【正文】 大區(qū)別。 海洋石油、天然氣的開發(fā)加大了對海洋工程的需求量。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，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。 1 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南 第二冊（審查稿） 第七篇 海上石油工程加工設(shè)計(jì) 第三章 焊接加工設(shè)計(jì) 海洋石油工程設(shè)計(jì)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(jì) 第三章 結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì) 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(yùn)藏在陸地的地層深處，也蘊(yùn)藏在海底的地層深處。 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(jì)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(diǎn)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。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。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。 ? 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?xiàng)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)。 ? 制訂 焊接工藝評定試驗(yàn)計(jì)劃、執(zhí)行部門及試驗(yàn)項(xiàng)目等文件提交 設(shè)計(jì)項(xiàng)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(yàn)。 ? 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。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。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。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。 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。典型管節(jié)點(diǎn)接頭形式如圖 732 所示。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)。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(jì)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(shí)現(xiàn)焊透要求（主管與支管斜交角小于 60176。圖 733所示為管材 T、 K、 Y形節(jié)點(diǎn)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。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。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。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。對沖擊功的要求見圖 735 所示。 對于大厚度管相交的 T、 K、 Y 管節(jié)點(diǎn)，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。 表 733 API SPECRP2A規(guī)定的水下桿件鋼材韌性 D/t (徑 厚比 ) 試驗(yàn)溫度 試驗(yàn)條件 大于 30 低于預(yù)計(jì)最低工作溫度 20℃ 平板 2030 低于預(yù)計(jì)最低工作溫度 30℃ 平板 小于 20 低于預(yù)計(jì)最低工作溫度 10℃ 按制造 對于暴露于低溫和可能遭受冰載及船舶撞擊的水上節(jié)點(diǎn)，或要求防止各種脆性斷裂的任何關(guān)鍵部位的連接，應(yīng)采用韌性較好的 A級鋼。如寶鋼、舞鋼、馬鋼、武鋼等企業(yè)的鋼材產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)制造。 177。 177。1 177。 177。 177。 177。1 177。 177。 177。 177。1 177。 177。 177。 177。1 177。 177。 177。 177。1 177。 177。 177。 177。1 177。 177。 177。 177。1 177。 177。但冷卻速度過快會使接頭塑性及韌性下降。為避免焊縫接頭過熱，焊接時應(yīng)避免熱輸入過大。這 類鋼材是海洋工程主結(jié)構(gòu)主要用料。要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和母材厚度，確定熱輸入和預(yù)熱溫度，以控制 熱影響區(qū)的冷卻速度。海洋鋼結(jié)構(gòu)用鋼由于要求比較高，其綜合機(jī)械性能必須滿足相關(guān)國際規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求，如碳當(dāng)量、低溫韌性、斷面收縮率等。這種鋼材在冶煉時需特殊的工藝，特別是控制“ S”的含量，要求硫的含量小于 %，同時采取控制軋制及正火處理。從上個世紀(jì)九十年代初期開始，隨著國內(nèi)鋼鐵冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有多家鋼鐵公司具備了生產(chǎn)海洋鋼結(jié)構(gòu)用鋼的條件，進(jìn)口鋼材逐漸被國產(chǎn)鋼材所替代。而且有良好的可焊性。如熱影 響區(qū)的冷卻速度過低，則奧氏體將轉(zhuǎn)變成粗大的貝氏體，其強(qiáng)度及韌性下降。此外，焊接工藝及參數(shù)的選擇，應(yīng)力求有利于使焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量最低。