淺談海洋平臺(tái)齒條的裝及焊接工藝要點(diǎn)

1、淺談海洋平臺(tái)齒條的安裝及焊接工藝要點(diǎn)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(tái)是實(shí)施海底油氣勘探和開(kāi)采的工作基地,它標(biāo)志著海底油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的水平，而海上鉆井平臺(tái) 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(tái)的工作過(guò)程中，齒輪-齒條機(jī)構(gòu)擔(dān)負(fù)著整個(gè)平臺(tái)的升降工 作。因此在建造海洋平臺(tái)時(shí)，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(tái) 齒條 安裝 焊接一、概述：鉆井平臺(tái)是主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物。上裝鉆井、動(dòng)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(kāi)發(fā)不可缺少的手段，主要有h升式和半潛式鉆井平臺(tái)，而我 公司主要是建造自升式鉆井平

2、臺(tái)。自升式鉆井平臺(tái)，由平臺(tái)體、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，平臺(tái)體能沿樁腿升降，一般無(wú)自航能力。 1953年美國(guó)建成第一座口升式平臺(tái)，這種平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快。工作 時(shí)樁腿下放插入海底，平臺(tái)被抬起到離開(kāi)海而的安全工作高度，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺(tái)遇 到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。鉆完井后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個(gè)平臺(tái)浮于海面，由拖 輪拖到新的井位，而鉆井平臺(tái)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(tái)“勝利二號(hào)”在人們驚喜和贊美聲中一 步一步走著下水，拉開(kāi)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(tái)的建造己有20年的歷史，從起初的“勝利作業(yè)三號(hào)”到最近的“小汕海6號(hào)”，尤其是平 臺(tái)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(yàn)，淺談一下海洋平臺(tái)升降裝置齒條的焊接及其精度控制。二、齒條材料的特點(diǎn)及焊接要點(diǎn)1齒條材料的特點(diǎn)齒條為白升式海上石汕平臺(tái)的關(guān)鍵構(gòu)件，它承受平臺(tái)體升、降時(shí)產(chǎn)住的載荷。齒條焊接質(zhì)量的 優(yōu)與劣以及齒條對(duì)接縫處的齒間距焊后是否符合公差要求，是保證平臺(tái)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(huì)

4、 形成裂紋源，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。根據(jù)以上特點(diǎn)，調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼的齒條在焊接時(shí)應(yīng)進(jìn)行以下工作：1.1調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼在焊接時(shí)應(yīng)注意1）控制焊接線能量，避免焊接線能量過(guò)人造成焊接接頭軟化；2）低碳調(diào)質(zhì)鋼的特點(diǎn)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(duì)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(guò)他的回火溫度，性能就會(huì)發(fā)工變 化。焊接時(shí)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(shí)要注意兩個(gè)基木問(wèn)題：要求馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)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(gè)問(wèn)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(guò)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(yàn) 根據(jù)齒條化學(xué)成分進(jìn)行碳當(dāng)量計(jì)算； 進(jìn)行齒條斜y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)；2）焊接工藝試驗(yàn) 確定齒條對(duì)接焊縫的坡口型式，測(cè)量焊接后的收縮余量，作為制定焊接工藝吋的依據(jù)； 測(cè)量對(duì)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(diǎn)根據(jù)我公司近幾年來(lái)建造自升式鉆井平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)，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(hào)”平臺(tái)為例做以下闡述。我公司建造的“勝利作業(yè)三號(hào)”平臺(tái)是我

