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浅谈海洋平台齿条安装及焊接工艺关键点

崔全友 孟祥富
（青岛北海船舶重工有限责任企业）

摘要：海洋钻井平台是实施海底油气勘探和开采工作基地，它标志着海底油气开发技术水平，而海上钻井平台起升系统工作原理是齿轮- 齿条机构，在海洋钻井平台工作过程中，齿轮- 齿条机构担负着整个平台升降工作。所以在建造海洋平台时，齿条焊接及其精度控制一直占据着十分关键地位。
关键词：海洋平台 齿条 安装 焊接

一、概述：

钻井平台是关键用于钻探井海上结构物。上装钻井、动力、通讯、导航等设备，和安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺乏手段，关键有自升式和半潜式钻井平台，而我企业关键是建造自升式钻井平台。
自升式钻井平台，由平台体、桩腿和升降机构组成，平台体能沿桩腿升降，通常无自航能力。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面安全工作高度，并对桩腿进行预压，以确保平台碰到风暴时桩腿不致下陷。钻完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新井位，而钻井平台升降和桩腿预压全是由以齿条和齿轮箱为主组成升降系统完成。
1989年9月，世界上第一座极浅海步行坐底式钻井平台“胜利二号”在大家惊喜和赞美声中一步一步走着下水，拉开了我企业在海洋工程建造方面序幕。至今我企业在海洋工程尤其是自升式钻井平台建造已经有20年历史，从起初“胜利作业三号”到最近“中油海6号”，尤其是平台升降装置齿条安装、焊接及其精度控制方面，伴随我们技术水平提升及工艺不停完善，产品质量不停提升。
结合我企业近几年海洋工程建造经验，浅谈一下海洋平台升降装置齿条焊接及其精度控制。

二、齿条材料特点及焊接关键点

1 齿条材料特点
齿条为自升式海上石油平台关键构件，它承受平台体升、降时产生载荷。齿条焊接质量优和劣和齿条对接缝处齿间距焊后是否符合公差要求，是确保平台安全使用必需条件。
因为齿条是调质钢，和齿条厚度大，刚性大，拘束度大，即使焊缝中有很小缺点，也会形成裂纹源，造成裂纹产生。依据以上特点，调质高强度钢齿条在焊接时应进行以下工作：

1.1 调质高强度钢在焊接时应注意
1）控制焊接线能量，避免焊接线能量过大造成焊接接头软化；
2）低碳调质钢特点是含碳量比较低，基体组织是强度和韧性全部比较高低碳马氏体+下贝氏体，这对焊接有利。不过，调质状态下钢材，只要加热温度超出她回火温度，性能就会发生改变。焊接时因为热循环作用使热影响区强度和韧性下降几乎是不可避免。所以，在焊接低碳调质钢时要注意两个基础问题：①要求马氏体转变时冷却速度不能太快，使马氏体有一“自回火”作用，预防冷裂纹产生；②要求在800-500℃之间冷却速度大于产生脆性混合组织临界速度。这两个问题是制订低碳调质钢焊接参数关键依据；
3）在焊接过程中控制层间温度，以预防产生不均匀组织，降低焊缝硬度。

1.2 为确保齿条焊接质量，避免裂纹和确保齿间距公差应进行
1）焊接性试验
① 依据齿条化学成份进行碳当量计算；
② 进行齿条斜Y型坡口焊接裂纹试验；
2）焊接工艺试验
① 确定齿条对接焊缝坡口型式，测量焊接后收缩余量，作为制订焊接工艺时依据；
② 测量对接焊缝变形数据，以确定齿条焊接次序。

2 焊接关键点

依据我企业近几年来建造自升式钻井平台经验，就升降装置齿条焊接及其精度控制方面将以我企业建造“胜利作业三号”平台为例做以下叙述。
我企业建造“胜利作业三号”平台是中国自行设计建造第一座齿轮齿条升降三腿自升式修井作业平台；是中国“九五”期间国家重大技术装备科技攻关项目。它投产克服了以往修井作业平台不能实现连续升降弱点，使得海上修井作业范围扩大，作业水深可达5至25米，并可同时对９口井采油平台进行修井作业，修井井深可达4500米。该平台升降装置齿条材质是美国ASTMA514Q，具体性能指标如表1所表示。

表1 ASTMA514Q机械性能指标
钢号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
ASTMA514Q
690
690-895
-40
34

