1190E 钻机钻塔维修工艺

张永强，马 波，庞志远，王占军，樊文华

（国能集团准能公司设备维修中心，内蒙古鄂尔多斯 010300）

1 原因分析

（1）随着设备服役年限和产能逐步增加，设备老化加巨。部分结构已经达到疲劳极限，材料的力学性能下降，晶粒组织粗化。操作方法和操作工艺不当而出现各种问题，比如钻机钻杆头部仍在孔洞中，钻机车辆就开始移动，导致钻架受到巨大的拉力，从而导致弯曲断裂导致钻机钻塔严重变形和损坏。

（2）在北方的寒冷地区低温环境下，钢结构容易发生冷脆危害。冬季1190E 钻机钻塔更容易发生断裂。

（3）结构设计不合理。钻塔顶部承受的拉力非常大，虽然在设计的时候顶部位置增加了许多拉强筋来固定加强顶部的结构，但是长期载荷下顶部结构受力依旧比其他部位要大很多，钻架损坏情况如图1 所示。

图1 钻塔损坏情况和切割点

2 工艺技术难点

（1）在对钻机钻塔塔尖矫正过程中，塔尖设备庞大沉重难以使用设备对其整体进行矫正，难以判断矫正程度是否符合原本状态。

（2）钻机为纯进口设备，部件材料化学成分性能不明确，短时间内无法选择合适的焊接材料、焊接参数、焊接方式等进行焊接。塔尖部位部分加强筋的拆除和重新焊接。

（3）塔尖部位钻头小车轨道在维修矫正后与原轨道保持水平，钻头小车可以在轨道上平稳正常运行。

3 详细方案论述

（1）水平仪测量钻塔支架有哪部分弯曲变形，弯曲变形的程度。

（2）对塔尖支架折断的部位进行少部分切除。

根据钻塔的工作原理：检查钻塔的损坏情况，测量变形梁的跨度，确定变形梁切割的具体位置。矫正变形梁，组对焊接，确保钻塔小车顺利安装，移动自如。

（3）变形梁的测量。先测量未变形处的跨度尺寸，1730mm。在测量变形量最大处的跨度尺寸，1830mm。根据测量情况确定变形梁的切割位置。

（4）支稳支平钻塔开始切割以地面为基准，利用桥吊和千斤顶将钻塔顶端支平稳，确保变形梁在切割时，二次变形很小在可接受的范围之内。经测量切割前后的差值为10～15mm，对于15m长的钻塔这个值可以接受。

（5）矫正变形梁根据梁的变形情况，制作矫正平台，对梁进行矫正，矫正时先矫正大湾部分，然后逐步矫正直到符合组对标准。严格按流程使用千斤顶，保证矫正过程安全。

（6）矫正梁的组对焊接。

①梁的厚度为8mm，打磨梁两端20mm 露出金属光泽并磨出V 型坡口。方梁的四面加焊垫板，以便组对质量，焊缝保证焊透。利用桥吊组对，保证两梁的平行度和跨度距离（跨度距离的偏差控制在0～10mm），确保钻塔小车在梁上安全有序的移动。

图2 梁的组对焊接完成情况

②主梁、加强筋的焊接。焊修前要根据母材使用性能，考虑预热温度、层间温度、焊接方式、焊接材料的选择，以及如何均匀分布焊接应力、焊接缺陷如何控制，焊修质量如何保证，焊接检验如何进行等问题。主梁的厚度只有8mm，但该结构材料强度和刚性很好，综合性能极高，对焊接工艺的要求非常严谨。此次的钻塔焊修也是首次，没有直接经验可供参考。就以钻机背拉杆焊修工艺，作为本次钻塔维修的参考。本次具体工艺如下：

a.焊接方式：CO2气体保护焊。接头为全位置平、立、仰，两层断续焊接，焊接速率每分钟30～40 下。

b. 焊丝：HOBARTTM-771φ1.6 药芯焊丝。保护气体为纯度99.5%CO2，焊接参数见表1。

表1 焊接参数

c.CO2焊的特点[1]：大都采用细丝，能量密度大，电弧静特性呈上升特性，随电流增加，电压也增加。CO2气体为多原子气体，在电弧高温作用下，CO2气体快速分解，分解时产生吸热反应，对电弧具有冷却作用，并使弧柱收缩，热量更加容易集中[1]。焊前选择合理的预热，焊后进行合理的热处理是焊修结构件的重要工艺流程。根据结构件的使用环境、化学成分和刚性以及厚度等，选择加热方法和加热温度。预热的局域在坡口两侧40～60mm[2]。预热的目标主要是提高焊缝开始焊的温度，减慢冷却速度，使焊缝中的氢充分焊层间逸出，从而降低焊缝的淬硬倾向和氢致裂纹。同时可以降低焊接应力，焊接拘束度，对焊缝的组织没有明显的影响[2]。为了防止高温下组织迅速冷却而脆化，此次预热温度控制在120～140℃之间。焊接设备为Miller Dimension.TM.812 CO2焊丝型号为美国赫伯特TM—771 该焊丝为药芯焊丝，用于碳钢半自动焊，立仰焊性好，深坡口内脱渣好，用于船舶修造及钢结构焊接。

焊接要点：在焊接中，多层多道焊接可以更好地减少焊接应力，提高焊缝韧性，获得良好的焊接接头。由于空间的限制，在整个焊接过程中使用两台焊机，分别在梁的两端，两人同时焊接。形成焊道后，由于材料较薄只用渣锤敲打焊缝。一方面能使焊缝释放焊接应力，另一方面清理焊道间的熔渣以及熔滴飞溅等。焊缝层间温度控制在120～150℃。每层焊道要严格检查，查焊缝表面是否存在裂纹、夹渣、气孔、未熔合、未焊透等焊接缺陷。如有缺陷，应用角磨机及时消除缺陷部分，再重新焊接。焊接完成后应及时进行保温，用保温棉布覆盖焊缝，让其缓慢冷却。冷却至室温后，采用无损检测探伤，检测是否有超出标准的缺陷，保证焊缝质量。用角磨机把焊缝表面余高打磨平滑，使焊接应力分布均匀，降低冷裂倾向。焊后进行消应力退火[3]。退火温度范围为550～580℃，不得低于焊前的回火温度，保温时间为1/25 板厚，保温时间0.3～0.5h 后缓慢冷却至室温，降低焊接残余应力，细化晶粒，保证焊缝优良性能[3]。

d.补强筋设计与焊接：先在钻塔中间部分加盖长6m，直角边为70mm 的角钢，进行分段焊接，L=100mm，E=200mm。在变形断裂严重部分加焊补强板，厚度为8mm，形状为长方形、三角形，焊接要求内外两侧满焊。具体尺寸和位置见图。

e.滑块轨道的矫正与更换：根据轨道的损坏情况，有的轨道需要矫正，有的需要更换。矫正的利用桥吊和千斤顶进行，位置合适时焊接固定。更换部分依照轨道的尺寸进行材料的选择，当时没有完全一样的材料，原尺寸为宽75mm 立边厚度为4mm 的进口槽钢，由于生产任务紧订购周期太长，选择宽度为80mm 立边厚度为5mm 的进口槽钢。将更换部分切割掉，测量尺寸下料组对，桥吊配合。组对时要保证槽钢内侧立面在一个水平面上，因为滑块是骑着立面进行移动。

图3 钻塔整体完成情况

4 结语

维修后的山特维克1190E 钻机钻塔使用已有半年有余，运行情况良好，焊接处没有出现裂纹，确保完成爆破钻孔任务。