自升式钻井平台桩腿齿条磨损及裂纹的修补工艺探讨

石油工程建设2010年8月自升式钻井平台桩腿齿条磨损及裂纹的修补工艺探讨!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!"赵广景（中国船级社青岛分社海工处，山东青岛266400）摘要：胜利5号自升式钻井平台在特检和坞检时，经无损检测发现桩腿齿条和升降齿轮磨损极其严重，有208个齿磨损深度超过7mm ，占总齿数的25%，还有部分裂纹，已达报废程度，后经验船师与焊接工程师反复探讨、试验，制订了一套较为科学的焊接修复工艺，在施焊过程中，专人施焊，专人监督、检测，最终修复成功，恢复了桩腿的使用功能。

本工艺对今后钻井平台桩腿的维修，对高强度钢焊接具有一定的参考价值。

关键词：海上钻井平台；桩腿齿条；无损检测；缺陷；磨损；裂纹；焊接修复中图分类号：TE951文献标识码：A文章编号：1001－2206（2010）04－0012－031概述胜利5号钻井平台是胜利油田胜利海洋钻井公司所属的多个钻井平台之一，由美国贝克海洋公司设计，于1980年7月在大连造船厂建造，1990年9月该平台由ABS 船级转为CCS 船级，并于2000年5月进行了改造，至今已服役29年。

本次胜利5号钻井平台在烟台来福士船厂进行特别检验和坞修检验，由中国船级社（CCS ）青岛分社海工处验船师负责驻厂检验，参与本项目测厚和无损检测的第三方检测公司为青岛太平洋海洋工程有限公司。

胜利5号钻井平台为自升式圆柱型钻井平台，平台设计外型尺寸为：39.62m ×30.48m ×4.11m ，设计作业水深为15.24～25.91m ，最大钻井深度6400m ，平台定员88人。

在近几年的年度检验中，验船师已多次发现该平台桩腿齿条和升降齿轮磨损严重，且部分齿条和33齿大齿轮存在严重挤压变形现象。

该平台桩腿直径2.13m ，总长48.16m ，每侧齿条101齿，共计808齿，齿条材质A514。

本次检验根据磨损初步检查情况，重点选择检查测量了4个桩腿的第19~75齿的448个齿的磨损情况，检查结果有208齿磨损深度超过7mm ，其余各齿磨损程度不一，但均不超过7mm 。

而且在72处裂纹，均为纵向，连续最长达到700mm ，最短为20mm ，深度在10～20mm 不等，主要集中在10～37m 的升降和作业范围之内。

验船师多次建议进行齿条、齿轮更新，并要严格限制平台的可变载荷。

但由于移动平台无报废年限限制及其他人为因素的影响，一直未能强制要求报废或齿条更新。

同样本次特检平台原计划更新齿条，但受到上述因素的影响，没有新的齿条可更换，只能对齿条进行焊接修复。

由于没有具体的规范和标准可参照，因此，按照CCS 规范（《材料与焊接规范》2006，《海上移动平台入级与建造规范》2005）的要求和船厂认可的焊接工艺（WPS-NO.HRM2-6,WPS-NO.HRM2-9），依据上次特检的标准划定修复范围，即对磨损深度超过7mm 的齿进行修复；采用焊接工艺评定要求的E11018-G焊条填充和不锈钢307焊条盖面，同时依据焊接工艺评定和高强度钢要求进行无损检测、焊前的预热及焊后热处理的过程控制。

由于齿轮磨损后未更换，考虑到啮合效果，焊接时并未要求焊满至原有尺寸，成型误差控制在0~4mm 即为合格。

2桩腿齿条磨损面及裂纹修补工艺方案2.1齿条塑性变形及磨损焊接修复工艺方案2.1.1齿面缺陷12第36卷第4期两种缺陷，其一是压应力形成的塑性变形，即在齿的上表面产生严重的外翻变形，其深度达4~ 14mm，实际影响到的深度要再加上2~5mm，这部分缺陷内部及临界部分的本金属已达到屈服点，必须挖后补焊新的充填金属；其二是在齿尖及相连的表面上存在严重的磨损缺陷，其尺寸都包括在前者缺陷核定的尺寸之中。

