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钻井平台桩腿齿条焊接工艺钻井平台桩腿齿条焊接工艺焊接评定――母材――焊材――定位方式――坡口形式――组对―― 预热――焊接――焊后加热保温――焊后焊缝检测探伤――缺陷修补焊接前工艺的准备自升式钻井平台主要用来满足海上石油和天然气的勘探、开采工程的作业需要。
桩腿是钻井平台的最大部件之一，对升井平台的使用寿命起着决定性的作用，其关键是焊接质量及尺寸精度的控制。
自升式钻井平台焊接结构中，每个桩腿有三根齿条，桩腿齿条的焊接结构有其自身显著的特点，在焊接上存在着钢板厚度大、母材强度高、焊后要求变形小等特点。
桩腿母材及焊材齿条母材为ASTM A514 GR.Q,厚度为127mm和152mm两种规格，以后会发展到200mm以上厚度。
材料屈服极限为690MPa,抗拉强度770/931MPa,纵向冲击在-40℃时不低于34J。
焊接材料的选取，选择与母材强度相匹配的焊条，等强匹配原则。
定位方式：不论是主弦管与齿条的焊接，还是齿条与齿条的焊接，都是在专门设计的胎架中进行焊接的。
胎架的作用主要有三点：1.起焊前定位齿条及弦管的作用；2.胎架与齿条的间隙用来调整；3. 夹紧工件，焊接过程中限制焊件变形；齿条对接焊接：焊前的组对在特殊加工制造的胎架上完成，起到定位限制变形的作用。
焊前坡口要清理干净，不允许有油渍、污渍、锈迹，焊前坡口打磨干净。
对接角度，间隙调整完毕后，在胎架中进行卡死。
多底分支井钻技术是一项在世界上20年代就提出的技术，只是在90 年代随着钻井完井技术的发展才得到大力发展，由于分支井在开采石油上从多方面看有很多优点的技术，因此在世界得到发展很快就成为了世界上石油开采上的一项提高经济效益的重要技术。
世界上为了进一步的发展多底分支井技术巳对该技术进行了世界分级工作。
分支井钻井实际上是在定向井、水平井发展基础上的一种钻井技术。
分支井的钻井技术实际上包含定向井、水平井、侧钻水平井等多种钻井技术，完全可以说分支井钻井工艺包括了目前世界上的大部份钻井工艺技术，是多种钻井技术与特殊完井的一种结合。
钻井平台桩腿焊接质量控制摘要：随着世界经济和技术的发展，海洋开发已成为全球新技术革命的重要组成部分，而海洋油气开发又是当今海洋资源开发工程的主要内容之一。
海洋移动式平台是海洋油气勘探、开发的主要设备。
自升式钻井平台，又称为桩脚式钻井平台，是目前国内外应用最为广泛的钻井平台。
自升式钻井平台可分为三大部分；船体，桩脚和升降机构，其中升降机构中的桩腿的生产难度最大，要求最高。
因此，开展这方面的研究具有重要的意义。
本文介绍了桩腿的焊接特点，探讨了其施工控制措施。
关键词：桩腿；质量控制由于桩腿是钻井平台的主要承力构件，且基于其长期服务于海上的环境载荷要求，设计对材料要求的强度和低温冲击韧性都很高。
高强度、低温冲击韧性要求及大厚度等综合因素的影响形成了对焊接很高的要求。
一，焊接特点1可焊性较差，桩腿材料为调质钢ASTMA517GRQ，屈服强度≥690MPa，抗拉强度为790/930MPa,V型缺口冲击最小平均值：纵向在-37℃、T/4厚时为69J，在-27℃、T/2厚时为69J，T/4厚度处的HBS为260，细晶粒最高含硫量为0.01%，最高含碳量为0.18%。
这种高强度钢材在焊接时存在一定的淬硬倾向，非常容易产生冷裂纹，焊接性较差。
在焊接融合区是最薄弱的部分，有明显的化学和物理不均匀性，组织性能突变等。
