高强钢在大型半潜式平台组块建造中的应用

2022-06-28娟杨明旺郑茂尧刘凌云赵立君

海洋工程装备与技术 2022年1期

王娟杨明旺郑茂尧刘凌云赵立君

(海洋石油工程(青岛)有限公司,青岛 266555)

0 引言

钢铁是海洋工程的关键结构材料,广泛应用于生产平台、钻井平台、海底管道等。以往在海洋领域中只有关键性部位采用420 MPa高强钢,比如海洋平台用齿条钢和载人深潜器,我国钢厂近几年材料性能有了很大的突破,宝钢和武钢钢厂采用调质工艺完成了屈服强度690 MPa高强度海洋平台用齿条钢,自升式海洋平台桩腿178 mm 厚板为自升式平台升降机构所有的齿条钢、半圆板国产化铺平了道路[1]。

对于固定式平台组块结构,屈服强度为355 MPa的DH36钢板为主结构选型材料。随着海洋平台事业挺进深海,半潜式平台国产化进程加快,浮式平台的作业工况复杂性造成了设计中不仅要考虑设备纵向力,同时需要考虑环境载荷的影响,在半潜式平台组块中,70%结构设计采用了屈服强度为420 MPa级别的高强钢。

同时,平台的重量控制将对半潜式平台的性能产生很大影响,对组块的减重也有了更加严格的要求。相比固定式平台,“深海一号”能源站组块采用高强钢,初步评估节省了约500t重量,起到了良好的减重效果。

高强钢的使用在海工领域还是不够成熟的,通过“深海一号”能源站组块,本文将从项目运行阶段的材料采办和施工建造2个维度进行阐述,为后续项目提供参考。

1 高强钢类型

1.1 适用范围

以“深海一号”能源站组块为例,主结构的钢板均采用全为420 MPa级别的钢材。根据材料性能,最终选用API 2Y Gr.60 海洋结构用淬火加回火钢板,在组块结构材料中的比重大概为70%。主要应用于所有组块主结构钢材[2],包括:

(1)关键加厚管段、关键环板、关键翼缘板。

(2)环板、翼缘板、节点管段、组块吊点,其余特别标明的位置。

(3)组合梁翼缘板和腹板(包括腹板插入板),主结构桁架立柱,板状和管状组合梁筋板,W 型钢筋板。

1.2 材料性能

半潜式平台组块所用的关键部位的钢板必须抗冲击、塑性疲劳和层间撕裂。与355 MPa级别钢材相比,除化学成分不同外,主要区别是机械性能的提高。化学成分要求如表1所示,机械性能要求如表2所示。

表1 化学成分要求(熔炼分析,%)Tab.1 Chemical composition(melting analysis,%)

表2 机械性能要求Tab.2 Mechanical properties

2 采办和检验要求

应该在订单中补充如表3所示的要求。

表3 高强钢适用范围Tab.3 Application scope of high strength steel

S1 超声波探伤:按照直射波检验标准规范对钢板脉冲反射超声波检验,验收等级为A 级。任何区域中由于一个或多个不连续性导致底面反射波连续总体衰减,并伴随在同一平面上连续显示,如果该区域不能被一个直径为3 in(75 mm)的圆所包围,就不能验收。

S3 附加拉伸试验:淬火回火钢板,每一批次取2个拉伸试样,试样应从钢板两端的角部切取。

S4 厚度方向试验:对于厚度等于和大于3/4 in(19 mm)的钢板,上述拉伸试样的轴线与其钢板表面垂直。每张母材取2个试样,试样纵轴垂直于钢板表面。在板宽中间位置处取一个试样。按照ASTM A370 的规定进行拉伸试验。每一拉伸试样的断面收缩率不应小于30%。如果取自同一张钢板的2个试样之一的断面收缩率低于30%而不小于25%,则应在临近失败试样处,再切取2个试样进行复验,2个复验试样的断面收缩均应等于或大于30%。

S5 改善了厚度方向性能的低硫钢,最大含硫量改为0.006%。

S8 应变时效对比V 形缺口冲击试验:能够代表每一炉所产最薄和最厚的钢板,在切割试件前使其在轴向力的作用下产生均匀形变,然后对试件做对比V 形缺口冲击试验。

S11 试生产鉴定:在出厂之前,按照规范,结合具体炼钢和轧制工作,用专门的焊接和力学试验方法进行预鉴定。

3 施工差异性

3.1 高强钢焊接

“深海一号”能源站项目高强钢焊接是在海洋工程领域的首次大规模应用,缺乏相应的应用经验及焊接工艺,需要结合项目特点和半潜平台特点开发最新工艺。

根据材料强度、韧性等要求,以及项目结构形式特点,展开研发适合于海工场地和半潜平台项目的焊接工艺方案;在焊接工艺评定试验的过程中,严控工艺的焊接参数,最终成功开发全套焊接工艺(GMAW+SAW、SMAW+FCAW-G、SMAW),能够覆盖整个项目全部结构形式。

