ceq 按以下公式确定【1】

：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

经计算，ASTM A514 GR.F 的Ceq 为0.51%，可焊性稍差，ASTM A514 GR.Q 的Ceq 为0.78%，可焊性较差，该两种试验件为经淬火+回火调制处理钢件，其组织主要为回火屈氏体，还有少量的回火贝氏体和铁素体，具有高的屈服点（690MPa ）、良好的塑性、韧性、耐磨及耐腐蚀性。由于合金元素的强化作用，焊缝及焊接热影响区淬硬性得到提高，每一道焊后组织主要为马氏体；次层焊缝可对上一层焊缝形成的马氏体组织自动回火，即有“自动回火”特性，组织转变为贝氏体、铁素体和马氏体的混合组织，性能得到改善，降低了冷裂纹产生的几率，使焊接过程中冷裂纹倾向减小。但焊接过程中如果热输入集中或冷却速度较低，在焊接热影响区易发生软化或脆化现象，若冷却速度较快，焊接热影响区易发生淬硬组织，有出现冷裂和韧性下降的倾向。因此确定焊前合适的预热温度，严格控制热输入，降低冷却速度进行缓冷是获得理想焊接结构的关键。

3 焊接工艺及焊接施工要点

根据200呎自升式钻井船项目桩腿齿条焊缝长度短、质量要求严格和采用多种位置焊接的特点，我们选择使用手工电弧焊进行了焊接工艺评定试验，制定了焊接工艺和焊接施工要求，并正式应用于200呎自升式钻井船项目桩腿齿条的焊接施工。 3.1 焊前准备

3.1.1 焊接环境要求

S690高强度钢的焊接施工应安排于专用场地进行，该场地应设置足够的防风、防雨雪措施，风速应限制低于2m/s ，焊接环境相对湿度应限制低于90%。

3.1.2 焊接坡口准备

焊接坡口形式及尺寸如下图：

图1焊接坡口形式及尺寸

a 齿条板对接焊缝坡口

b 窗口板与齿条板对接焊缝坡口

c 窗口板与舷管对接焊缝坡

焊前应采取打磨等措施彻底清除坡口表面及附近25mm内的铁锈、油污异物。

3.1.3 焊接方法及焊接材料

所有S690高强度钢的焊接全部采用手工电弧焊。焊接材料的使用及保管应按照“焊材保管和控制程序”执行，桩腿结构中S690高强度钢对应焊接材料为林肯焊条Conarc80（用于填充、盖面焊接），FOX EV 60 PIPE（用于窗口板与齿条板之间的打底焊接），焊条使用前应进行烘干，以保证焊接质量，具体要求见表3：

表3 焊材烘干保温表

其中，S690

随取，并随时盖好桶盖。每次领取焊条不得超过3kg，在4小时之内必须用完，严禁焊条重复烘干。3.2 预热及后热要求

该结构中所有S690高强钢节点在焊前必须进行严格的预热，焊前都应使用电阻加热器进行最低150℃的预热，预热范围为焊缝四周至少150mm区域，用接触式测温仪在距焊缝中心50mm处对称测量，层间温度严格限制在最高200℃。焊接完成后应马上进行焊后保温工作，即250±50℃保温2-3小时。电加热片宜采用磁力吸附或绑扎的形式与加热工件紧密贴合，不得使用焊接方式，避免对S690高强钢母材造成损伤。

上述焊接过程中，必须有相应人员对焊接预热温度及层间温度进行监控，严禁在未达到预热温度或超出最高层间温度下进行焊接。

3.3 焊接参数

为了覆盖施工中所有的焊接位置，我们根据试验料的规格尺寸选择2G、3G、4G、6G位置进行焊接工艺评定试验，并编制了焊接工艺规程，其主要焊接参数如表4：

表4 手工电弧焊焊接参数

3.4 焊接施工要点

①严格按照3.2中的预热及后热要求，对焊件进行预热及后热；

②采用多层多道焊，手工电弧焊打底焊道厚度4～5mm，后续焊层厚度3～4mm；

③对于所有涉及S690高强度钢节点的焊接，焊接参数应3.3规定的范围内，并应保证焊接热输入量严格控制在1.0 -2.5KJ/mm；

④每条焊缝的焊接必须保持连续，如因不可避免原因发生焊接中断，中断后应立即对该焊缝进行焊后保温，即250±50℃保温2-3小时，重新开始焊接前，按照焊接程序要求重新进行预热；

⑤每条焊缝进行盖面焊接时，要求分别从坡口两侧边缘向焊缝中心方向依次排焊；

⑥桩腿齿条板对接焊时，在一面焊接完成至少3层后，方可进行背面清根，清根应采用砂轮机打磨；

⑦引弧应在引弧板或坡口内进行，禁止随意引弧，防止对母材造成电弧擦伤。

⑧对称结构上的对称焊缝，最好由多名焊工对称地同时施焊，造成正反两方向变形获得抵消的效果。每名焊工所用焊接设备，焊接电流电压及焊接速度尽量保持一致。