海上自升式钻井平台桩腿裂纹检验与修复指南.docx
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1、中国船级社海上自升式钻井平台桩腿裂纹检验与修复指南GUIDELINES FOR INSPECTIONAND REPAIR OF CRACKS ONJACK-UPS LEG2007A炭交通出版彳士中国船级社海上自升式钻井平台桩腿裂纹检验与修复指南GUIDELINES FOR INSPECTIONAND REPAIR OF CRACKS ONJACK-UPS LEG2007Beijing第1章通则11.1 目的11.2 适用范围11.3 缩写与定义11.4 一般要求2第2章 桩腿裂纹的检验方法32.1 概述32.2 外观检查32.3 磁粉检验32.4 渗透探伤42.5 桩腿裂纹深度的测定5第3章提
2、高桩腿疲劳寿命的TIG熔修技术及其应用63.1 概述63.2 提高桩腿疲劳寿命的关键在于对焊接接头的焊趾进行焊后处理63.3 TIG熔修技术63.4 TIG熔修的使用要求7第4章 桩腿裂纹的平焊位超两次修复技术114.1 概述114.2 对桩腿裂纹多次修复的要求114.3 试验研究结果启示13第5章桩腿裂纹的立焊位修复技术145.1 概述145.2 桩腿裂纹立焊位焊补工艺145.3 桩腿裂纹立焊位焊补规范145.4 桩腿裂纹立焊位TIG熔修工艺145.5 桩腿裂纹立焊位TIG熔修规范15第6章TIG熔修技术在自升式钻井平台桩腿裂纹修复中的应用166.1 概述166.2 “勘探二号”平台桩腿裂纹
3、焊补修复后作与未作TIG熔修的效果对比166.3 “南海一号”平台桩腿裂纹焊补后作与未作TIG熔修的效果对比186.4 小结19附录1桩腿存在裂纹的平台的安全评估201.1 概述201.2 对桩腿带裂纹平台安全评估的要求201.3 参考实例20附录2 带裂纹损伤结构的有限元方法212.1 力学模型及基本假设212.2 损伤单元的刚度矩阵212.3 损伤杆件等效单元刚度矩阵232.4 损伤杆件等效的有限元参数25附录3裂纹损伤对平台安全影响的评估实例26附录4海上自升式钻井平台桩腿裂纹平焊位超两次TIG修复技术304.14.24.34.4概述30桩腿裂纹的超两次焊补工艺30桩腿裂纹的超两次TIG
4、修复技术38桩腿裂纹的超两次焊补工艺和超两次TIG熔修技术的修后效果比较40附录5海上自升式钻井平台桩腿裂纹立焊位修复技术555.15.25.35.4概述55桩腿裂纹的立焊焊补工艺56立焊焊补焊缝的TIG熔修57立焊焊补试件与立焊焊补熔修试件疲劳寿命的比较58第1章通则1.1 目的1.1.1 为给海上自升式钻井平台桩腿裂纹修复提供通用性指导的方法,特制定海上自 升式钻井平台桩腿裂纹检验与修复指南(以下简称为指南)。1.1.2 本指南可作为授权或申请中国船级社审批海上自升式钻井平台桩腿裂纹检验报 告、对桩腿存在裂纹的平台实施安全评估的指导性文件。1.1.3 本指南可作为授权或申请中国船级社审批海