2.1 焊材选择
在选择焊接材料和制订焊接参数时，应考虑焊缝及热影响区组织状态对焊接接头强度、韧性影响。依据等强标准，在建造胜利作业三号平台时，我们选择了韩国现代企业S-11018.M，具体性能如表2所表示

表2 S-11018.M机械性能试验结果
牌号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
S-11018.M
690
795
-60
56、52、50

2.2 坡口形式
因为胜利作业三号平台齿条模数为75mm，采取双U型坡口可避免坡口开到齿条齿面上。坡口图1所表示

图1 U型坡口

2.3 焊前准备
1）焊条 S-11018.M经350℃～400℃烘烤1.5小时，S-7016.O 经320～350℃烘烤1.5小时后放在120℃～150℃焊条保温筒中。
2）焊前清除坡口内及坡口边缘两侧各20mm范围氧化物、水、油、锈等对焊接质量有影响杂质。

2.4 焊前预热
对于低碳调质钢来说，预热关键目标是预防裂纹，就是说以降低马氏体转变时冷却速度，经过马氏体“自回火”作用来提升抗裂性能。当预热温度过高时，因为冷却速度太慢，靠近焊缝金属奥氏体化区可能转变为含有高碳马氏体铁素体或转变为粗大贝氏体，这两种显微组织会降低焊接接头韧性和强度。经过试验，在确保焊接接头不出现裂纹情况下，将预热温度确定为160～170℃。

2.5 层间温度
层间温度为160℃～190℃。

2.6 后热处理
焊后立即将焊缝及其周围区域加热至200～210℃，保温2小时，然后用石棉布包好缓冷且每小时降温不得超出50℃。

2.7 焊接次序
焊接次序参见图2

图2 焊接次序
2.8 焊后72小时进行超声波和磁粉检验
1）超声波检验：全部焊缝经超声波检验全部合格，无内部焊接缺点。
2）磁粉探伤检验：正反面焊缝经磁粉探伤检验后，无表面焊接裂纹。

2.9 焊接工艺评定结果
焊接工艺评定结果见表3

表3 A514Q焊接接头机械性能试验结果
项目
拉力试验
侧弯曲试验
D=6t a=180°
冲击试验（“V”形缺口，-40°C冲击温度）
抗拉强度 N/mm2
断裂位置
焊缝中心
熔合线
熔合线外2mm
熔合线外5mm
试验值

anz
805、845
855、830
（4个试样）
母材
合格
（4个试样）
78、80、38
42、55、40
140、132、68
89、114、84

上述试验结果符合CCS船级社规范要求。齿条焊接及其精度完全在公差要求范围之内。

3 几座海洋平台实例

伴随胜利作业三号平台顺利下水，在以后时间里，我们又顺利完成了“辽河一号”钻井平台、“中油海63号”平台、“中油海5号”和“中油海6号”等平台建造。其中中油海5号、6号平台是秭妹船，所以仅以中油海6号平台为例。
以下是各个平台齿条特点、焊接材料选择、齿条坡口型式和焊接工艺评定结果。

3.1 辽河一号钻井平台
1）平台齿条材质
辽河一号钻井平台是中国第一艘电动齿轮齿条升降三腿自升悬臂式平台，采取了多项新工艺、新技术，是海上石油勘探开发中所急需工程装备，含有宽广应用前景。该平台研制成功标志着中国自升式平台研究达成了一个新水平，同时为自升式平台推广打下了基础，将为中国浅海油田勘探开发发挥更大作用。该平台齿条材质是DILIMAX690E，具体性能指标如表4所表示：

表4 DILIMAX690E机械性能指标
钢号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
DILIMAX690E
630
720-900
-40
30

2）焊条材质选择
依据平台齿条材质在建造辽河一号钻井平台时，我们选择了韩国现代企业S-11018.M，具体性能如表5所表示。

表5 S-11018.M机械性能试验结果
牌号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
S-11018.M
690
795
-60
56、52、50

3）坡口
辽河一号钻井平台齿条齿间距为425.5mm，采取双K型坡口降低了齿条坡口加工量，受火焰切割影响比较小。坡口图3所表示：

图3 K型坡口

4）焊接工艺评定结果
辽河一号钻井平台焊接工艺评定结果参见表6。

表6 DILIMAX690E焊接接头机械性能试验结果
项目
拉力试验
侧弯曲试验
D=6t a=180°
冲击试验（“V”形缺口，-40°C冲击温度）
抗拉强度 N/mm2
断裂位置
焊缝中心
熔合线
熔合线外2mm
熔合线外5mm
试验值

anz
813、825
736、822
（4个试样）
母材
合格
（4个试样）
174、178、164
182、192、194
190、200、202
200、194、198

