仝明磊，張劍利，楊　建，熊　奇，杭建偉

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島266520）

基于CTOD工藝的焊接質(zhì)量控制技術(shù)

仝明磊，張劍利，楊建，熊奇，杭建偉

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島266520）

荔灣3-1導(dǎo)管架是中國(guó)首個(gè)自主建造的深水導(dǎo)管架項(xiàng)目，項(xiàng)目建造過程中采用大量的厚板設(shè)計(jì)。為降低建造成本，提高建造效率，廣泛應(yīng)用免除焊后熱處理的CTOD工藝，該工藝對(duì)焊接熱輸入、預(yù)熱與層間溫度以及層道布置非常敏感，給現(xiàn)場(chǎng)的焊接質(zhì)量控制工作帶來了較大的困難?；诤Ｑ笫凸こ蹋ㄇ鄭u）有限公司的項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)了CTOD工藝的焊接質(zhì)量控制技術(shù)，對(duì)其他的類似項(xiàng)目具有一定的借鑒作用。

CTOD工藝；焊接；質(zhì)量控制

0　前言

大型海洋工程結(jié)構(gòu)物工作環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，應(yīng)力集中程度高，加之焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷和接頭組織性能不均勻等影響，在外載荷的作用下很容易產(chǎn)生破壞[1]。荔灣3-1導(dǎo)管架項(xiàng)目設(shè)計(jì)水深為200 m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為3 2000 t，是目前國(guó)內(nèi)最大的導(dǎo)管架，也是中海油首個(gè)深水導(dǎo)管架項(xiàng)目，對(duì)中國(guó)海洋石油工程的發(fā)展都具有里程碑意義。

荔灣3-1導(dǎo)管架采用了大量的厚板設(shè)計(jì)，最大板厚達(dá)100 mm，其中壁厚大于50 mm的焊縫超過2000道，總長(zhǎng)近8 500 m。按照常規(guī)的焊后熱處理工藝，熱處理工作量非常大，耗費(fèi)大量的人力、物力，嚴(yán)重制約工程項(xiàng)目進(jìn)度，高空TKY節(jié)點(diǎn)的熱處理工作還存在很大的安全隱患[2]。項(xiàng)目焊接檢驗(yàn)規(guī)格書中規(guī)定，對(duì)于壁厚超過50 mm的鋼板，如果在焊態(tài)條件下斷裂力學(xué)測(cè)試和分析等“合于使用”試驗(yàn)合格，就可以免去焊后熱處理。項(xiàng)目成功開發(fā)了免除焊后熱處理的CTOD(裂紋尖端張開位移)焊接工藝，通過精細(xì)化質(zhì)量控制管理，在保證焊接合格率的基礎(chǔ)上，顯著降低了建造成本，縮短了項(xiàng)目工期。

1　組織機(jī)構(gòu)及人員資質(zhì)

CTOD焊接工藝實(shí)施之前，首先建立以焊接技術(shù)部門、生產(chǎn)部門、生產(chǎn)保障部門和質(zhì)量控制部門為主體的CTOD焊接質(zhì)量控制組織機(jī)構(gòu)，明確項(xiàng)目管理工程師、焊接工程師、質(zhì)量控制人員、車間班組長(zhǎng)、焊工及加熱設(shè)備技術(shù)保障人員的崗位責(zé)任制度。

由于CTOD工藝對(duì)象都是大壁厚全熔透對(duì)接焊縫，焊工/焊接操作工在焊接之前必須按照項(xiàng)目建造規(guī)范AWSD1.1取得相應(yīng)級(jí)別的資質(zhì)證書，其中TKY節(jié)點(diǎn)要求必須取得6GR焊工證書，并由生產(chǎn)部門挑選出一批技能高、責(zé)任心強(qiáng)的優(yōu)秀焊工專職從事CTOD工藝的焊接。

