基于CTOD工艺的焊接质量控制技术

仝明磊，张剑利，杨　建，熊　奇，杭建伟

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520）

基于CTOD工艺的焊接质量控制技术

仝明磊，张剑利，杨建，熊奇，杭建伟

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520）

荔湾3-1导管架是中国首个自主建造的深水导管架项目，项目建造过程中采用大量的厚板设计。为降低建造成本，提高建造效率，广泛应用免除焊后热处理的CTOD工艺，该工艺对焊接热输入、预热与层间温度以及层道布置非常敏感，给现场的焊接质量控制工作带来了较大的困难。基于海洋石油工程（青岛）有限公司的项目实践，总结了CTOD工艺的焊接质量控制技术，对其他的类似项目具有一定的借鉴作用。

CTOD工艺；焊接；质量控制

0　前言

大型海洋工程结构物工作环境恶劣，结构形式复杂，应力集中程度高，加之焊接残余应力、焊接缺陷和接头组织性能不均匀等影响，在外载荷的作用下很容易产生破坏[1]。荔湾3-1导管架项目设计水深为200 m，结构质量约为3 2000 t，是目前国内最大的导管架，也是中海油首个深水导管架项目，对中国海洋石油工程的发展都具有里程碑意义。

荔湾3-1导管架采用了大量的厚板设计，最大板厚达100 mm，其中壁厚大于50 mm的焊缝超过2000道，总长近8 500 m。按照常规的焊后热处理工艺，热处理工作量非常大，耗费大量的人力、物力，严重制约工程项目进度，高空TKY节点的热处理工作还存在很大的安全隐患[2]。项目焊接检验规格书中规定，对于壁厚超过50 mm的钢板，如果在焊态条件下断裂力学测试和分析等“合于使用”试验合格，就可以免去焊后热处理。项目成功开发了免除焊后热处理的CTOD(裂纹尖端张开位移)焊接工艺，通过精细化质量控制管理，在保证焊接合格率的基础上，显著降低了建造成本，缩短了项目工期。

1　组织机构及人员资质

CTOD焊接工艺实施之前，首先建立以焊接技术部门、生产部门、生产保障部门和质量控制部门为主体的CTOD焊接质量控制组织机构，明确项目管理工程师、焊接工程师、质量控制人员、车间班组长、焊工及加热设备技术保障人员的岗位责任制度。

由于CTOD工艺对象都是大壁厚全熔透对接焊缝，焊工/焊接操作工在焊接之前必须按照项目建造规范AWSD1.1取得相应级别的资质证书，其中TKY节点要求必须取得6GR焊工证书，并由生产部门挑选出一批技能高、责任心强的优秀焊工专职从事CTOD工艺的焊接。

为了更好地实施CTOD工艺的焊接质量控制，参加荔湾3-1项目的质量控制人员要求必须具备5年及以上的检验经验。焊前，焊接工程师和质量控制人员组织车间班组长、焊工等人员对CTOD工艺的主要风险、焊接程序、工序控制要点等进行技术交底和集中培训。

2　CTOD工艺焊接质量控制要点

2.1焊前质量控制要点

2.2.1选择合适的WPS

选择正确WPS是现场施工中保证焊接质量的关键。焊前车间班组长和质量控制人员须确认选用CTOD工艺专用的WPS并确保严格执行。

2.2.2组对质量控制

质量控制人员组对前要确认材质、壁厚、坡口角度、间隙、钝边等符合WPS和图纸的要求。由于CTOD工艺对象都是大厚板，坡口角度取负偏差，即55°左右。焊缝两边25 mm内油污、氧化皮等杂质要清理干净。

2.2.3焊接环境检查

雨、雾、大风等恶劣天气必须采取有效的防护屏蔽措施；在有效的温度维持措施被业主批准之前，紧靠焊件温度低于-20℃时严禁进行焊接。

2.3.4焊接材料检查

质量控制人员严格按照焊接材料保管和控制程序对焊材进行检查，包括炉批号、扩散氢含量、焊材烘干、发放、露天使用保护等，所有无法识别、生锈、损坏的焊材都必须禁止使用。

2.3.5设备工机具检查

质量控制人员焊前必须对设备工机具的使用状态进行检查，确保焊接设备、加热设备、测量工具等按规定进行检定并处于有效的检定周期之内。

2.2焊接过程质量控制要点

2.2.1预热和层间温度控制

CTOD性能对预热和层间温度非常敏感，因此预热和测温人员要进行专业培训，并确保每台投入到CTOD的电加热设备有一人进行监控。质量控制人员严格按照业主批准的《预热和层间温度控制程序》并结合WPS要求进行控制。预热温度不能低于WPS要求，也不应高于最低预热温度50℃；道间温度不低于预热温度，且不能超出最大道间温度。预热范围必须大于所有焊接方向的厚度并不得小于75 mm，为保证整个厚度方向都达到要求的温度，要求在加热部位的反面进行测量。

2.2.2定位焊及辅助工作质量控制

定位焊、碳弧气刨、热切割等都需要按照WPS要求进行预热和清理。定位焊执行已批准的WPS，由具有资质的焊工焊接，定位焊长度至少50 mm，可视情况加长，其横截面应足够大，以确保不会开裂。定位如产生裂纹应彻查其原因并彻底清除定位焊缝，才能进行正式焊接。禁止在非焊接部位进行引弧，电弧击伤产生的缺陷必须通过认真打磨去除，并进行磁粉检验和采用10％过硫化酸氨进行腐蚀以确保烧伤区域完全去除。引弧、熄弧板焊接结束后采用气割方式切除并打磨平整，严禁锤击方式去除。

