【正文】 1 海洋石油工程設(shè)計指南 第二冊（審查稿） 第七篇 海上石油工程加工設(shè)計 第三章 焊接加工設(shè)計 海洋石油工程設(shè)計指南編寫組 二○○四年十一月 2 第七篇 海上石油工程加工設(shè)計 第三章 結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計 第一節(jié) 緒論 石油、天然氣作為當(dāng)今世界的主要能源，既蘊藏在陸地的地層深處，也蘊藏在海底的地層深處。我國既是一個陸上大國 ,也是一個海洋大國，隨著我國陸上石油工業(yè)的發(fā)展，海洋石油工業(yè)也在迅速崛起。如今在我們遼闊富饒的國土上已經(jīng)呈現(xiàn)出陸海并進(jìn)的局面，共同承擔(dān)起為中 國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供寶貴能源的責(zé)任。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，海洋中石油和天然氣的資源量，約占世界石油、天然氣總儲量的 30%以上，因而近幾十年來美、英、日、法、德和俄羅斯等國家在海洋石油開發(fā)方面做了大量工作，海洋石油的開發(fā)已成為當(dāng)前世界各國極為重視的一件大事。 海洋工程包含的內(nèi)容極其廣泛，海上油、氣開發(fā)，包括勘探、開發(fā)和集輸系統(tǒng)等是當(dāng)今海洋工程的主要內(nèi)容之一，而人們設(shè)計和建造的海洋結(jié)構(gòu)物，如勘探鉆井用平臺（船）、生產(chǎn)采油用平臺、海上儲油輪及海底管線等，與陸地鋼結(jié)構(gòu)相比，這些海洋結(jié)構(gòu)物除因變換作業(yè)地點而在海上轉(zhuǎn)移外，常年 均在固定的海域作業(yè)，被含鹽的大氣包圍，要經(jīng)受風(fēng)暴、波浪、潮流和流冰等的侵蝕，處在非常嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中。此外，石油、天然氣的易燃易爆的特性對結(jié)構(gòu)有一定的威脅和危險。由于海洋資源開發(fā)的高風(fēng)險性，所以海洋工程結(jié)構(gòu)在設(shè)計、制造過程中必須嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。 海洋石油、天然氣的開發(fā)加大了對海洋工程的需求量。近幾年來，我國海洋石油開發(fā)力度不斷加大，工程開發(fā)建設(shè)量遞增。今后幾年，我 公司將 面臨 著前所未有的艱巨的生產(chǎn)建設(shè)任務(wù) ，要保質(zhì)保量的完成這些生產(chǎn)任務(wù)，一項很重要的舉措就是加強(qiáng)工藝革新，提高整體生產(chǎn)效率，其中 焊接技術(shù)水平是很重要的一個環(huán)節(jié)。 海洋工程焊接結(jié)構(gòu)是一種大型、復(fù)雜、特殊的工程結(jié)構(gòu)。它的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)形式都與一般普通船舶和陸上結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。海洋工程焊接結(jié)構(gòu)分為動態(tài)定位式和固定式兩大類，涉及到大量的鋼材加工，在海洋工程結(jié)構(gòu)的建造過程中，焊接貫穿在各個環(huán)節(jié)中，焊接工作量占有相當(dāng)大的比例。為縮短建造周期，降低建造成本，必須提高焊接的技術(shù)水平，推廣自動化和半自動化焊接技術(shù)，一方面可以提高公司的整體生產(chǎn)效率，另一方面可以降低工人的勞動強(qiáng)度。 1. 焊接設(shè)計的任務(wù)和內(nèi)容 海洋石油開發(fā)工程設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)、工藝管線、海 底管線、壓力容器的焊接加工設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)顧客 提供的詳細(xì)設(shè)計的 材料規(guī)格書、焊接技術(shù)規(guī)格書和 設(shè)計 圖紙等的技術(shù)要求，綜合考慮焊接成本、施工條件、焊接的難易及焊接變形等因素，按照現(xiàn)有制造施工單位具備完成施工要求所需的技術(shù)、人員和設(shè)備條件，制訂切實可行的焊接施工文件。其焊接 加工設(shè)計 包括以下 內(nèi)容，其設(shè)計 流程圖如圖 731所示 : 3 ? 對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、上部設(shè)施結(jié)構(gòu)、配管、海底管道壓力容器的節(jié)點組對詳圖、焊接要求進(jìn)行確認(rèn)。 ? 并依據(jù) 收集的資料、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn) 對不合理和不適當(dāng)?shù)牟糠?，向項目組提出，并應(yīng)得到顧客及第三 方監(jiān)檢機(jī)構(gòu)的批 準(zhǔn)。 ? 根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的圖紙等文件計算焊接材料用量， 編制焊接 材料 訂貨計劃。 ? 根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的基礎(chǔ)資料、圖紙、技術(shù)規(guī)格書等文件，依據(jù)有關(guān)的 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)確定是否需要 進(jìn)行焊接工藝評定試驗，并確定焊接工藝評定試驗數(shù)量及試驗項目。 ? 編制焊接工藝評定試驗用鋼材訂貨計劃和試驗用 焊 材訂貨計劃。 ? 制訂 焊接工藝評定試驗計劃、執(zhí)行部門及試驗項目等文件提交 設(shè)計項目組，轉(zhuǎn)交顧客及第三方監(jiān) 檢機(jī)構(gòu)，得到批準(zhǔn)后，發(fā)往有關(guān) 部門進(jìn)行試驗。 ? 焊接工藝評定試驗合格經(jīng) 顧客及第三方監(jiān)檢機(jī)構(gòu)確認(rèn)后，方可進(jìn)行相應(yīng)焊接工藝規(guī)程的編制。 ? 根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的基礎(chǔ)資料、圖紙、技術(shù)規(guī)格書等文件及有關(guān)的 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)編制 焊接工藝規(guī)程 及其他需提交給顧客的焊接程序文件，如焊接材料控制程序、焊后熱處理程序，變形熱調(diào)直程序等。 ? 按計劃 提交給 工程項目組，由工程項目組轉(zhuǎn)交顧客，得到顧客及第三方監(jiān)檢機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)后， 按照 文件發(fā)放規(guī)定發(fā)往有關(guān) 部門遵照執(zhí)行。 ? 對有特殊要求的焊接結(jié)構(gòu)，需另行 編制 焊接工藝規(guī)程或焊接方案。 ? 所有焊接專業(yè)發(fā)出的文件，均需由本專業(yè)技術(shù)人員校核。 顧客的技術(shù)規(guī)格書明確要求必須提供報批的焊接工藝規(guī)程，即 WPS；焊接工藝評定報告，即 PQR；焊接材料控制程序；焊后熱處理程序等。這些程序通常用英文編制，其他的焊接施工文件如果技術(shù)規(guī)格書和圖紙等規(guī)定必需提交給顧客時，可另行編制。另外，焊接施工過程中如需要，需制訂相應(yīng)的指導(dǎo)性焊接技術(shù)文件，如熱處理施工方案、焊接缺陷（如裂紋）返修程序、焊接變形控制程序等。對于 壓力容器的焊接加工設(shè)計，依據(jù) ASME 美國鍋爐及壓力容器規(guī)范或 GB150 鋼制 壓力容器 標(biāo)準(zhǔn)要求及制造單位的 壓力容器質(zhì)量保證體系和質(zhì)量保證手冊的規(guī)定，制訂相應(yīng)的 焊接技術(shù)文件。 在工程開工之前，承包商應(yīng)匯集全部經(jīng)顧客批準(zhǔn)的焊接工藝文件以及被采用的每一過程 的工藝評定，這些文件應(yīng)該作為永久記錄提交給顧客并存檔。 4 圖 731 焊接 設(shè)計 流程圖 2. .海洋工程結(jié)構(gòu)特點 海洋工程平臺的分類按照用途一般分為鉆井、生產(chǎn)采油、儲存、處理、居住、或其中幾項的一些組合，其結(jié)構(gòu)除一部分具有一般船舶的結(jié)構(gòu)形式外，主要結(jié)構(gòu)特點為由各種弦桿和斜桿等組成的鋼管桁架結(jié)構(gòu)，如勘探用的可移動自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺、浮船式鉆井平臺、導(dǎo)管架式生產(chǎn)采油平臺。平臺的上部為生活模塊結(jié)構(gòu)，通常就是指集鉆井、采油氣、生活、動力供應(yīng)于一體的海上綜合生產(chǎn) 5 平臺。模塊上除生活辦公設(shè)施外，并配有空調(diào)通 風(fēng)、生活用水、電力供應(yīng)、通訊氣象、火 /氣探測及報警等系統(tǒng)。 