按組織狀態(tài)分為馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體 — 鐵素體及沉淀硬化型不銹鋼。碳能與鉻化合使鉻失去抗腐能力，特別是在晶間易產(chǎn)生晶間腐蝕，所以不銹鋼幾乎都是低碳、超低碳的。含Ti或 Nb的奧氏體不銹鋼在 800℃ 以下使用時，一般要經(jīng)過穩(wěn)定化處理，即在固溶化處理后，再加熱到 850℃ 900℃ 保溫 24h，使 Ti或 Nb與碳化合，從而保護(hù)鉻，起抗腐蝕作用。另外還可能有下面所說的 475℃ 脆性和 !相脆性問題。當(dāng)焊縫或熱影響區(qū)在 400℃ 17 600℃ 或 650℃ 850℃ 溫度范圍停留時間過長，還可能出現(xiàn)所謂 475℃ 脆性或 σ相脆性。為防止晶粒粗化，回火不能從預(yù)熱或?qū)娱g溫度直接加熱處理，而應(yīng)冷卻到 150120℃ ，保溫 2h，奧氏體變成馬氏體，然后再及時加熱回火處理，以獲得具有足夠韌性的細(xì)晶粒組織。此外，焊接沉淀硬化合金還有熱影響區(qū)裂紋問題。生產(chǎn)上采用焊縫金屬為奧氏體 鐵素體雙相組織的焊條焊接奧氏體不銹鋼；采用低氫焊條促使焊縫金屬晶粒細(xì)化，減少焊縫中的有害雜質(zhì)，提高焊縫的抗裂性；采取盡量快的焊速，等待焊層冷卻后再焊下一道，以減小焊縫過熱；焊接結(jié)束或中斷，收弧要慢，填滿弧坑，防止弧坑裂紋；選用較小的焊接電流。有時焊后進(jìn)行熱處理也會造成晶間腐蝕。但經(jīng) 650850℃ 加熱，隨后緩冷，則可消除。 ③ 雙相和超雙相不銹鋼的焊接 雙相和超雙相不銹鋼以其優(yōu)良的性能，具有良好的耐應(yīng)力腐蝕性、抗點(diǎn)蝕、抗縫隙腐蝕及晶間腐蝕能力，而越來越受到重視。與 188型鉻鎳奧氏體不銹鋼相比， 188 型的鐵素體含量一般為 3~10%，作用于改善其焊接性，而雙相不銹鋼通過精確控制各元素的比例及進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械熱加工，使其中的鐵素體含量 約為 50%，與奧氏體各占一半。與一般奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼具有更好的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕的腐蝕性能，并具有更高的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和優(yōu)良的焊接性能。為此雙相不銹鋼焊接基本上于焊縫金屬中的鐵素體含量有關(guān)。圖 736 為焊縫金屬中鐵素體含量與 Nieq(Ni當(dāng)量 )的關(guān)系曲線。熱影響區(qū)中 F 相數(shù)量增大，常導(dǎo)致 C、 N固溶原子過飽和從而析出碳氮化合物 Cr（ N， C）等，碳氮化合物析出部位在冷卻速度較 圖 736 焊縫金屬中的鐵素體含量與 Nieq 的關(guān)系曲線 快時還會形成貧 Cr區(qū)。如果焊接材料中的 Mn含量過多，焊縫金屬凝固時原有是高溫單相 F 相，會變成高溫δ＋γ相，這樣會造成焊縫中偏析過大，抗腐蝕性及韌性下降。 對雙相和超雙相不銹鋼的焊接工藝需要加以控制以保證焊縫性能 符合適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，焊接雙相和超雙相不銹鋼的一般原則見圖 737，某些特殊領(lǐng)域的焊接工藝控制被詳細(xì)列于規(guī)程和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。 C，這符合 NORSOK M601,Shell 20 ES106 和 ES124 標(biāo)準(zhǔn)。國外有一些 CuNi 合金焊接的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但是，真正用于生產(chǎn)的成熟的焊接工藝比較少。因此應(yīng)采用大線能量、高能束的焊接方法，并采取焊前預(yù)熱等工藝措施。 防止熱裂紋的措施是控制母材中鉛、鉍的含量；在焊絲中加入 Si, Mn, P 等元素進(jìn)行脫氧；采用能獲得 α + β 雙相組織的焊絲。 基于以上銅 鎳合金的焊接特點(diǎn)，在焊接前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作： ? 焊件表面清洗 吸附在焊絲、坡口及兩側(cè) 30mm 范圍內(nèi)表面的油污、水分及其他雜質(zhì)和金屬 氧化物都必須進(jìn)行仔細(xì)的清理，直至露出金屬光澤，以防焊縫出現(xiàn)氣孔。 ? 接頭形式 接頭相對熱源應(yīng)呈對稱形，使其具備相同的傳熱條件，才能獲得成形均勻的焊縫。一般焊前不預(yù)熱，焊后也不用消除應(yīng)力熱處理。 ? 定位點(diǎn)焊時，焊縫長度不應(yīng)小于 40mm。這些因素會使焊接接頭的強(qiáng)度、硬度下降，塑性和韌性得到改善。板厚度小 50mm的馬氏體型低溫鋼，一般不需焊后熱處理。 第二節(jié) 海洋工程焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)定 海洋工程所包含的導(dǎo)管架、組塊結(jié)構(gòu)；工藝管線；鋼制壓力容器、海底管道等在制造過程中，對其材料、焊接等環(huán)節(jié)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都有嚴(yán)格的要求。這些規(guī)范的大多數(shù)條款是指令性的，而某些條款為建議性的，可供選擇。 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)管架、組塊結(jié)構(gòu)焊接的特殊規(guī)定如下： 1) 焊接方法 焊接方法按照規(guī)范及工程技術(shù)規(guī)格書允許的焊接方法選擇，其他未列入規(guī)范及工程技術(shù)規(guī)格書的焊接方法在使用前必須得到業(yè)主認(rèn)可并經(jīng)焊接工藝評定合格后方可使用。 3) 焊工和焊接操作者技能 海洋工程建造前必須對制造商或承包商的焊工和焊接操作者進(jìn)行資格考試，考試合格并取得第三方監(jiān)檢機(jī)構(gòu)頒發(fā)的合格證及顧客的認(rèn)可，方可擔(dān)任相應(yīng)項(xiàng)目的焊接工作。 4) 焊接材料 所用焊接材料應(yīng)經(jīng)相 應(yīng)船級社認(rèn)可，相應(yīng)的機(jī)械性能必須滿足技術(shù)要求。