5、上自升式钻井平台桩腿裂纹修复工 艺、规范等技术文件以及为制定这些技术文件须进行的相关试验、检验的指导性文件。1.2 适用范围1.2.1 本指南适用于海上自升式钻井平台。1.2.2 海上固定平台、钢质船等海上钢结构物亦可参照使用。1.3 缩写与定义1.3.1 缩写本指南所用缩写如下:TIG熔修:指鸨极(Tungsten)惰性气体(Inert Gas)保护电弧在焊趾处进行的重熔整 形技术,简称TIG熔修。1.3.2 定义本指南所用定义如下:(1)海上自升式钻井平台:指具有活动桩腿且其主体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以 上预定高度,为勘探或开采诸如液态或气态碳氢化合物、硫或盐等海床之下的资源而从事钻
6、 井、修井等作业的海上建筑物。(2)桩腿:是一种在自升式平台上借助电动机械、液压机械或电动与液压相结合的机械 与平台主体结构作预定相对运动的柱形或桁架式结构,桩腿可插入海床并将平台主体结构抬 出海面到一定高度。(3)桩靴(脚):系指与自升式平台单个桩靴底部相连的独立水密结构。(4)焊趾:指填角焊缝横截面中角边上的焊缝边缘。桩腿裂纹大都萌生在强力构件角接 头的焊趾处。(5) TIG熔修方法:指为达到提高疲劳寿命的目的,可供选用的不同的TIG熔修做法。(6) TIG熔修工艺:指针对选用的TIG熔修方法制定的操作内容及应遵循的操作要领、 要求。(7) TIG熔修规范:指TIG熔修电流、电弧电压、熔修
7、速度、TIG熔修的预热温度、鸨 丝直径、喷咀直径、所用惰性气体及其流速等参数。(8)桩腿裂纹焊接修补:指对桩腿上的裂纹用焊接方法进行的修理,简称焊接修补。(9)桩腿裂纹修复技术:指对桩腿上的裂纹先进行焊接修补,而后对修补焊缝的焊趾作 TIG熔修处理的修理技术。1.4 一般要求1.4.1 桩腿裂纹修理的各项工作中,裂纹检验是前提,桩腿存在裂纹的平台实施安全评 估是依据,裂纹修复技术是保证修理质量的技术关键。1.4.2 裂纹检验应参考本指南第二章桩腿裂纹的检验方法进行,检验报告应报送本社批 准。1.4.3 桩腿裂纹的一次或多次焊接修补应按本社批准的桩腿裂纹一次或多次焊补工艺、 焊补规范进行。1.4
8、.4 桩腿裂纹焊补后的TIG熔修处理应按本社批准的TIG熔修工艺以及TIG熔修规范 进行。1.4.5 桩腿裂纹的一次或多次焊补工艺,焊补规范连同TIG熔修工艺、TIG熔修规范等 工艺技术文件应依据相关试验或可供参照的实践经验编制。1.4.6 桩腿裂纹焊补焊工、TIG熔修操作人员应分别经过专门培训、考试并持有本社签 发的有效桩腿裂纹焊补焊工的有效资格证书和TIG熔修操作人员有效资格证书,严禁无证 人员上岗操作。1.4.7 桩腿裂纹焊补焊工、TIG熔修操作人员的培训计划(包括报名条件、培训大纲、 培训教材、考试试卷、试验用试样连同试验等)应报送本社批准,并在本社验船师和本社授 权单位相关人员现场监
9、督下进行。1.4.8 桩腿裂纹经一次或多次焊补修理或经一次修补或多次修补的平台,在下次检修(含 坞修或水下检测)时,应对修理部位和/或修补部位做仔细检查,并向本社提交完整检验报 告。第2章 桩腿裂纹的检验方法2.1 概述桩腿裂纹的检验包括检查桩腿有无裂纹和测量裂纹的长度及深度两个方面的内容,是对 存在裂纹的桩腿进行安全评估的依据,是控制、消除裂纹的前提条件,是保证钻井平台桩腿 安全的重要环节。桩腿裂纹的主要检验方法是磁粉法和渗透法,裂纹深度主要用超声探伤仪或裂纹测深仪 测定。2.2 外观检查首先对桩腿进行外观检查,其目的是检查桩腿有无明显变形、机械损伤及肉眼能够发现 的裂纹。桩腿检验前,应除去