1） 自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu) 自升式鉆井平臺具有三個以上的可上下移動的樁腿，通過升降機(jī)構(gòu)將平臺結(jié)構(gòu)上升到海面以上一定高度進(jìn)行作業(yè)。大多數(shù)自升式鉆井平臺為三樁腿式三角形平臺型式，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的樁腿起支撐平臺的作用，為減少波浪對樁腿的沖擊，多采用桁架結(jié)構(gòu)。也有筒式樁腿，其管壁厚度較大，樁腿很高，其重量占整個平臺的一半。 2） 半潛式鉆井平臺 半潛式鉆井平臺適用于水深 500m 以內(nèi)的近海海域。這種平臺大都采用三根樁腿的三角形平臺。樁腿是平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，分圓柱型和 桁架型兩種。 3） 導(dǎo)管架式平臺 導(dǎo)管架式平臺是海上石油開采用典型裝置，導(dǎo)管架是用鋼管相貫焊接而成的空間構(gòu)架，它們是打樁時樁的導(dǎo)向架和側(cè)向樁的支撐，樁將平臺永久地固定在海床上，并同時承受水平力和垂直力。上部結(jié)構(gòu)由承受操作載荷和其他載荷的珩架和甲板間的空間組成。其特點是大型管節(jié)點結(jié)構(gòu)多，焊接工作量大，焊接質(zhì)量及焊接變形都要嚴(yán)格控制。管相交的節(jié)點 (T、 K、 Y 節(jié)點 )是導(dǎo)管架應(yīng)力集中的明顯區(qū)。典型管節(jié)點接頭形式如圖 732 所示。 該部位最容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此對該疲勞節(jié)點通常要打磨焊縫外形及切割邊緣以及接頭全焊透等措施以有效地改善焊縫疲勞性能，典型全熔透 T、 K、 Y節(jié)點接頭形式對厚截面或有疲勞要求時的對焊縫外觀的要求如圖 733 所示。 6 圖 732 典型管節(jié)點接頭形式 主管與支管的連接呈 T、 K、 Y或復(fù)合形相貫節(jié)點形式時，支管端為馬鞍形曲線。按國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，把此類圓管相貫形接頭分為四個區(qū)，即趾部、兩側(cè)部、根部區(qū)（見圖 732）。方管相貫形接頭除了上述四個區(qū)以外，還增加四個角部區(qū)。相貫形節(jié)點的焊縫可以分為全焊 透、部分焊透和角焊縫三類，依據(jù)設(shè)計計算承載要求選擇確定。要求全焊透時，支管馬鞍形端部（圓管時）的邊緣管壁處必須切割出一定的坡口面角度以與弦桿表面之間形成適于焊透的坡口角度，所須切割的坡口面角度值隨支管與主管斜交角度不同以及接頭各區(qū)支管母線與主管交點切線的斜面交角（一般稱為二面角 Ψ）角度不同而異，坡口面角度值還與各區(qū)位置以及支管與主管的管徑比有關(guān)。支管端坡口面角度的切割要求用數(shù)控多軸自動馬鞍形曲線管子切割機(jī)，在切割管端馬鞍形曲線的同時一次完成。而只切割馬鞍形曲線不能同時切出坡口面的設(shè)備或利用計算機(jī)繪制展開圖形 于支管管端作仿形切割的方法均不能完成支管端面坡口角度的切割， 7 使接頭（除跟部區(qū)外）難于實現(xiàn)焊透要求（主管與支管斜交角小于 60176。 時的根部區(qū)除外），而只能進(jìn)行部分焊透的接頭連接。主管與支管斜交角小于 30176。 時，根部區(qū)更難于施焊，必須在夾角底部填焊至一定寬度后才可正常施焊，其焊縫有效厚度值必須用切取斷面試樣作酸蝕宏觀檢驗的方法進(jìn)行焊接工藝評定加以驗證。圖 733所示為管材 T、 K、 Y形節(jié)點完全焊透焊縫外形經(jīng)打磨成下凹形剖面形狀的細(xì)節(jié)要求。當(dāng)磨痕深度小于 1mm，如承受 AWS 規(guī)定的 I級疲勞荷載時， tb的限制為 小于 25mm，如承受 AWS 規(guī)定的 II級疲勞荷載或不承受疲勞荷載則 tb不限制。如焊縫經(jīng)充分打磨，且使磨痕垂直于焊縫軸線，則適用于 AWS 規(guī)定的 I級疲勞荷載，且 tb不限制。 圖 733 全熔透 T、 K、 Y 節(jié)點接頭形式對厚截面或有疲勞要求時的焊縫外觀的要求 3. 海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼材 1） . 海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼材選擇原則 鋼材的選擇是各種鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計中極為重要的環(huán)節(jié)，正確、合理選材是保證海洋鋼結(jié)構(gòu)性能、壽命、使用安全和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。