0 引言
近年来，我国大型海工装备焊接技术取得进一步的发展，焊接质量不稳定，焊接制造成本高，焊接生产效率低，劳动强度大等，引进的先进焊接技术难以有效的推广应用。
海上自升式钻井平台焊接制造涉及的材料繁多，焊接质量要求苛刻，制造精度高。其中自升式平台桩腿是海上钻井平台稳定作业的支柱，自升式平台要做到“站得住，升得起，拔得出”，桩腿是关键。基于公司在钻井平台的建造领域没有任何经验，因此，还需根据公司的生产条件和现状，研发一套适合公司实际生产的海上钻井平台关键焊接技术。
1.1 海上钻井平台桩腿焊接技术
基于海工装备发展现状以及公司海上钻井平台焊接制造的现状，针对海上钻井平台焊接制造存在的难点，设计试验思路，并重点研究了桩腿大厚板高强钢Q690E双人SMAW焊接工艺；桩腿大厚板焊接应力变形预测和控制；双面窄间隙立焊和双面双弧不清根机器人焊接工艺；适用于机器人单丝/双丝MAG新工艺；新材料铜镍合金管焊接工艺研发等。
（1）钻井平台的桩腿齿条板 Q690E 焊接工艺研究。
钻井平台桩腿齿条厚度为127~177.8mm，Q690E 高强钢屈服极限为690MPa。其焊接性能要求高，尤其是400ft钻井平台齿条对接接头冲击韧性要求69J@-37°C。 本项目通过热模拟技术获得高强钢Q690E焊接性能特点，并采用焊材复验，焊接工艺匹配试验，焊接工艺对比试验，设计焊接工艺参数，获得了双面双人SMAW的焊接工艺（包括2G和3G位置），攻克了Q690E焊接时焊接接头硬度超标问题，以及Q690E焊接冲击韧性偏低问题，满足ABS和AWS D1.1的相关要求。
（2）大厚板齿条板Q690E 窄间隙立焊工艺研究。目前公司在大厚板齿条板焊接方面多采用手工焊接，在人工，焊材，耗能等方面成本高昂，造成钻井平台桩腿焊接制造成本高。本项目根据双面窄间隙和焊接原理和特点，分析齿条板立焊工艺特点并结合有限元模拟预测技术，研究不同热输入，不同焊接参数匹配及焊接材料对焊接质量及焊头性能的影响；攻克了双面窄间隙立焊侧壁熔合，气孔，焊接热输入大，母材稀释率大，根部冲击韧性低，易产生冷裂纹，焊接变形等技术难题；获得一种高效，高质，节能，低耗材，低耗能的窄间隙立焊新技术，坡口角度近似为零，间隙在10~20mm，一层一道的焊接方式，实现窄间隙高效自动焊接，焊接效率提高8倍以上，满足400ft钻井平台冲击韧性69J@-37℃的要求，符合ABS和AWS D1.1的要求。
（3）齿条对接双面双弧不清根机器人焊接工艺研究。针对桩腿齿条对接，落后的焊接方法和工艺，劳动强度高，效率低下，质量不稳定等问题。采用双面双机器人焊接方法，分析坡口形式，工艺参数，焊枪距离等对焊接质量和性能的影响，攻克了双面双机器人焊接方法根部不需清根，离线编程焊道排布，根部冲击韧性低，侧壁熔合，根部易产生夹杂气孔缺陷等多项难题；实现双机器人双面对称焊，焊接过程根部不需碳刨清根，焊缝成型良好，无损探伤合格，焊接效率可提高5倍。
（4）适合齿条板与半圆板机器人焊接的单丝/双丝气体保护焊工艺研究。目前 ，公司齿条和半圆板焊接技术采用手工FCAW和埋弧焊技术，焊接效率低，自动化，智能化程度不高，而且焊接过程反复进炉加热造成资源浪费，效率低，成本增加。本项目根据齿条与半圆板焊接性能要求，对比单双丝MAG焊热输入，电源特性，电弧特点，熔滴过渡，气体保护等，设计机器人焊接工艺参数，规划机器人焊接顺序和焊道排布，保证机器人自动化焊接质量的稳定性；攻克了机器人双丝MAG焊双弧之间电弧干扰，焊缝组织不均匀，焊接接头冲击韧性不达标，焊缝区夹杂物和飞溅大等问题；最终获得满足齿条与半圆板机器人焊接要求的双丝气体保护焊工艺，焊接效率可提高2倍以上。
（5）高压管焊接工艺研究。钻井平台的高压管直接关系到整个管系，甚至整个平台的安全，焊接质量尤其不容忽视。4130管线强度高，壁厚大，又是中碳调质钢，焊接性差，HAZ的脆化和冷裂倾向严重，须焊后热处理，焊接工艺复杂，焊接性能要求高。本项目通过对母材焊接性能分析，焊材特性分析和焊材复验，焊接工艺设计和工艺摸索试验，根据国际通用标准NACEMR01-75和ABS船级社要求，选择合适的焊接材料，并对比不同焊后热处理工艺对焊接接头硬度的影响，有效解决了焊接接头硬度的问题，使各项性能指标满足ABS的要求。
