海洋钢结构的焊接质量控制应用分析

海洋钢结构的焊接质量控制应用分析

丁士星

中海福陆重工有限公司

摘要：海洋钢结构是海洋石油工业生产中所不可缺少的一种重要材料，在海上油气钻采中起着重要的支撑作用。受石油等能源的价格上涨影响，海洋钢结构产量逐渐增加，海洋钢结构焊接质量控制越来越重要。鉴于此，本文对海洋钢结构的特点及类型进行了简单分析，对海洋钢结构焊接质量的检测技术与控制进行了详细分析，旨在提高海洋钢结构焊接质量，推动海上石油产业健康发展。

关键词：海洋钢结构；焊接；质量控制；检测技术

前言：海洋钢结构工作环境特殊，长期处于海水之下，且随着石油开采向深水海域的迈进，其工作环境更趋恶劣。较之常规钢结构，海洋钢结构焊接质量要求更高，控制更为严格。只有全面控制好海洋钢结构的焊接质量，才能保证海上油气钻采作业安全顺利进行。因此，加强海洋钢结构焊接质量的检测与控制对海洋油气开发具有重大意义。

1.海洋钢结构的特点与类型

海洋钢结构焊接对钢的使用以低合金钢和低碳钢为主，而对于钢材强度等级的确定则需要依据海洋结构钢的具体结构类型与工作条件来进行。通常情况下，海洋钢结构的主结构一般选用屈服强度等级为400MPa、420MPa、500MPa等几个级别的高强钢，厚度最大在10cm到15cm之间，次结构钢一般选用屈服强度等级较低的235MPa钢材；对于自升式钻井船桩腿，通常选择屈服强度等级为500MPa、550MPa等几个级别的高强钢，其他类型结构钢大多采用350MPa屈服强度的低碳钢[1]。

海洋钢结构主要用于海上油气的钻探开采，所用钻探设备主要有半潜式钻井平台和自升式钻井平台，所用开采设备主要有立柱式平台、顺应塔平台、固定式导管架平台等。自升式钻井平台依靠桩腿支撑固定在海床上，钻井等设施安置在船体上，船体部分通过齿条与齿轮啮合可以实现与桩腿之间的上下运动，从而满足不同海上钻探要求。固定式导管架平台采用打桩方式固定在海底海床上，导管架在平台中发挥着重要的支撑作用，主要支撑着上部结构的所有重量。不同类型的钻探设备与开采设备适用于不同的海上油气钻采要求，有着各自的特点与优势。

2.海洋钢结构的焊接质量检测技术

2.1.射线探伤方法（RT）

目前应用较广泛的射线探伤方法是利用（X、γ）射线源发出的贯穿辐射线穿透焊缝后使胶片感光，焊缝中的缺陷影像便显示在经过处理后的射线照相底片上。主要用于发现焊缝内部气孔、夹渣、裂纹及未焊透等缺陷。

2.2.超声探伤（UT）

利用压电换能器件，通过瞬间电激发产生脉冲振动，借助于声耦合介质传人金属中形成超声波，超声波在传播时遇到缺陷就会反射并返回到换能器，再把声脉冲转换成电脉冲，测量该信号的幅度及传播时间就可评定工件中缺陷的位置及严重程度。超声波比射线探伤灵敏度高，灵活方便，周期短、成本低、效率高、对人体无害，但显示缺陷不直观，对缺陷判断不精确，受探伤人员经验和技术熟练程度影响较大。

2.3.渗透探伤（PT）

当含有颜料或荧光粉剂的渗透液喷洒或涂敷在被检焊缝表面上时，利用液体的毛细作用，使其渗入表面开口的缺陷中，然后清洗去除表面上多余的渗透液，干燥后施加显像剂，将缺陷中的渗透液吸附到焊缝表面上来，从而观察到缺陷的显示痕迹。液体渗透探伤主要用于：检查坡口表面、碳弧气刨清根后或焊缝缺陷清除后的刨槽表面、工卡具铲除的表面以及不便磁粉探伤部位的表面开口缺陷。

2.4.磁性探伤（MT）

利用铁磁性材料表面与近表面缺陷会引起磁率发生变化，磁化时在表面上产生漏磁场，并采用磁粉、磁带或其他磁场测量方法来记录与显示缺陷的一种方法。磁性探伤主要用于：检查表面及近表面缺陷。该方法与渗透探伤方法比较，不但探伤灵敏度高、速度快，而且能探查表面一定深度下缺陷。

2.5PAUT检测技术

PAUT检测技术，即相控阵技术，在军事，医疗、航空等诸多领域均有广泛的应用，是一套超声波图像采集实时成像系统，能够实现A扫描、B扫描、C扫描等多种扫描，能够为超声波检测数据分析提供所需强大功能。PAUT检测技术采用较长的常规超声探头，探头内有128个小晶片，可以单独激发[2]。使用该技术对海洋钢结构焊接质量进行检测，可以提高检测结果的精确度与可信度，且无辐射、安全可靠，是海洋钢结构焊接中采用较多的一种质量检测技术。