2.2.3焊接过程质量控制

由于CTOD工艺性能对焊接热输入以及层道布置都非常敏感，焊接过程的控制对于保证焊接质量至关重要。CTOD焊接工艺一律采用多层多道、窄焊道薄焊层的焊接方法。除打底层和盖面层外，焊条电弧焊、药芯气体保护焊、单丝埋弧焊每层增加的厚度不超过4 mm，双丝埋弧焊不超过4.5 mm；焊条电弧焊摆宽不超过2.5倍焊条直径，药芯气体保护焊摆宽不超过17 mm；非管材焊层超过16 mm/管材焊层超过25 mm，全部多道焊缝必须错层焊接。每一条焊道的深度和最大宽度，均严禁超过此焊道表面的宽度。

焊接过程必须严格控制焊接线能量，采用多层多道法施焊。任一焊道的焊接线能量均不得超出WPS规定的热输入范围。只有完成打底焊缝并连续填充6层焊道以后才允许焊接中断，焊接中断后应使用保温材料包裹焊接接头以缓慢冷却，重新焊接前应进行外观和磁粉检验，如无缺陷方可重新预热焊接。

焊接操作人员做好施焊记录，在集中施焊区域，质量控制人员实行专人不间断监控，对焊接过程、工艺参数、施焊记录等进行检查并签字确认。

2.2.4焊接变形控制

由于厚壁构件施焊时焊缝拘束度高，焊接残余应力和变形都比较大。荔湾3-1项目通过“边施工、边检查”的方式，加强了对多层多道焊接的过程监控，严格控制摆宽。同时采用“分散、对称、均匀、减小拘束度”焊接顺序控制方针，有效地减小了焊接应力和变形。

2.3焊后质量控制要点

2.3.1外观检查

焊缝必须完全填满且余高不得超过3 mm，不允许有咬边、焊瘤等缺陷，对于疲劳节点，应严格按照标准要求进行外观处理。

2.3.2后热处理

对于重要焊接节点，焊接结束后立即将焊缝及其两侧各100～150mm范围内的局部母材进行200℃～250℃、1 h/25 mm后热处理，防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。

2.3.3焊接返修控制

焊接返修应按照批准后《焊接返修程序》并结合WPS进行。主结构焊缝的最多只能返修一次。返修时禁止采用火焰气刨，采用碳弧气刨时应通过认真打磨完全去除渗碳层。清除缺陷后采用磁粉或渗透探伤以确保缺陷完全去除，返修焊接时必须采用一切措施减少焊接应力。

3　CTOD工艺焊接质量控制常见问题及改进建议

CTOD工艺焊接质量控制常出现以下问题：

（1）焊前坡口装配达不到工艺要求、焊接材料没有按规定烘干和保温使用，待焊工件需预热而实际没有进行或者预热温度不足或不按照WPS指定的加热设备加热等。

（2）焊接过程中不按照评定的工艺要求清理干净每一道焊缝，不按照评定的工艺控制层间温度，不按照评定的工艺要求而增大焊接线能量，摆宽过大等。

（3）无故进行焊接中断，未焊至指定道数就进行中断，焊接中断后未按程序要求进行必要的缓冷、检验及预热等。

（4）不重视定位焊，未能按照定位焊的要求采取预热等技术措施。

这些问题都可能在焊缝中形成焊接缺陷或引起焊缝性能变差，从而影响焊接质量。针对这些问题，焊接时须加强项目的统一管理和各专业的相互协同，通过严格的过程监控和记录，确保焊接参数严格按工艺执行。质量管理人员应对各主体的监控工作进行检查，对焊接过程是否严格按焊接工艺焊接进行抽查，发现问题及时以质量信息反馈单形式记录，并将检查结果提交项目组，确保不因为赶工而降低焊接质量。

4　结论

荔湾3-1导管架项目大于50 mm壁厚焊缝的数量、长度和结构复杂性都是以往项目所不能相比的。在大厚板焊接中，CT0D焊接工艺无需进行焊后热处理操作，可以明显提高焊接效率、降低建造成本。但该工艺焊接层道布置更加精细、焊接热输入较低且控制严格、预热与层间温度要求更严格。海油工程（青岛）有限公司通过科学建立监控组织机构、设置专职监控人员、加强多专业协同、精细化过程控制等手段，严格落实了CTOD工艺的WPS控制要点。荔湾3-1项目焊接合格率达到99.5％（按长度统计），成为国内外大型复杂海洋钢结构CTOD工艺应用的质量典范，也为其他类似项目焊接质量控制起到了借鉴和指导作用。

[1]曹军，李小巍，温志岗CTOD断裂度试验在海洋平台建造中的应用[J].中国海上油气，2004，16（2）：129-136.

[2]汪彬，王玉春，王林昌，等.两种埋弧焊工艺在海洋工程结构焊接中的应用对比[A].2012年中国钢结构行业大会论文集[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，硕士，国际焊接工程师（IWE），美国焊接协会注册焊接检验师（CWI），主要从事海洋石油工程焊接检验、质量控制、焊接人员资质认证等工作。