10、桩腿需检验部位表面的油污及其它影响检验工作的污物。2.3 磁粉检验由于自升式钻井平台桩腿存在自身结构复杂及易产生表面或近表面裂纹等特点,采用磁 粉探伤便成为检验桩腿裂纹的首选方法。只要磁悬液的配比合适,磁化方法和磁化时间掌握 适当,该方法对裂纹的检出率较高。2.3.1 探伤前的工件表面准备进行磁粉探伤的工件表面应清除油漆、油污、铁锈、氧化皮、药皮、飞溅等物。表面粗 糙度不应大于12.5pm。2.3.2 磁化(1)磁粉探伤方法的选择采用湿粉连续法探伤。(2)电流类型的选择采用交流电。(3)磁化方法的选择采用局部磁化磁规法。(4)磁化方向在工件上进行磁粉探伤,防止漏检,应至少在两个互相垂直的方向进
11、行磁化(纵向和横 向)。(5)磁粉探伤设备提升力要求(磁施法)当电磁轨极间距为200mm时,交流磁班的提升力至少为44N (4.5kg),直流磁轨至少 应有 177N (19kg)o2.3.3 磁粉和磁悬浮液(1)对磁粉的要求磁粉的粒度应不少于200目;磁粉颜色按与被检工件有最大对比度的原则选择,当在工 件上喷涂白色“反差剂”和使用黑色磁粉时可增强对比度。(2)对磁悬液要求湿磁悬液分为水基法和油基法:水基法:挤磁膏100ml,在1000ml水中充分溶解后即可;油基法:用500ml煤油,500ml变压器油和17-24g磁粉配制而成。(3)磁悬液浓度测定采用犁型沉淀瓶测定,还要用灵敏度试片测定。在
12、任何产品上进行磁粉探伤都必须用试 片考查工件上磁感应强度及磁场方向及磁悬液浓度以便获得全方位的缺陷显示能力。2.3.4 磁痕解释磁粉探伤形成的各种磁痕是漏磁场造成的。磁痕可以是相关显示,也可以是非相关显示。 相关显示是由缺陷引起的。非相关显示是伪磁痕。相关显示按所要求的标准进行评定。如果 判定为非相关显示,可不必考虑。2.4 渗透探伤桩腿的某些部位,其形状对磁粉检验不适合,作为磁粉检验的补充也可采用渗透检验方 法。由于自升式钻井平台的桩腿裂纹中开口型居多,故采用渗透检验方法也有较高的裂纹检 出率。但应该注意的是,被检表面在检验实施之前必须采用恰当的处理方法进行处理。2.4.1 检验表面预清洗渗
13、透探伤前,必须进行表面清理,将灰尘、油脂、铁锈、氧化皮、水污等清除掉,建议 所用的清洗方法有蒸汽脱脂、蒸汽清洗、溶剂清洗、油漆清洗和酸洗等。杜绝用以下方法清 理:喷丸、喷砂、砂轮或其它机械方法。这些处理方法会使工件的表面开口缺陷封闭而使得 渗透检验失去意义。2.4.2 渗透探伤材料渗透材料包括渗透剂、乳化剂、清洗剂和显象剂。渗透剂有水洗型、后乳化型和溶剂去 除型三种,其中溶剂清洗所用的清洗剂大都是丙酮,多装在压力喷罐中使用。清洗剂应对渗透剂有一定溶解度,要有较高的挥发性,对材质无腐蚀、无毒或低毒。显象剂应具备颗粒细小、松软、色白(与工件反差大)等特性。2.4.3 渗透剂的施加、渗透温度及渗透时
14、间的控制用喷罐把渗透剂均匀地涂布在工件表面,当工件表面存在缺陷时,渗透剂对缺陷边壁逐 渐浸润而渗入缺陷内部,渗透剂必须具备以下几个特性:(1)颜料应具备悬浮性性能;(2)具有较小的表面张力,能充分润湿工件表面;(3)具有较强的渗透能力,能迅速渗入开口缺陷内部;(4)易于清洗。渗透剂加在工件表面后,应根据工件状态的不同、所用渗透液的不同,以及所处温度的 不同,控制长短适当的渗透时间,一般规定为1030min,渗透温度一般应在1540。2.4.4 渗透液的清洗(溶剂型)清洗的目的是把工件表面多余的渗透液用水或溶剂清洗干净。为了不把渗入缺陷内部的 渗透液清洗掉,千万不可正面进行喷洗。只能用带有清洗剂