為了更好地實(shí)施CTOD工藝的焊接質(zhì)量控制，參加荔灣3-1項(xiàng)目的質(zhì)量控制人員要求必須具備5年及以上的檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。焊前，焊接工程師和質(zhì)量控制人員組織車間班組長(zhǎng)、焊工等人員對(duì)CTOD工藝的主要風(fēng)險(xiǎn)、焊接程序、工序控制要點(diǎn)等進(jìn)行技術(shù)交底和集中培訓(xùn)。

2　CTOD工藝焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1焊前質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.2.1選擇合適的WPS

選擇正確WPS是現(xiàn)場(chǎng)施工中保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊前車間班組長(zhǎng)和質(zhì)量控制人員須確認(rèn)選用CTOD工藝專用的WPS并確保嚴(yán)格執(zhí)行。

2.2.2組對(duì)質(zhì)量控制

質(zhì)量控制人員組對(duì)前要確認(rèn)材質(zhì)、壁厚、坡口角度、間隙、鈍邊等符合WPS和圖紙的要求。由于CTOD工藝對(duì)象都是大厚板，坡口角度取負(fù)偏差，即55°左右。焊縫兩邊25 mm內(nèi)油污、氧化皮等雜質(zhì)要清理干凈。

2.2.3焊接環(huán)境檢查

雨、霧、大風(fēng)等惡劣天氣必須采取有效的防護(hù)屏蔽措施；在有效的溫度維持措施被業(yè)主批準(zhǔn)之前，緊靠焊件溫度低于-20℃時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)行焊接。

2.3.4焊接材料檢查

質(zhì)量控制人員嚴(yán)格按照焊接材料保管和控制程序?qū)覆倪M(jìn)行檢查，包括爐批號(hào)、擴(kuò)散氫含量、焊材烘干、發(fā)放、露天使用保護(hù)等，所有無法識(shí)別、生銹、損壞的焊材都必須禁止使用。

2.3.5設(shè)備工機(jī)具檢查

質(zhì)量控制人員焊前必須對(duì)設(shè)備工機(jī)具的使用狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保焊接設(shè)備、加熱設(shè)備、測(cè)量工具等按規(guī)定進(jìn)行檢定并處于有效的檢定周期之內(nèi)。

2.2焊接過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.2.1預(yù)熱和層間溫度控制

CTOD性能對(duì)預(yù)熱和層間溫度非常敏感，因此預(yù)熱和測(cè)溫人員要進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，并確保每臺(tái)投入到CTOD的電加熱設(shè)備有一人進(jìn)行監(jiān)控。質(zhì)量控制人員嚴(yán)格按照業(yè)主批準(zhǔn)的《預(yù)熱和層間溫度控制程序》并結(jié)合WPS要求進(jìn)行控制。預(yù)熱溫度不能低于WPS要求，也不應(yīng)高于最低預(yù)熱溫度50℃；道間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不能超出最大道間溫度。預(yù)熱范圍必須大于所有焊接方向的厚度并不得小于75 mm，為保證整個(gè)厚度方向都達(dá)到要求的溫度，要求在加熱部位的反面進(jìn)行測(cè)量。

2.2.2定位焊及輔助工作質(zhì)量控制

定位焊、碳弧氣刨、熱切割等都需要按照WPS要求進(jìn)行預(yù)熱和清理。定位焊執(zhí)行已批準(zhǔn)的WPS，由具有資質(zhì)的焊工焊接，定位焊長(zhǎng)度至少50 mm，可視情況加長(zhǎng)，其橫截面應(yīng)足夠大，以確保不會(huì)開裂。定位如產(chǎn)生裂紋應(yīng)徹查其原因并徹底清除定位焊縫，才能進(jìn)行正式焊接。禁止在非焊接部位進(jìn)行引弧，電弧擊傷產(chǎn)生的缺陷必須通過認(rèn)真打磨去除，并進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)和采用10％過硫化酸氨進(jìn)行腐蝕以確保燒傷區(qū)域完全去除。引弧、熄弧板焊接結(jié)束后采用氣割方式切除并打磨平整，嚴(yán)禁錘擊方式去除。