海洋工程在鋼材選擇上，必 須滿足海洋工程對鋼材的特殊要求，并取得相應(yīng)船級社的認(rèn)可。現(xiàn)就鋼材的選用原擇介紹如下： （ 1） 滿足服役條件要求 海洋結(jié)構(gòu)常年在固定的海域作業(yè)，被含鹽的大氣包圍，要經(jīng)受風(fēng)暴、波浪、潮流和流冰等的侵蝕，處在非常嚴(yán)酷的腐蝕及外力作用環(huán)境中，因此對關(guān)鍵部位的鋼材必須有特殊要求，具有各種特殊性能， 8 尤其是 Z向性能、塑性疲勞及低溫韌性如夏比沖擊功及 CTOD試驗等。固定式采油平臺一般根據(jù) ASTM、API 、 DnV及 BS 等標(biāo)準(zhǔn)選用鋼材。 （ 2） 滿足工藝性能要求 鋼材工藝性能的好壞，對產(chǎn)品加工的難易程度、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本等方面起著十分重要 的作用。由于海洋結(jié)構(gòu)比較龐大，多為露天制造，工作環(huán)境比較惡劣。因此，要求鋼材必須具有良好的熱切割性能及良好的焊接性能。一般以焊縫處出現(xiàn)裂紋、脆性、氣孔或其他缺陷的傾向來衡量焊接性能的好壞。 （ 3） 滿足經(jīng)濟(jì)的要求 對設(shè)計選材來說，保證經(jīng)濟(jì)性的前提是準(zhǔn)確的計算，按照產(chǎn)品服役條件選用適合的材料，而不能單純追求高質(zhì)量選用更高級的材料或以優(yōu)代劣。此外，選材時應(yīng)盡量立足于國內(nèi)條件，同時盡量減少材料的品種、規(guī)格等。 2） . 海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼材性能要求 海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼為保證良好的綜合性能，對鋼材的化學(xué)成分、強(qiáng)度、韌性等都有嚴(yán) 格的規(guī)定。各國規(guī)范對鋼材的韌性作出特別規(guī)定。挪威船級社 (DnV) 規(guī)范對移動式鉆井平臺用鋼材韌性規(guī)定見圖734； DnV 規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)按照重要性分為特殊的、主要的、次要的三類，按照強(qiáng)度級別分為三類。對沖擊功的要求見圖 735 所示。 圖 734 DnV規(guī)定的移動鉆井平臺用鋼材厚度 圖 735 DnV對不同鋼材要求的沖擊功 對固定式導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)用鋼材 ， API SPECRP2A規(guī)定 , 推薦使用 ASTM 及 API規(guī)范的鋼材，見表 731。 0 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 B A D E 265MPa≤б r≤ 265MPa б r265MPa DH EH AH 高強(qiáng)鋼 (HS) 厚度(mm) E D 普通鋼 (NS) 20 30 40 50 0 10 200 300 400 500 縱向 最小沖擊功(J) 橫向 材料最小屈服強(qiáng)度 MPa 9 表 731 API SPECRP2A 規(guī)定的固定式導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)用鋼標(biāo)準(zhǔn) 鋼材類別 項目 級別 說明 鋼材組別 強(qiáng)度級別和焊接性 I б s≤ 280Mpa, Ceq≤ %的低碳鋼，焊接可采用 AWS 中推薦的任何一種焊接方法施焊 II 280MPaб s≤ 360Mpa, Ceq≤ %的中等強(qiáng)度鋼，焊接需采用低氫焊接方法施焊 III 360MPaб s≤ 420Mpa, 需驗證焊接性 和特殊的焊接方法；疲勞強(qiáng)度和韌性 鋼材級別 適應(yīng)工作條件下的缺口韌性 C 沖擊試驗無特別要求 B 在預(yù)期的最低使用溫度下，沖擊功要求： I 類鋼最低值 20J。 II 類鋼最低值 34J A 保證沖擊試驗在低于最低預(yù)期工作溫度 2030℃進(jìn)行。 對于大厚度管相交的 T、 K、 Y 管節(jié)點，在厚度方向上拘束度大，并承受局部應(yīng)力集中，容易在臨近焊縫的母材上產(chǎn)生層狀撕裂，因此該部位的鋼材需采用具有厚度方向斷面收縮率大、具有良好性能的Z 向鋼，我國船級社平臺規(guī)范規(guī)定了抗層狀撕裂的 Z 向鋼，見表 732。為防止層狀 撕裂，除選用 Z 向鋼外，施焊時應(yīng)防止焊縫擴(kuò)散氫引起冷裂紋而誘發(fā)層狀撕裂，尤