6、國(guó)自行設(shè)計(jì)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(tái)；是我國(guó)“九五”期間國(guó)家重大技術(shù)裝備科技攻關(guān)項(xiàng)目。它的投產(chǎn)克服了以往修井作 業(yè)平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)升降的弱點(diǎn)，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(shí) 対9 口井的采油平臺(tái)進(jìn)行修井作業(yè)，修井井深可達(dá)4500米。該平臺(tái)升降裝置齒條材質(zhì)是美國(guó) 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(hào)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(shí)，應(yīng)考慮焊縫及熱影響區(qū)組織狀態(tài)對(duì)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(hào)平臺(tái)時(shí)，我們選用了韓國(guó)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(yàn)結(jié)果牌號(hào)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(hào)平臺(tái)齒條模數(shù)為75mm,采川雙u型坡口可避免坡口開(kāi)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(shí),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(duì)焊接質(zhì)量有影 響的雜質(zhì)。2. 4焊前預(yù)熱對(duì)于低碳調(diào)質(zhì)鋼來(lái)說(shuō)，預(yù)熱的主要目的是防止裂紋，就是說(shuō)以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度， 通過(guò)馬氏體的回火”的作用來(lái)提高抗裂性能。當(dāng)預(yù)熱溫度過(guò)高時(shí)，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(huì)降低悍接接頭的韌性和強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)，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(shí)降溫不得超過(guò)50°co2. 7焊接順序焊接順序參見(jiàn)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(shí)進(jìn)行超聲波以及磁粉檢驗(yàn)1）超聲波檢驗(yàn)：所有焊縫經(jīng)超聲波檢驗(yàn)全部合格，無(wú)內(nèi)部焊接缺陷。2）磁粉探傷檢驗(yàn)：正反血焊縫經(jīng)磁粉探傷檢驗(yàn)后，無(wú)表血焊接裂紋。2. 9焊接工藝評(píng)定結(jié)果焊接工藝評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3表3 a514q焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)h拉力試驗(yàn)側(cè)彎曲試驗(yàn)i）=6ta=180°沖擊試驗(yàn)（“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(yàn)值805、 845855. 830（4個(gè)試樣）母材合格（4個(gè)試樣）78、 80. 3842、 55、 40140、 132、 6889、 114. 84上述試驗(yàn)結(jié)果符合ccs船級(jí)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(tái)的實(shí)例隨著勝利作業(yè)三號(hào)平臺(tái)順利下水，在以后的時(shí)間里，我們又順利完成了 “遼河一號(hào)”鉆井平臺(tái)、 "中油海63號(hào)”平臺(tái)、“中油海5號(hào)”以及“中油海6號(hào)”等平臺(tái)的建造。其中中油海5號(hào)、6號(hào) 平臺(tái)是秫妹船，因此僅以中汕海6號(hào)平臺(tái)為例。以下是各個(gè)平臺(tái)齒條的特點(diǎn)、焊接材料的選擇、齒條坡口型式以及焊接工藝評(píng)定結(jié)杲。3.1遼河一號(hào)

11、鉆井平臺(tái)1）平臺(tái)齒條的材質(zhì)遼河一號(hào)鉆井平臺(tái)是我國(guó)第一艘電動(dòng)齒輪齒條升降三腿白升懸臂式平臺(tái)，采用了多項(xiàng)新工藝、 新技術(shù)，是海上石汕勘探開(kāi)發(fā)屮所急需的工程裝備，具有廣闊的應(yīng)用前景。該平臺(tái)的研制成功標(biāo)志 著我國(guó)自升式平臺(tái)的研究達(dá)到了一個(gè)新的水平，同時(shí)為自升式平臺(tái)的推廣打下了基礎(chǔ)，將為我國(guó)淺 海油田的勘探開(kāi)發(fā)發(fā)揮更大的作用。該平臺(tái)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(hào)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(tái)齒條材質(zhì)在建造遼河一號(hào)鉆井平臺(tái)時(shí)，我們