2构件焊接残余应力与变形大，桩腿厚度在127mm～180mm之间，450ft及以上的平台桩腿厚度甚至达到200mm以上，当钢材的厚度超过100mm以上时，整个构件截面中，钢材的截面所占的比重比较大，如果大多数的焊缝采用外侧单面坡口的施焊工艺进行焊接，就会造成结构焊接完成后产生残余应力，当外载荷产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，导致的后果就是，它不能再承受外载荷能力，缩小了结构的有效截面积，进而造成了结构的低刚度，致使构件形成不小的残余变形。
如果结构形式不简单，各个单体结构若属于“复合型”构件，那么焊接应力方向不一致的情况是非常有可能出现的，纵、横、上、下立体交叉，相互之间影响，这样就不难致使构件发生变形了。
钻井平台桩腿齿条焊接工艺钻井平台是海上石油勘探中必不可少的重要设备，而桩腿齿条是钻井平台上承受庞大荷载的关键部件。
在钻井平台的建设过程中，桩腿齿条的焊接工艺直接影响着平台的稳定性和安全性。
本文将探讨钻井平台桩腿齿条焊接工艺的要点和注意事项。
1. 工艺要点1.1 材料选择桩腿齿条通常采用高强度低合金钢材，包括Q345B、Q460D等。
在进行焊接前，需要对材料进行严格的质量检测，确保材料符合规定的标准和要求。
1.2 齿条准备齿条的准备包括切割、坡口制备等步骤。
切割时要保证切割面平整、无裂纹，坡口制备要注意坡口的角度和形状，以确保焊接接头具备足够的强度和密封性。
1.3 焊接设备选择钻井平台桩腿齿条的焊接通常采用电弧焊接方法。
在选择焊接设备时，要考虑焊接材料的厚度和所需焊缝的质量要求，并确保设备的性能和稳定性。
1.4 焊接参数设定在进行焊接过程中，需要根据材料的厚度和焊接接头的要求，合理设定焊接电流、电压、焊接速度等参数，以保证焊缝的质量。
1.5 焊接顺序安排桩腿齿条进行多道焊接时，需要合理安排焊接顺序，防止焊缝产生变形、裂纹等缺陷。
一般采用从上往下、从内到外的焊接顺序，确保焊接质量和稳定性。
1.6 焊接焊接校验在完成焊接后，需要对焊缝进行校验。
常用的焊接检测方法包括目测、放射性检测、超声波检测等，以确保焊缝的质量符合要求。
2. 注意事项2.1 焊接环境在进行焊接作业时，要确保焊接环境的通风良好，尽量减少焊接烟尘和有害气体的产生，保护焊工的健康和安全。
2.2 预热控制由于桩腿齿条焊接受到巨大力和振动的作用，焊接接头易受到冷裂纹的影响。
因此，在焊接过程中要控制好预热温度和焊后热处理，减轻焊接接头的残余应力，提高焊缝的强度和韧性。
2.3 焊接质量控制钻井平台是一项高风险的工程，因此焊接质量的控制至关重要。
除了严格控制焊接参数，还要加强对焊接人员的培训和监督，确保焊接操作符合相关标准和规范，减少焊接缺陷的发生。
自升式钻井平台升降齿条修复方案的应用自升式钻井平台的升降齿条是非常关键部件，平台升降船作业中需要重点关注的部位。
由于长时间受到交变载荷的影响，老龄平台的升降齿条出现凹陷变形甚至裂缝，继续使用将会加剧齿条磨损、损伤。
本文根据渤海4号平台部分升降齿条出现的问题进行实地调研，并拟定施工方案并制定焊接工艺。
在实际的施工中有效的执行了此方案，修复效果良好，此方案对类似升降系统齿条的修复有着非常高的参考及借鉴价值。
标签：升降齿条；施工方案与焊接工艺；修复方案应用。
钻井平台桩腿的升降齿条是平台很关键的部位，在升降船、压载中受到很大的交变力作用，一个齿的损伤或损坏将会影响整个平台的升降作业。
一般情况下齿条大面积损伤后都要停止作业进厂修理。
渤海4号平台一号桩腿升降齿条有4个齿出现损伤，齿面磨损凹陷，齿廓变形。
升降船操作时该部分齿条与升降小齿轮不能正常啮合，加剧其自身磨损和升降小齿轮的磨损，如不能及时修复将会极大损伤该部分齿条，对平台的升降船作业造成重大影响。