至于表面裂纹尚未发现，内在裂纹因未经无损探伤，只有在挖除塑性变形金属后，才能被发现，再做处理。

依据船东和船检要求，本次只对磨损深度超过7mm及以上的齿进行修复。

2.1.2修复工艺流程修复工艺流程为：表面清理（气刨、打磨、清洗等）→无损检测（MT）→二次清理打磨→预热→焊接→缓冷→打磨整形→无损检测→验收。

具体步骤如下：（1）表面清理。

采用电弧气刨挖除塑性变形部分及临界部分的金属并打磨到能够进行MT的程度，采用清洗剂对表面的油污进行清洗，再用风吹干，表面干燥后采用砂轮对表面进行打磨，打磨至表面呈光顺平面，无凸凹变化、麻点，达到Sa3级。

（2）无损检测。

表面进行MT，如合格进行下一步工序。

（3）二次清理、打磨。

（4）预热。

本工艺将按照CCS《材料与焊接规范》5.2.3.3和WPS规范要求进行，构件焊前预热温度为（150±20）℃。

（5）焊接。

焊接设备采用AG600I直流电焊机，焊接材料采用E11018-G-H4（TENACITO80）准3.2mm、准4.0mm焊条；齿条工件在表面处理之后，第一层焊缝采用E11018-G（TENACITO80）准3.2mm焊条焊接，焊接电流90~130A，第二层焊缝采用E11018-G（TENACITO80）准4.0mm焊条焊接，焊接电流120～130A；要求每焊完1根焊条时，采用3.63kg（8磅）榔头敲击振动，以分散内应力，每一层所有焊道全部焊完后，要求采用大口径喷枪进行烘烤同时敲振，再次分散内应力；对于层间打磨，本工艺将取比CCS《材料与焊接规范》5.1.5.3更加严格的要求，即在每一焊道和每一焊层所有焊道全部焊完后，要求采用粗砂轮打磨1肉；打磨后要求采用钢丝刷将表面刷净，并用高压空气吹除灰尘和粉尘并保持表面的干燥等。

此后在经过缓冷至表面温度低于500℃后，再焊下一层。

依次顺推，直到一个整齿全部完工。

表面盖面焊缝的焊接使用A307#不锈钢焊条，以增加齿条表面的弹性，使齿条在咬合时避免因刚性太大而产生脆裂现象，延长齿条的使用寿命等。

（6）缓冷。

在焊后进行退火处理，其退火温度应达到临界温度之上，焊后温度达200~300℃后，采用表面温度计测温，根据已批准的WPS编号QRM2-6要求，采用石棉布覆盖缓冷；同时在单齿焊接报告中记录时间，以备72h后进行MT检测。

（7）整形打磨。

将焊接成形的表面打磨至船东要求的程度（要求表面比样板表面低3~4mm），两侧打磨平齐。

（8）无损检测（MT）和验收。

整形后对表面进行无损检测修复，如合格即通知有关部门进行验收，如不合格，则重新打磨至缺陷清除后，再按工艺要求进行修补。

2.1.3修复作业安排为确保质量，其修复作业做了如下安排：4根桩腿同时开工焊接，每个桩腿同时安排2名焊工和2名打磨工，在前面齿条派1组，在后面齿条派1组；注意必须同时开工焊接上下两齿，当1齿焊完左右2个焊道后再按同样的方法焊另1个齿，这样做既可防止单齿出现过热而影响结晶质量，又可使焊接与打磨做到互不干扰、加快进度。

为了做到焊接质量的可追溯性，在现场记录方面专门设计了单齿焊接报告，全面详细记录了所有的信息。

2.2齿条裂纹焊接修补工艺方案2.2.1修补流程（1）标注位置。

在需要修复的裂纹区域做出明显标记，并采用MT确定裂纹具体位置和尺寸。

（2）去除裂纹。

用砂轮磨削法清除裂纹，打磨应逆裂纹方向，最终打磨不能采用盘形磨具；打磨完毕用MT检测，再进一步打磨或用电弧气刨挖除裂纹，沿长度方向磨削掉全部裂纹后，进行全长度的磁粉探伤检查，直至无裂纹为止；深裂纹用碳刨去除，应从裂纹长度方向两端各延长50mm处向中间刨除，裂纹刨除后应修正补焊坡口；打磨和碳刨区域应进行MT检测，在确认裂纹完全去除后，赵广景：自升式钻井平台桩腿齿条磨损及裂纹的修补工艺探讨13石油工程建设2010年8月（3）焊前预热。