针对壁厚为50～90 mm 的大厚板,开发CTOD工艺,满足-10℃下,全部CTOD 试验结果大于0.25 mm,免除PWHT。

3.2 高强钢卷制

对于半潜平台建造的重中之重是合拢的精度,合拢精度的重要因素之一就是立柱的建造公差。“深海一号”能源站项目的立柱直径达到2 600 mm,厚度达到90 mm,提出如下极其严苛的要求:

(1)内径的公差要求为±2 mm。

(2)对于与船体接触的生产甲板立柱(4 处),卷管内周长与理论值之间不能大于±6 mm。

(3)对于与船体接触的生产甲板立柱(4 处),沿圆周方向上任意一点的内径与理论值之间不能大于±2 mm。

“深海一号”能源站高强钢的屈服强度为420 MPa,国内常规项目的卷制母材强度为355 MPa,高出20%。大管径大壁厚大强度“三大行业调整”,建造过程中对立柱卷制提出挑战,经过卷管机的实验和现场沟通交流,多次讨论分析后,得到高强钢卷制的经验,保证了重中之重的8个立柱点的立柱卷制工作。为了保证高强钢管的卷制要求,需要制订严格的钢管卷制流程(见图1和图2)。

图1 立柱卷制流程图Fig.1 Flowchart of column rolling

图2 现场流程Fig.2 Fabrication of column rolling

3.3 高强钢质量检查

所有材料在切割之前,需根据检验程序验收,确认板材的型号、等级和炉批号,有特殊性能要求的板材要特别注明,如“Z”向性能板。

按照管的尺寸确定切割线和板的卷制方向,用火焰切割机具切割坡口,坡口在卷制前切割,切割前后都检查尺寸,卷制前按照规定的半径对板材端头压边。

从板材的边缘开始按照规定的半径对称均匀卷制,如果板材因过厚或者屈服强度过高压边困难,可直接卷制,逐渐增大上滚轮的压力,逐步达到要求的半径。在卷制的过程中,利用卷管机的限位避免板材出现纵向的偏离,根据直径制作60°内弧检测样板,按要求检测卷制钢管。在吊上和吊离卷板机的过程中,要避免板材和管材被吊索或卡具损伤。卷管过程中随时清理板材的整个表面,清除所有的焊接残渣、铁锈和其他可能损坏压辊表面的突出物。纵缝的根部间隙和错皮应使用合适的夹装工具进行调整并用定位焊固定,定位焊焊缝总长要足以保证强度要求,每段定位焊长度应不小于50 mm,同时应满足焊接程序的要求。根据API SPEC.2B和相关检验程序(组对检验程序),利用内弧检测样板和直尺进行装配检验。在卷制管的纵缝两端要使用引弧和熄弧板,弧板长100 mm,坡口、板厚和曲度与钢管一致,引弧板的材料应与卷制管相同。开始纵缝封底焊,纵缝内侧焊接,纵缝外侧清根,如果WPS中有要求,焊前必须清根,包括定位焊和封底焊,彻底清除掉渗碳层和其他缺陷。纵缝外侧焊接,弧板移除,在母材表面留有3 mm 弧板,其余用火焰切去,然后在母材上打磨至光滑。如果焊接管在自检之后需要矫正,则需要对卷管进行整圆以达到规定的半径。如果卷管自检合格,则需报质检部门进一步检查。在整圆前,过高的焊肉(如果有)要打磨掉,以使焊接光滑过渡到母材,满足外观要求。在调圆过程中,上滚轮不要过度加压以免焊缝和母材受到机械损伤。后进行外观、尺寸和误差检验。

对于在母材上检查出的每一处缺陷都应进一步地探测以确定其范围。对于完工的钢管,可不处理深度不超过规定公称壁厚5%的缺陷和深度不超过公称壁厚5%和1.6 mm 的机械伤痕。超过上述限度的缺陷应磨削至完好的金属本体,凹坑部位应呈流线型。磨削部位减小的厚度不应超过公称壁厚的7%,但任何情况下不应超过3.2 mm。轧制钢板的缺陷如果超过上述限度而未超过公称壁厚的20%,可以进行焊补。对深度超过公称壁厚20%的缺陷或长度及/或宽度超过公称直径的20%的缺陷,则不允许进行补焊。焊接缺陷修复,规范不允许的焊接缺陷必须进行处理。

在管的拼接过程中,对钢管对接坡口的要求,坡口形式及尺寸要严格按照项目典型图处理。除非有其他图纸说明,不同壁厚的管(壁厚差＞5 mm)对接时,应把对接处做成坡度不超过1∶4 的过渡段。组对和定位焊组对根部间隙:0～3.0 mm。组对后进行直线度检验,进行封底焊接,内部环缝焊接,采用埋弧自动焊或手工电弧焊进行填充和盖面。清根同纵缝焊接,外部环缝焊接,焊缝外观检查。NDT 无损检验,外观及尺寸检验,母材和焊接缺陷修复。各管段卷制完毕后,在运送至下一工序之前,在管段明显位置标注项目名称、杆件号等信息。