现场调研时还发现升降齿条位于露天环境，如果采用热焊接的方式修复齿条，就要考虑到现场的环境因素如何有效控制，而凹陷处（如图2所示）距离主甲板约-10米，距离海平面20米，需要搭设脚手架才能完成此项工作。
如何有效的制定具体施工方案是我们面临的一道难题。
在现场修复变形的齿，需在一号桩腿内搭设吊式脚手架，自主甲板平面往下至桩腿137英尺位置处，高约15米，体积约130m3，作业位置区域要有防风、防雨措施（如使用帆布对脚手架外侧进行全方位遮盖，并用钢丝等物品进行固定）；根据平台提供的齿条的齿模数，制作跟实物相同齿宽具有至少2个齿的齿模一段，在齿轮堆焊成形后进行靠模修复齿面；参照桩腿齿条材质ASTM A514F （ASTM 514Q）高强结构钢，提交经CCS或ABS验船师认可签字的焊接工艺。
焊接前彻底清洁需要修复的齿面的污物，尤其是污油一定要彻底清洁干净，需要打磨的部位进行打磨；进行焊前处理和预热，现场进行4个齿的齿面堆焊和齿面打磨修整，焊后冷却保温；修复部位和热影响区域100%MT探伤，确保修复后近表面无缺陷和裂纹。
自升式海洋平台桩腿及相关技术背景和意义随着陆地油气资源开采力度的日渐加大和油气储量的不断减少，占全球资源总量34%的海洋石油资源已成为人们关注的焦点和新一轮油气勘探开发的热点。
2010－2014年海洋石油所占比例从35%提高至39%，深水石油产量所占比例将从7%提高到15%。
海洋石油需求增加带动海洋油气资本开支增加，2010－2014 年全球深水油气开发资本开支达1670亿元，比前5年增长37%。
其中海工装备目前每年500－600亿美金投资额，预计2015－2018 年将增至每年800亿美金。
[1]在开采海洋石油的海工装备中，海洋平台占有很重要的份额。
海洋平台主要指自升式海洋平台、半潜式海洋平台、钻井船及其他平台等。
对于保有量和手持订单来说，整个钻井装备中，自升式海洋平台保有量和手持订单最多，是全球保有量最大的海洋石油钻井装备，主要用在浅海。
自升式海洋平台的设计年限一般是 20 年，经过翻新之后，可再使用10年[1]。
到2014年，全球有多达 80%的自升式平台服役临近30年，其中一些已经无法翻新或有效地添加先进科技装备，必须由新的取代，自升式平台具有很大的潜在市场。
另外，世界商船运力的日趋饱和，面临着产能过剩等问题。
所以各船厂纷纷把眼光都投向这一领域，可想而知未来这一领域充满竞争。
自升式海洋平台领域中桩腿的建造，一直被视为最为基本、也最为重要的专题。
尤其是随着海洋开发活动由浅水发展到深水，桩腿面临的环境条件也越来越严酷，这又对自升式海洋平台的设计建造提出了更高的要求。
自升式海洋平台的组成自升式海洋平台主要由沉垫、桩腿、升降装置、平台（模块）等组成。
1、沉垫：自升式平台的沉垫要沉入海底，并以此为基础用传动机构使平台上升和下降。
故除在平台要移动工作地点时之外，该沉垫主要考虑的不是水动力特性，而是其沉入海底后的压强大小。
为此，自升式平台的沉垫一般设计成整块式，通常见到的以 A 字形居多，如图2.1所示。
Technology
图1 2000t自升式风电安装平台概貌图2 桩腿的总体图（截断）
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图3 齿条在筒体上的布置
图4 齿条、夹板和筒体的连接形式
1：桩腿、齿条施工公差要求
序号项目
允许公差/mm 焊接齿条前
焊接齿条后
1桩腿直径φ4200±342002桩腿圆度≤5
≤123桩腿直线度≤3/m ≤4/16m ≤15/85m 4桩腿长度≤405齿条长度≤0.14×6
齿条扭转
＜0.25°
+10-8
Technology
图5 齿条与夹板的反变形预留参考
Technology
图6 齿条接缝处焊接预留量
4.6 必要的后热处理