预热温度为（150±20）℃，尽量采用电加热片进行预热，电加热难以实现的地方可使用火炬进行预热；加热区的温度可以用测温笔、激光测温枪或热电偶来测量和控制。

2.2.2裂纹修复焊接参数（1）裂纹位置如在齿条上，修复焊接执行WPS NO.HRM2-6；齿条裂纹位置如在齿条和桩腿之间，则执行WPS NO.HRM2-9。

（2）修补完毕，立即加热修补区域至200～250℃，并用保温材料覆盖缓缓冷却至室温。

（3）72h后进行100%外观检验和100%MT 检验。

（4）打磨表面必须尽量平滑，无原始焊缝焊趾的痕迹，打磨的痕迹必须与焊趾线成正确的角度（如所有的打磨痕迹都与焊缝平行），且无较深的沿长度方向的擦伤。

选用合适的测量工具测量打磨的深度，检测时必须在亮光下进行，以确保原始的焊趾已被完全清除。

2.3检验要求2.3.1外观要求焊缝外观须满足相关要求，其具体检验程序如下：（1）自检。

焊工在每焊完1根焊条、1个接头、1个焊道、1个焊层后都要在清完熔渣后和打磨之后进行目视检验，发现缺陷及时修补。

（2）互检。

当自检存在不确定因素时，应令多名焊工进行互检以便找出问题，研究措施，进行整改。

（3）质检员检查。

主要检查焊工的焊接质量是否符合设计、规范、质量标准等要求；统计产品和服务的合格率，核准焊工日工作报告与实际情况的一致性，并下达返修整改的指令。

（4）第三方检验。

由CCS船级社和/或相关的其他船级社认可的专业机构进行完工后的无损探伤检验。

2.3.2齿条精度要求修补后齿条尺寸须按照标准尺寸确定（标准尺寸由质检、船东、船检现场测量确认），以保证精密度。

其有效操作工艺是采用1∶1的大样，即用厚3mm铝合金板做一个标准的齿块，用于实测每一个被修补的齿块误差，并进行最终修补。

其修补的程序如下：先用角砂轮顺裂纹打磨，严重的塑性口；在打磨之后，对于裂深超半个板厚深度的裂纹应在裂纹两端打止裂孔补妥。

2.4交付完工报告目前208个齿已全部修复并验收，在检验后重点对第19~75齿的448个齿的检查情况和修复情况进行了记录和存档，供今后工作参考。

3无损检测结果及裂纹缺陷修复3.1无损检测结果本次特检重点对如下设施构件进行了一定比例的无损检测（主要采用MT）：其一为4根主桩腿之间的环焊缝和纵焊缝，其中对30m标记线以下进行了100%MT，对30m标记线以上进行了20% MT；其二为桩腿与加强板及齿条与加强板之间的焊缝。

检测结果发现齿条与加强板连接处及桩腿与加强板连接处共计存在72处裂纹，除1号、3号桩腿第60齿（30m处）发现沿齿条方向有横向裂纹外，其余均为纵向，连续最长为700mm，最短为20mm，深度在10～20mm，主要集中在10~ 37m的升降和作业范围之内。

根据以上裂纹位置和产生裂纹的形式判断，裂纹的产生基本上是由于外力反复作用下疲劳损伤所致。

3.2裂纹修复方法对以上裂纹修复的方法主要为：首先在修补前，要求船厂编制和提交详细的修补焊接工艺说明书供批复，批复后进行施工；其次，裂纹清理后和修复后进行了NDT检测，确定缺陷完全消除；其三，对浅层或局部进行修补时，预热温度和层间温度应比通常施焊时所采用的温度高50℃，且至少为100℃；其四，为确保重要焊缝的修补质量，修补的焊缝长度至少为100mm；其五，为避免产生过高的内应力和二次裂纹，对较长的缺陷焊缝修补一般采用分段修补；其六，焊后经热处理的焊缝接头，修补后再次进行了热处理（如对桩腿处裂纹）。