3.2 中油海63号平台
1）平台齿条材质
中油海63号平台是一艘电动齿轮条升降四腿自升式试采作业平台，该平台试油系统自成体系，可试验油井石油储量、气体含量，并依据试验采集参数确定配管直径等设施，优化投入产出比率，提升经济效益。齿条材质是N25HN，具体性能指标如表7所表示：

表7 N25HN机械性能指标
钢号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
N25HN
690
790-940
-40
69

2）焊条牌号选择
我们在建造中油海63平台时，因为母材机械性能提升，在焊接材料选择声，我们选择了日本神钢LB-88LT，实践也证实LB-88LT力学性能完全符合要求。下表（表8）是我们对LB-88LT做机械性能试验所得到数值。

表8 LB-88LT力学机械性能试验结果
牌号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
LB-88LT
870
905
-40
112、114、116

3）齿条坡口
因为中油海63号平台齿条模数为101.6mm，采取双V型坡口可避免坡口开到齿条齿面上，而且双V型坡口加工比双U型坡口简单。坡口图4所表示。

图4 双V型坡口

4）焊接工艺评定结果
中油海63号平台焊接工艺评定结果见表9。

表9 N25HN焊接接头机械性能试验结果
项目
拉力试验
侧弯曲试验
D=6t a=180°
冲击试验（“V”形缺口，-40°C冲击温度）
抗拉强度 N/mm2
断裂位置
焊缝中心
熔合线
熔合线外2mm
熔合线外5mm
试验值

anz
855、860
（2个试样）
HAZ
合格
（4个试样）
134、98、120
106、70、124
124、186、126
160、88、70
69、74、70
104、90、154

3.3 中油海6号平台
1）齿条材质
中油海6号平台是中国自行设计电动齿轮齿条升降自升式钻井平台。齿条材质是ASTMA514，具体性能指标如表10所表示；

表10 ASTMA514机械性能指标
钢号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
ASTMA514
620
690-895
-40
27

2）焊材选择
该平台焊材选择韩国现代企业S-11018.M，具体性能如表11所表示；

表11 S-11018.M机械性能试验结果
牌号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
S-11018.M
690
795
-60
56、52、50

3）齿条坡口
中油海6号平台齿条比较厚，达成了165 mm，而且模数为101.6mm，如采取K型或U型坡口，则坡口开到了齿条齿面，所以我们选择了X型坡口，图5所表示；

图5 X型坡口

4）评定结果
表12 A514焊接接头械性能试验结果
项目
拉力试验
侧弯曲试验
D=6t a=180°
冲击试验（“V”形缺口，-40°C冲击温度）
抗拉强度 N/mm2
断裂位置
焊缝中心
熔合线
熔合线外2mm
熔合线外5mm
试验值

anz
829、804
804、832
（4个试样）
HAZ
合格
（4个试样）
54、49、42
63、49、70
54、72、50
74、50、70
65、58、82
56、72、72

三、齿条焊接及其精度控制工艺

1 齿条焊前组装及装焊次序

海上钻井平台起升系统工作原理是齿轮-齿条机构，在升降系统工作时，目前对轮齿啮合以后，后续各对轮齿也能依次啮合，而不是相互顶住或分离，所以齿条焊接及其精度控制格外关键。
依据我企业建造经验，自升式钻井平台齿条材料板厚大多在120 mm以上，对于坡口型式为X型坡口焊接以中油海63平台为例做一下简单叙述，考虑到齿条焊接收缩变形，所以在焊前应留有一定收缩余量，通常留到2.5-3.5mm。齿条安装尺寸，以下图6所表示：

图6 齿条安装图

1.1 焊接齿条对接
齿条1、2、3安装对接步骤参见图7。
1）将齿条2做为基准段。将齿条2座板断续焊在桩腿上，1、3齿条座板不可点焊在桩腿上。在三段齿条上需加防倾固定肘板，肘板部署图8所表示。