受環(huán)境的影響比較大，易受風(fēng)、雨、雪、氣溫、濕度等自然因素的影響，全位置焊接較多。 海底管 道 焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)定 海底輸油（氣）管道是海上油（氣）田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分。為了保證海底輸油（氣）管道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須確保整條管線運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的可靠性。 2) 焊接工藝規(guī)程（ WPS） 管道 焊接及缺陷返修 WPS 必須按照合同文件規(guī)定使用的規(guī)范進(jìn)行評定，通常要求模擬鋪管船工況進(jìn)行試驗(yàn)件的焊接。 4) 焊接材料 所用焊接材料應(yīng)經(jīng)相應(yīng)船級社認(rèn)可，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接材料才能應(yīng)用于 管道 焊接。焊接工藝規(guī)程對根焊道與熱焊道的間隔時間要求是重要變素。在能滿足設(shè)計(jì)和安裝要求的前提下，同時要選用最經(jīng)濟(jì)的管材。鋼管的制造嚴(yán)格按照美國石油學(xué)會（ API）的 API Spec 5L 規(guī)范。 工藝管線焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 及相關(guān)規(guī)定 生產(chǎn)設(shè)施的工藝管道，是海洋工程中數(shù)量大、選材復(fù)雜、規(guī)格多、要求高的重要組成部分。通常按照 ASME IX規(guī)范執(zhí)行。 4) 焊接材料 所用焊接材料應(yīng)經(jīng)相應(yīng)船級社認(rèn)可，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接材料才能應(yīng)用于 工藝管線的 24 焊接。 鋼制壓力容器焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 及相關(guān)規(guī)定 鋼制 壓力容器廣泛應(yīng)用于石油、化工行業(yè)中，運(yùn)行條件比較苛刻，尤其是帶有易燃、易爆、有毒介質(zhì)的壓力容器，制造質(zhì)量與國家和人民生命財(cái)產(chǎn)密切相關(guān)，稍有質(zhì)量問題會帶來安全隱患，國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局制定了嚴(yán)格的質(zhì)量措施和一系列的監(jiān)察規(guī)程。美國 ANSI/ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》是國際上比較通用，權(quán)威性的設(shè)計(jì)和制造規(guī)范，其中ANSI/ASME II 材料分冊、 ANSI/ASME VIII 壓力容器設(shè)計(jì)分冊及 ANSI/ASME IX 焊接和釬焊評定對壓力容器焊接有相關(guān)要求。 JB 470 JB/T 4709 是壓力容器行業(yè)應(yīng)用的主要的焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，分別規(guī)定了壓力容器焊接工藝評定規(guī)則、試驗(yàn)方法和合格標(biāo)準(zhǔn)及鋼制壓力容器焊接規(guī)程編制要素及焊接基本要求。焊接工藝規(guī)程通常由行業(yè)或企業(yè)自行制訂并實(shí)施，如《碳素鋼及低合金鋼焊接技術(shù)規(guī)程》、《不銹鋼焊接技術(shù)規(guī)程》、《鋁制空分設(shè)備氬弧焊工藝規(guī)程》、《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》、《二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝規(guī)程》等。它是在焊接工藝評定的基礎(chǔ)上結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)由焊接技術(shù)人員編制的。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了“ 應(yīng)根據(jù)母材的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接性能結(jié)合壓力容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件綜合考慮選用焊接材料”的原則，必要時還可通過試驗(yàn)方法確定。焊接材料必須符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并有產(chǎn)品質(zhì)量證明書，且滿足圖樣的技術(shù)要求，使用之前應(yīng)按質(zhì)量 保證的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)收或復(fù)驗(yàn)。若采用熱加工方法則還應(yīng)采用冷加工方 法去除影響焊接質(zhì)量的表面層。 焊條，焊絲按規(guī)定烘干、保溫；焊絲應(yīng)去除油、銹；保護(hù)氣體應(yīng)保持干燥。當(dāng)用熱加工法下料、開坡口、清根、開槽或施焊臨時焊縫時，亦需考慮預(yù)熱要求。相對濕度大于 90%，雨雪環(huán)境，焊件溫度低于 20℃ 等惡劣環(huán)境中施焊時也應(yīng)采取相應(yīng)的措施。施焊中要防止地線、電纜線、焊鉗與焊件打弧。對于自動焊，若經(jīng)試驗(yàn)確認(rèn)能 保證焊透，亦可不作清理處理。當(dāng)中斷焊接時，對冷裂紋敏感的焊件應(yīng)及時采取后熱、緩冷等措施；重新施焊時，仍需按規(guī)定進(jìn)行預(yù)熱。 焊后熱處理應(yīng)根據(jù)母材的化學(xué)成分、焊接性能、厚度、焊接接頭的拘束程度、容器使用條件和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等綜合確定。焊后熱處理應(yīng)在補(bǔ)焊后和壓力試驗(yàn)前進(jìn)行。 焊件升溫期間，加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度