2.6TOFD检测技术

TOFD检测技术，即超声波衍射时差法，其采用两个探头，一个探头作为发送端一个探头作为接收端，形成一发一收的探测形式，产生非聚焦的纵波，实现对检测对象的探测。该技术在海洋结构钢焊接质量检测中的应用主要是对工件内部结构缺陷进行检测，通过对结构钢内部端角与端点两处探测所得到的衍射能量信号，实现对缺陷的检测与定位，从而及时发现缺陷并将其解决，提高海洋钢结构焊接质量[3]。与传统检测技术相比，TOFD检测技术具有检测速度快、效率高、范围广，检测结果数字化，可以实现永久保存，检测结果准确率高，对工件的表面裂纹、气孔、横纵向裂纹等缺陷有着良好的检测效果。

值得注意的是，在采用TOFD检测技术、PAUT检测技术等技术对海洋钢结构焊接质量进行检测时，必须要严格按照国家有关技术标准来进行。目前，许多国家已经为TOFD检测技术制定了相应的标准，为该技术的应用提供了有力支持。

3.海洋钢结构焊接质量控制

3.1冷裂纹控制

海洋钢结构焊接冷裂纹的产生主要是由温度控制不当所引起的，当焊接过程中的冷却温度降到200℃以下时钢结构就容易出现冷裂纹，其是海洋钢结构焊接中经常出现的一类质量问题。根据海洋钢结构冷裂纹产生的原理，即焊缝中残余应力、扩散氢与塑性组织综合作用的结果，对这类质量问题的控制应做到以下几点：加强对焊接过程质量的控制，避免缺陷出现，减少应力集中发生概率；适当提高预热温度，减缓焊缝冷却速率，降低焊缝中扩散氢的含量，并在焊后对焊缝中的扩散氢进行清除，进一步降低焊缝扩散氢含量；尽可能采用低氢焊接材料，焊接时严格按照相关技术规范进行，提高焊条与焊剂烘焙的规范性[4]。为了减少烘焙过程中焊条与焊剂对空气中水分的吸收量，应使用保护罩将焊丝罩住，焊接完成后取下焊丝；充分考虑海洋钢结构的工作环境，合理设计钢结构，降低接头处应力。

3.2抗疲劳性能控制

提高海洋钢结构的抗疲劳性能也是其焊接质量控制非常重要的一方面。在海洋钢结构中含有大量的T、K、Y节点，这些节点处的应力非常复杂且很容易集中，为了防止因节点应力集中而降低钢结构抗疲劳性情况发生，需要对这些节点处的焊缝进行打磨处理，使其光滑，即加强焊缝轮廓控制。加强焊缝轮廓控制，提高海洋钢结构抗疲劳性能，需要对焊缝、焊底脚进行打磨，打磨方向垂直于焊缝轴线，降低焊底脚与母材之间的缺口效应，改善焊缝完工剖面形状，合理设计焊缝轮廓，良好的焊缝轮廓应成凹形。

3.3应力腐蚀开裂控制

海洋钢结构的应力腐蚀开裂现象主要是由海水中含有的硫化氢所引起的，而海水硫化氢含量多少与其海域受污染程度有着直接的联系，污染程度越高，海硫化氢含量就越多，对海洋钢结构的应力腐蚀就越强。根据大量实际案例分析，硫化氢应力腐蚀对海洋钢结构造成的开裂部位主要发生在焊接底脚，并向母材处扩展。而试验证明，适当降低焊缝处的硬度可以较好的避免硫化氢应力腐蚀开裂现象发生[5]。因而对于这类问题的防治需要采取的措施有采用抗硫化氢应力腐蚀的金属材料，对焊缝进行焊后热处理，控制好焊后热处理质量，降低焊接接头处的硬度；适当提高预热温度，降低焊缝冷却速度，采用较小的焊接热输入量，合理控制层间温度，避免硬组织、脆组织产生。

总结：用于海上油气钻探的海洋钢结构在海上石油、天然气等的钻探开采中发挥着举足轻重的作用，是实现海上钻采的重要基础设施。而加强海洋钢结构焊接质量控制，则需要从焊接温度、结构设计、材料选择、焊接工艺等各个方面入手，做好每一环节的质量控制，重点控制裂缝、腐蚀等问题，全面提升海洋钢结构焊接质量，为海上石油工业的可持续发展提供有力保障。

参考文献：

[1]孙钟，孙小磊，张志宽，徐现东，赵顺利，唐旭东.超大型海洋钢结构焊接质量检验与控制[J].电焊机，2014，01：91-94.

[2]张志宽，孙钟，孙小磊，徐现东，李江，孙云虎，王九方.超大型海洋钢结构焊接质量检验技术创新应用[J].焊接技术，2014，01：48-51.

[3]吴敏敏，贾必玉.海洋石油平台钢结构焊接质量控制[J].化工管理，2015，27：138.

[4]郭云飞.海洋平台用高强钢复杂节点焊接残余应力预测[D].江苏科技大学，2012.

[5]孟静.油气管道钢结构焊接质量控制及工艺分析[J].中国石油和化工标准与质量，2013，21：50+52.