12、選用了韓國(guó)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(yàn)結(jié)果牌號(hào)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(hào)鉆井平臺(tái)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(píng)定結(jié)果遼河一號(hào)鉆井平臺(tái)焊接丄藝評(píng)定結(jié)果參見(jiàn)表6o表6 dilimax690e焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目拉力試驗(yàn)側(cè)彎曲試驗(yàn)1）二6t a二 180。沖擊試驗(yàn)（"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(yàn)值813. 825736、 822（4個(gè)試樣）母材合格（4個(gè)試樣）174. 178. 164182. 192. 194190、 200. 202200. 194. 1983.2中油海63號(hào)平臺(tái)1 ）平臺(tái)齒條材質(zhì)中油海63號(hào)平臺(tái)是一艘電動(dòng)齒輪條升降的四腿自升式試采作業(yè)平臺(tái)，該平臺(tái)試油系統(tǒng)自成體 系，可試驗(yàn)油井的石油儲(chǔ)量、氣體含量，并根據(jù)試驗(yàn)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(hào)選擇我們?cè)诮ㄔ熘杏秃?3平臺(tái)時(shí)，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(shí)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(duì)lb-88lt 做的機(jī)械性能試驗(yàn)所得到的數(shù)值。表8 lb-88lt力學(xué)機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果牌號(hào)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(hào)平臺(tái)齒條模數(shù)為101.6mm,釆用雙v型坡口可避免坡口開(kāi)到齒條的齒面上，而 r雙v型坡口加工比雙u型坡口簡(jiǎn)單。坡口如圖4所示。4）焊接工藝評(píng)定結(jié)果屮汕海63號(hào)平臺(tái)焊接工藝評(píng)定結(jié)杲見(jiàn)表9。表9 n25hn焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)

15、結(jié)果項(xiàng)目拉力試驗(yàn)側(cè)彎曲試驗(yàn)d 二6t a二 180。沖擊試驗(yàn)（“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(yàn)值855、 860（2個(gè)試樣）haz合格（4個(gè)試樣）134、 98、 120106、 70、 124124、 186、 126160. 88. 7069、 74、 70104、 90、 1543. 3中油海6號(hào)平臺(tái)1）齒條材質(zhì)中汕海6號(hào)平臺(tái)是我國(guó)白行設(shè)計(jì)的電動(dòng)齒輪齒條升降白升式鉆井平臺(tái)。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(hào)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(tái)的焊材選用韓國(guó)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(yàn)結(jié)果牌號(hào)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(hào)平臺(tái)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(kāi)到了齒條的齒面，因此我們選用x型坡口，如圖5所示；4）評(píng)定結(jié)果表12 a514焊接接頭械性能試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目拉力試驗(yàn)側(cè)彎曲試驗(yàn)d 二 6t a二 180。沖擊試驗(yàn)（“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(yàn)值829、 804804、 832（4個(gè)試樣）haz合格（4個(gè)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(tái)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(shí)，當(dāng)前對(duì)輪齒嚙合以后, 后續(xù)的各對(duì)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(yàn)，日升式鉆井平臺(tái)的齒條材料板厚大多在120 mm以上，對(duì)于坡口型

18、式為x型 坡口的焊接以屮汕海63平臺(tái)為例做一下簡(jiǎn)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(duì)接齒條1、2、3的安裝対接步驟參見(jiàn)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(diǎn)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(duì)接步驟圖2）調(diào)整齒條1、2安裝尺寸，由4名炸工對(duì)稱焊接齒條對(duì)接縫。3）調(diào)整齒條2、3安裝尺寸，由4名焊工對(duì)稱焊接齒條對(duì)接縫。4）齒條檢驗(yàn)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(shí)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(duì)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(shí)對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)進(jìn)行超聲波以及磁粉檢驗(yàn)。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(jiǎn)單的闡述。齒條與樁腿之間的是由過(guò)渡板連接的，也就是所謂的座板，因此在焊接齒條對(duì)接縫之詢，先進(jìn) 行座板與齒條的焊接，然后進(jìn)行齒條對(duì)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(tái)的座板材質(zhì)是高強(qiáng)度淬火回火鋼e500,機(jī)械性 能參見(jiàn)表13;表13 e500機(jī)械性能指標(biāo)鋼號(hào)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(guó)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(yàn)結(jié)果表14 sc-91k2機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果牌號(hào)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(duì)接焊接工藝評(píng)定，力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)農(nóng)15表15 e500焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目拉力試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)d=4t a=180°沖擊試驗(yàn)（“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(yàn)值670680（2個(gè)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(shí)，由雙數(shù)焊工對(duì)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(zhǎng)度