15、的白布去擦除,但也不能擦除不 足,否则会增加工件的背景色泽,降低分辨缺陷的能力。2.4.5 显象剂显象剂为速干式,一般是在工件干燥后施加显象剂,显象时间约为1030min。2.4.6 检查、评定、清洗在上述渗透的探伤全部完成以后,可根据缺陷显示痕迹的色泽、长度、宽度、形状及分 布位置进行综合观察、分析,做出评定后,进行记录,最后将工件表面清洗干净。2.5 桩腿裂纹深度的测定磁粉检验、渗透探伤检验出的裂纹,如需测定其深度,可用超声波探伤仪测定,也可用 裂纹测量仪测定;但是,由于受到桩腿表面形状限制和疲劳裂纹面表面不规则等因素的影响, 使测定深度的难度增大、测定的精度降低,甚至有时无法测定。当使用
16、超声波探伤仪测定桩腿裂纹深度时,推荐采用“横波(双探头)穿透定位法”或 “横波声束边界定位法”与“作图解析定位法”相结合的深度定位技术,如图2.5-1、图2.5-2 所示。图2.5-1横波(双探头)穿透定位法示意图图2.5-2横波声束边界定位法示意图第3章提高桩腿疲劳寿命的TIG熔修技术及其应用3.1 概述提高钢结构物疲劳寿命的方法较多,如打磨、槌击、喷丸、TIG熔修、超声冲击等方法, 本指南着重推荐TIG熔修方法。TIG熔修法始于20世纪70年代,30余年的国内外应用研究和工程使用表明,TIG熔 修可显著地提高钢结构物的疲劳寿命。3.2 提高桩腿疲劳寿命的关键在于对焊接接头的焊趾进行焊后处理
17、3.2.1 改善焊接接头疲劳寿命的重要意义焊接接头承受静载的能力不低于母材,但由于焊接接头存在应力集中、焊接缺陷和焊接 残余应力,使其承受交变载荷的能力与母材相差甚远,从而导致一些焊接结构物(如桩腿) 因接头疲劳问题而过早开裂,不得不停工修复。因此,采取有效措施改善焊接接头的疲劳寿 命具有重要意义。3.2.2 对焊趾进行焊后处理是挖掘接头抗疲劳潜力的有效方法大量研究表明,在焊趾部位表面、母材靠近融合线0.5mm处一般存有熔渣等缺陷,焊 趾表面还有微夹渣、微裂纹等缺陷,这些缺陷较尖锐,相当于疲劳裂纹提前萌生或成核。焊 趾处因焊缝向母材的过渡不圆顺、不光滑造成的应力集中又加剧了疲劳裂纹提前萌生或生
18、 核。焊接过程中形成的焊接残余拉应力,在大多数情况下对接头疲劳寿命有不利影响。这几 个方面不利因素的综合作用使焊趾成为疲劳裂纹的萌生地、焊接接头抗疲劳的薄弱环节。对 焊趾进行焊后处理,可消除或在一定程度上消除上述焊接缺陷、改善焊趾处的几何形状,降 低几何应力集中,还有可能改变焊接残余应力场,形成残余压应力(当做超声处理时),这 些都有助于疲劳寿命朝提高、改善的方向转变,其联合作用的结果是焊趾不再是焊接接头的 薄弱环节、疲劳裂纹的萌生位置转向母材,使得焊接接头、桩腿等焊接结构的疲劳寿命大幅 度提高。3.3 TIG熔修技术3.3.1 TIG熔修原理TIG熔修是用鸨极(Tungsten)氤(Iner