焊后必要的热处理可以大大减少焊缝内应
力，降低氢致裂纹，减小变形。
焊后热处理的
要求是焊接完成后立即加热到280℃左右，并保
2h，然后进行缓冷，冷却速度不大于50℃
4.7 接桩之前的装配和变形预留
好的精度必须有精确的装配做基础。
桩腿
的对接对整个桩腿的直线度、齿条的直线度
（上接第35页）
位安装，这个定位工作至关重要，将决定主梁
的各个片体的拼装精度，从而直接影响缆载吊
机主梁的整体尺寸精度以及后续是否能够无差
别更换相同尺寸支撑杆的功能。
因此，监理组、
制造厂家的技术部、质量检验部在开会讨论并。
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 0.036GR.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。
4 焊接变形控制钻井船桩腿齿条的焊接主要包括齿条板的对接，窗户板与弦管的半环缝对接，以及窗户板与齿条板之间焊接，下面分齿条板接长的焊接变形控制和窗户板的焊接变形控制两部分介绍一下钻井船桩腿齿条的焊接变形控制要点。
4.1 齿条板接长的焊接变形控制齿条板接长是将公司购买的成品齿条，分段进行接长焊接，每段接长焊口为2~4道。
下面我们以第一分段（共4道焊口）接长为例介绍一下齿条板接长的焊接变形控制要点：①使用齿条专用胎具和卡具对齿条进行刚性固定，如图2；图2 齿条专用胎具和卡具固定图②根据模拟实验确定的焊缝焊接收缩量，在正式组对过程中预制反变形，以保证齿条分段总长度和齿间距焊后尺寸要求；③根据第3节的要求进行焊接施工，同时要求4条焊缝同时施工，相邻焊缝始焊侧相反，以保证齿条分段的平直度、挠度和中心线扭转角要求；④加大过程监控力度，每层焊道焊接结束后对各测量点进行一次尺寸检查，根据测量结果及时调整焊道的焊接顺序，以保证齿条分段的各项尺寸要求；⑤焊接完成后应马上进行焊后保温工作，并在焊后保温工作完成后进行尺寸复测。
4.2窗户板的焊接变形控制窗户板的焊接主要包括窗户板与弦管的半环缝对接，以及窗户板与齿条板之间焊接，每个节点两侧各有一块窗户板。
窗户板的焊接变形控制要点主要有下面几点：①测量每块窗户板的尺寸及齿条板接长节点尺寸，进行尺寸优化匹配；②根据第3节的要求进行焊接施工，重点注意焊接顺序，节点两侧的窗户板要同时焊接，每块窗户板应先焊窗户板与弦管的半环缝，且左右两条焊缝同时施焊，然后焊接窗户板与齿条板之间焊缝，且上下两条焊缝同时施焊；③加大过程监控力度，在焊至焊缝1/2厚度和完成各条焊缝时进行尺寸测量，同时当层间温度偏高时，利用降温间隙加测尺寸，根据测量结果及时调整各条焊缝的焊接顺序；④焊接完成后应马上进行焊后保温工作，并在焊后保温工作完成后释放刚性固定进行尺寸复测。
4.3桩腿齿条焊接变形控制结果5 结束语钻井船桩腿齿条材质为调质高强度钢，碳当量高，可焊性较差，但通过合理的选择焊接方法、焊接材料、设计坡口形式、确定合适的最低预热温度和最高层间温度以及焊接工艺参数和焊后保温工艺，并按照焊接施工要点进行焊接，焊接接头便可以避免出现焊接缺陷，获得良好的力学性能，满足工程项目的施工需要。
钻井船桩腿齿条的尺寸精度要求高，但通过适当的刚性固定、预制反变形、加强过程控制和合理安排焊接顺序便可获得满足要求的尺寸精度。
参考文献：1. 姜胜臻,JG590低合金高强度钢的焊接工艺分析[J],金属加工,2009,16:37-38.2. AWS,Structural Welding Code-Steel,ANSI,2010.3. ABS, Rules for Matericals and Welding,ABS,2008.4. 中国船级社,材料与焊接规范,人民交通出版社,2009.。