图7 齿条对接步骤图

图8 肘板部署图

2）调整齿条1、2安装尺寸，由4名焊工对称焊接齿条对接缝。
3）调整齿条2、3安装尺寸，由4名焊工对称焊接齿条对接缝。
4）齿条检验合格后将焊缝增强高磨去，和齿条表面齐平。
5）预热温度：150-160℃
6）层间温度：160℃-190℃
7）后热处理：焊后立即将焊缝及其周围区域加热至200℃左右,保温1.5-2小时后，用石棉布包好缓冷。

1.2 焊接次序：
图9所表示

图9 焊接次序图

1）第一步，在A面使用S-7016.O进行打底焊。
2）第二步，对B面进行清根处理后，两名焊工分别在A、B面使用LB-88LT或S-11018.MФ3.2焊条同时对称施焊，使用填充12～15mm厚焊缝金属。为避免产生角变形，两名焊工施焊电流应相同。
3）第三步,两名焊工分别在A、B面使用LB-88LT或S-11018.MФ4.0焊条同时对称施焊。为避免产生角变形，两名焊工施焊电流应相同。
4）焊后72小时进行超声波和磁粉检验。

1.3 座板安装
我们仍以中油海63座板安装为例进行简单叙述。
齿条和桩腿之间是由过渡板连接，也就是所谓座板，所以在焊接齿条对接缝之前，优异行座板和齿条焊接，然后进行齿条对接，再进行桩腿和座板焊接，最终进行后装座板焊接。通常座板材质是船用高强钢E36，而中油海63平台座板材质是高强度淬火回火钢E500，机械性能参见表13;

表13 E500机械性能指标
钢号
屈服强度
MPa
抗拉强度
MPa
冲击温度
冲击功
J
E500
500
610-770
-40℃
50

在焊接材料选择上，我们选择了韩国现代企业SC-91K2药芯焊丝,下表为SC-91K2机械性能试验结果

表14 SC-91K2机械性能试验结果
牌号
屈服强度 MPa
抗拉强度 MPa
冲击温度 ℃
冲击功 J
SC-91K2
500
615
-40
194、148、178
196、190、132

E500板对接焊接工艺评定，力学试验结果参见表15

表15 E500焊接接头机械性能试验结果
项目
拉力试验
弯曲试验
D=4t a=180°
冲击试验（“V”形缺口，-40°C冲击温度）
抗拉强度 N/mm2
断裂位置
焊缝中心
熔合线
熔合线外2mm
熔合线外5mm
试验值

anz
670
680
（2个试样）
HAZ
正弯
反弯
68、76、116
158、152、160
170、154、158
140、148、174
合格
合格

1.4 座板和齿条焊接
1）焊接座板和齿条外缝角缝时，由双数焊工对称于齿条中心线，从齿条中间向两边采取分段退焊法，每段长度约400 mm，且齿条两侧一定同时施焊。参见图10示意图

图10 座板和齿条外缝焊接示意图

2）座板和齿条外缝预留200mm缓焊部位，此缓焊部位待安装后装座板时再进行焊接，座板和齿条内缝不留缓焊段。坡口型式和焊角尺寸参见图11

图11 坡口型式和焊角尺寸图

3）预热温度：150℃-160℃
4）层间温度：160℃-190℃
5）后热处理：焊后立即将焊缝及其周围区域加热至200℃左右,保温1.5-2小时后，用石棉布包好缓冷。
6）焊后72小时进行磁粉检验。

2 认可试验结果：

2.1 焊缝外观检验：
正反面焊缝边缘整齐，表面光顺，无任何表面缺点。
2.2 超声波检验：
全部焊缝经超声波检验全部合格，无内部焊接缺点。
2.3 磁粉探伤检验：
正反面焊缝经磁粉探伤检验后，无表面焊接裂纹。

上述试验结果符合CCS船级社规范要求。齿条焊接及其精度完全在公差要求范围之内。

3 小结

在石油和天然气资源较为担心今天，海洋资源变极为关键，鉴于经济实力和技术力量不足，中国涉足海洋油、气开采较晚，所以海洋工程有着宽广市场前景。
海洋平台是实施海底油气勘探和开采工作基地，它标志着海底油气开发技术水平，而海洋平台又是以齿轮-齿条为升降系统，所以齿条焊接及其精度控制和裂纹控制是海洋工程制造过程关键技术，我企业经过焊前齿条预组装、焊前预热和后热处理等一系列控制方法，使这一问题得到了处理。

作者介绍：孟祥富 青岛北海船舶重工有限责任企业焊接试验室主任 高级工程师
崔全友 青岛北海船舶重工有限责任企业焊接试验室焊接工程师