19、t Gas)电弧焊焊枪在焊趾特定部位焊缝上进行 的重熔整形,见图3.3-1TIG熔修示意图。电弧在鸨棒和焊趾间燃烧,由于焊趾处金属的熔 化和结晶是在氧气这种惰性气体保护下进行的,排除了周围空气中的氮、氢、氧等气体对重 熔金属的有害作用,从而保证了重熔金属材质的致密,大大减少或基本消除了微裂纹、微小 非金属夹渣物,使焊趾处的焊缝金属与母材之间形成光滑过渡,减小了应力集中。图3.3-1 TIG熔修示意图3.3.2 一次TIG熔修方法及其适用范围(1) 一次TIG熔修法这是一种用鸨极氧弧焊焊枪,在焊趾特定部位进行的只有单一熔化修理焊缝的熔修方 法,如图3.3-1所示。(2) 一次TIG熔修法的适用范
20、围桩腿结构选用的钢种是否适合使用一次TIG熔修方法,可用前苏联学者A E Achuc 提出的碳当量法确定。碳当量C0.42的钢种适用一次TIG熔修方法。碳当量计算公式如下:C=CX(1+0.0056)Mn Si Ni Cr Mo V+NbCx = c% + + 7z+t+t+式中:C碳当量;Cx一一钢中各化学元素含量折合成的碳当量之和:6工件厚度mm。3.3.3 TIG熔修技术的应用TIG熔修技术目前主要应用于自升式钻井平台桩腿裂纹在平焊位和立焊位的修复。3.4 TIG熔修的使用要求3.4.1 至少要把握下列三个要点(1) TIG熔修操作人员素质是决定熔修效果的根本;(2)规范适当、工艺正确是
21、决定熔修效果的技术关键;(3) TIG熔修设备的技术规格与熔修作业环境条件是决定熔修效果不可忽略的影响因 系。3.4.2 加强对TIG熔修操作人员资质及其操作的监督、管理(1)从事TIG熔修的操作人员必须经过资格培训、考试,考试合格后获得本社或本社授 权单位核发的TIG熔修操作人员资质证书;(2)根据实际情况对TIG熔修操作人员资质证书的适用范围、有效期等制定管理办法;(3)根据实际情况对TIG熔修操作人员按章(如TIG熔修工艺、TIG熔修规范等)操作 和熔修质量的优劣制定监督、管理办法。3.4.3 做好TIG熔修操作人员培训、考试的各项准备工作(1)规定参加TIG熔修操作人员培训、考试的报名
22、资格、报名手续、报名时须交验的材料、证件等;(2)编写出TIG熔修操作人员“应知”大纲及相应教材:(3)编写出TIG熔修操作人员“应会”大纲及相应的培训用试件(接头形式、材料、尺 寸、数量等)与考试用试件(接头形式、尺寸、材料、数量、加工制作要求等);(4)规定TIG熔修操作人员“应知”、“应会”的考试实施方法。3.4.4 TIG熔修焊缝质量至少应符合下列要求(1)熔修焊缝应光滑平整,与焊趾处原焊缝的结合以及与母材的过渡应平滑平顺,不得 形成沟槽,其咬边、凹陷等缺陷的深度应小于0.2mm,长度小于3mm,任意50mm熔修焊 缝内,咬边个数不得超过2个:(2)熔修焊缝表面不得存在任何裂纹、未熔合
23、和夹渣等缺陷;(3)熔修焊缝的熄弧坑前后不得有肉眼可见的弧坑、凸起、微裂纹等缺陷;(4)熔修焊缝的无损检验结果应符合JB/T6061-92焊缝磁粉检测方法和缺陷磁痕分级 标准中的质量等级H级标准,或JB/T6061-92焊缝渗透检测方法和缺陷痕迹的分级标准 中的11级标准。3.4.5 编制TIG熔修工艺TIG熔修工艺应根据实践经验和必要的试验确定,在实践经验不足的条件下,推荐下列 要点为编制TIG熔修工艺做参考。(1)当钢结构物所用钢材的碳当量C0.42%时,采用一次TIG熔修,尽量避免采用二 次TIG熔修和/或往复平移TIG熔修。(2)熔修前用轻微打磨、擦拭等方法清理焊趾,清除焊趾及其两侧各
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