2.2.3焊接過程質(zhì)量控制

由于CTOD工藝性能對(duì)焊接熱輸入以及層道布置都非常敏感，焊接過程的控制對(duì)于保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。CTOD焊接工藝一律采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法。除打底層和蓋面層外，焊條電弧焊、藥芯氣體保護(hù)焊、單絲埋弧焊每層增加的厚度不超過4 mm，雙絲埋弧焊不超過4.5 mm；焊條電弧焊擺寬不超過2.5倍焊條直徑，藥芯氣體保護(hù)焊擺寬不超過17 mm；非管材焊層超過16 mm/管材焊層超過25 mm，全部多道焊縫必須錯(cuò)層焊接。每一條焊道的深度和最大寬度，均嚴(yán)禁超過此焊道表面的寬度。

焊接過程必須嚴(yán)格控制焊接線能量，采用多層多道法施焊。任一焊道的焊接線能量均不得超出WPS規(guī)定的熱輸入范圍。只有完成打底焊縫并連續(xù)填充6層焊道以后才允許焊接中斷，焊接中斷后應(yīng)使用保溫材料包裹焊接接頭以緩慢冷卻，重新焊接前應(yīng)進(jìn)行外觀和磁粉檢驗(yàn)，如無缺陷方可重新預(yù)熱焊接。

焊接操作人員做好施焊記錄，在集中施焊區(qū)域，質(zhì)量控制人員實(shí)行專人不間斷監(jiān)控，對(duì)焊接過程、工藝參數(shù)、施焊記錄等進(jìn)行檢查并簽字確認(rèn)。

2.2.4焊接變形控制

由于厚壁構(gòu)件施焊時(shí)焊縫拘束度高，焊接殘余應(yīng)力和變形都比較大。荔灣3-1項(xiàng)目通過“邊施工、邊檢查”的方式，加強(qiáng)了對(duì)多層多道焊接的過程監(jiān)控，嚴(yán)格控制擺寬。同時(shí)采用“分散、對(duì)稱、均勻、減小拘束度”焊接順序控制方針，有效地減小了焊接應(yīng)力和變形。

2.3焊后質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.3.1外觀檢查

焊縫必須完全填滿且余高不得超過3 mm，不允許有咬邊、焊瘤等缺陷，對(duì)于疲勞節(jié)點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行外觀處理。

2.3.2后熱處理

對(duì)于重要焊接節(jié)點(diǎn)，焊接結(jié)束后立即將焊縫及其兩側(cè)各100～150mm范圍內(nèi)的局部母材進(jìn)行200℃～250℃、1 h/25 mm后熱處理，防止焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)氫致裂紋。

2.3.3焊接返修控制

焊接返修應(yīng)按照批準(zhǔn)后《焊接返修程序》并結(jié)合WPS進(jìn)行。主結(jié)構(gòu)焊縫的最多只能返修一次。返修時(shí)禁止采用火焰氣刨，采用碳弧氣刨時(shí)應(yīng)通過認(rèn)真打磨完全去除滲碳層。清除缺陷后采用磁粉或滲透探傷以確保缺陷完全去除，返修焊接時(shí)必須采用一切措施減少焊接應(yīng)力。

3　CTOD工藝焊接質(zhì)量控制常見問題及改進(jìn)建議

CTOD工藝焊接質(zhì)量控制常出現(xiàn)以下問題：

（1）焊前坡口裝配達(dá)不到工藝要求、焊接材料沒有按規(guī)定烘干和保溫使用，待焊工件需預(yù)熱而實(shí)際沒有進(jìn)行或者預(yù)熱溫度不足或不按照WPS指定的加熱設(shè)備加熱等。

（2）焊接過程中不按照評(píng)定的工藝要求清理干凈每一道焊縫，不按照評(píng)定的工藝控制層間溫度，不按照評(píng)定的工藝要求而增大焊接線能量，擺寬過大等。

（3）無故進(jìn)行焊接中斷，未焊至指定道數(shù)就進(jìn)行中斷，焊接中斷后未按程序要求進(jìn)行必要的緩冷、檢驗(yàn)及預(yù)熱等。

（4）不重視定位焊，未能按照定位焊的要求采取預(yù)熱等技術(shù)措施。

這些問題都可能在焊縫中形成焊接缺陷或引起焊縫性能變差，從而影響焊接質(zhì)量。針對(duì)這些問題，焊接時(shí)須加強(qiáng)項(xiàng)目的統(tǒng)一管理和各專業(yè)的相互協(xié)同，通過嚴(yán)格的過程監(jiān)控和記錄，確保焊接參數(shù)嚴(yán)格按工藝執(zhí)行。質(zhì)量管理人員應(yīng)對(duì)各主體的監(jiān)控工作進(jìn)行檢查，對(duì)焊接過程是否嚴(yán)格按焊接工藝焊接進(jìn)行抽查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)以質(zhì)量信息反饋單形式記錄，并將檢查結(jié)果提交項(xiàng)目組，確保不因?yàn)橼s工而降低焊接質(zhì)量。

4　結(jié)論

荔灣3-1導(dǎo)管架項(xiàng)目大于50 mm壁厚焊縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性都是以往項(xiàng)目所不能相比的。在大厚板焊接中，CT0D焊接工藝無需進(jìn)行焊后熱處理操作，可以明顯提高焊接效率、降低建造成本。但該工藝焊接層道布置更加精細(xì)、焊接熱輸入較低且控制嚴(yán)格、預(yù)熱與層間溫度要求更嚴(yán)格。海油工程（青島）有限公司通過科學(xué)建立監(jiān)控組織機(jī)構(gòu)、設(shè)置專職監(jiān)控人員、加強(qiáng)多專業(yè)協(xié)同、精細(xì)化過程控制等手段，嚴(yán)格落實(shí)了CTOD工藝的WPS控制要點(diǎn)。荔灣3-1項(xiàng)目焊接合格率達(dá)到99.5％（按長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)），成為國(guó)內(nèi)外大型復(fù)雜海洋鋼結(jié)構(gòu)CTOD工藝應(yīng)用的質(zhì)量典范，也為其他類似項(xiàng)目焊接質(zhì)量控制起到了借鑒和指導(dǎo)作用。

[1]曹軍，李小巍，溫志崗CTOD斷裂度試驗(yàn)在海洋平臺(tái)建造中的應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2004，16（2）：129-136.

[2]汪彬，王玉春，王林昌，等.兩種埋弧焊工藝在海洋工程結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用對(duì)比[A].2012年中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會(huì)論文集[C].2012：213-216.

Welding quality control technology of CTOD process

TONG Minglei，ZHANG Jianli，YANG Jian，XIONG Qi，HANG Jianwei
（China Offshore Oil Engineering Co.（Qingdao），Ltd.，Qingdao 266520，China）

LW3-1 Jacket is the first deep water jacket made independently by China，which a lot of thick plates were used in the construction.In order to reduce the construction cost and increase raise the efficiency，CTOD process were widely used,which could exempt post weld heat treatment.Yet CTOD process were very sensitive to heat input，pre-heat&inter-pass temperature，layer arrangement，which made it difficult for welding quality control.Based on the project practice of China Offshore Oil Engineering Company（Qingdao）Limited，Welding quality control technology of CTOD process is summarized in this paper，which may be used as a guidance or reference for welding quality control of similar project.

CTOD process；welding quality；control technology

TG457

B

1001－2303（2016）04－0121-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.26

2016－02－10；

2016－03－03

仝明磊（1983—），男，河南人，碩士，國(guó)際焊接工程師（IWE），美國(guó)焊接協(xié)會(huì)注冊(cè)焊接檢驗(yàn)師（CWI），主要從事海洋石油工程焊接檢驗(yàn)、質(zhì)量控制、焊接人員資質(zhì)認(rèn)證等工作。