（6）铜镍合金管焊接工艺及焊接气孔控制技术。铜镍合金管属于有色金属，其热膨胀系数和导电率远高于碳钢及低合金钢，单面焊双面成形焊接难度大，焊接时易产生气孔，裂纹，氧化等缺陷，尤其是现场焊接极易出现气孔。因此，本项目分析了铜镍合金管焊接工艺性，保证焊接性能和单面焊双面成形；结合实验室焊接试验及现场焊接条件设计焊接气孔预制试验方案，有效查找焊接气孔产生的主要原因；在此基础上攻克现场焊接气孔控制技术，包括保护气体纯度，保护方式，密封罩，同期方式，焊嘴直径，定位焊，起弧和熄弧操作等[1]；自主设计并创新研发了一整套系统化的铜镍合金管焊接工艺及气孔控制技术，有效消除了焊接气孔，无损检测RT合格，保证焊接接头各项要求符合ABS及AWS D1.1的要求。
（7）桩腿焊接应力变形预测和控制技术。桩腿作为钻井平台抬升的关键部件，对制造精度要求极高，齿距±0.5mm，直线度≤1.5mm/4齿，≤3.5mm/25齿等，然而焊接过程必然会产生应力变形。因此，利用有限元模拟技术计算桩腿焊接应力变形，根据桩腿齿条与半圆板接头特点构建三维有限元模型，采用双椭球热源模型，确定边界条件，材料特性，分析不同焊接工艺包括双面单人直通焊，双面2人分段焊的焊接应力分布和焊接变形情况，并进行模拟试验对比分析。从而选择最优化的方案，控制焊接变形量，有效保证桩腿制造精度。
1.2 经济效益
海上钻井平台关键焊接技术的成功研发，有效的保证了海上钻井平台的制造质量，减少焊接缺陷和返修或报废，同时提高生产效率，缩短制造周期，高效优化的焊接工艺对成本控制包括钢材，人工，耗材等有重要意义，对经济效益的提高不可估量。
（1）桩腿关键焊接技术提高效率，减少工序，缩短制造周期 。
钻井平台桩腿关键焊接技术（桩腿齿条窄间隙立焊工艺，齿条双面双弧机器人不清根焊接工艺，齿条与半圆板机器人单丝/双丝MAG焊工艺）可有效提高焊接效率4~8倍以上，平台制造周期缩短3个月以上。
（2)自动化焊接，制造质量稳定
腿关键焊接技术采用厚板多层多道焊自动焊接，无需每次对中和设置参数等；中间无需人工监控（可24小时工作，减少人工）；可自行重复焊接任务（无需人重复对中行走）；机器人焊接质量稳定可靠，严格按照WPS 进行操作，重复精度高，质量稳定，一次合格率高。焊接质量采用全过程记录和追溯，保证桩腿焊接质量可靠性。
（3）降低制造成本
桩腿关键焊接技术的应用，可减少人工工时30%（焊工，打磨工，装配工）；降低焊材消耗，焊材从国外进口，价格昂贵（高效焊接方法窄间隙焊接可减少焊材65%）；降低返修焊（焊接保证一次合格率，无需返修）；
降低打磨（机器人焊后无需打磨）；降低耗能（缩短焊接过程加热时间，降低耗能）。
（4）优化焊接工艺，减少新材料焊接的返修和报废
高压管4130和铜镍合金管属于特殊新材料，进口材料，价格昂贵。铜镍合金管焊接工艺和气孔控制技术的研发有效的消除了生产现场大量焊接气孔问题，避免了后续的返修，或出现报废的情况。高压管4130焊接工艺优化研究，获得符合技术要求的最经济的焊接材料，保证焊接硬度不超标，减少返修费（碳刨工，打磨工，焊工等人工费，碳刨，热处理，焊接等能耗费用）。
（5）改善施工环境，降低工人劳动强度，从而减少环保和劳保支出。
海上平台焊接关键技术自动化程度高，减少了返修焊大量的碳弧气刨清根，刨槽和砂轮打磨工序，避免了由于碳弧气刨对环境带来的噪音，飞溅，污染，火灾等影响和事故隐患。减少工人劳动强度（从高辐射，高污染的弧光和烟尘环境解放出来）；减少烟尘排放（采用实心焊丝气体保护焊降低烟尘量，高效焊接方法大大减少焊接时间，减少排放）。
海上钻井平台关键焊接技术在钻井平台制造中将得到广泛应用，属于共性技术。该项技术改变了传统手工焊效率低下，劳动强度高，生产模式落后的现状；采用新型高效的焊接方法如窄间隙焊接，双机器人焊接，机器人双丝焊等，为后续实现机器人自动化，高效化奠定良好的基础；突破了大厚板超高强钢Q690钢低温韧性及高效自动化焊接，CuNi合金管焊接气孔，高压管4130硬度等瓶颈问题。
1.3小结
海上钻井平台关键焊接技术将大大提升生产效率，缩短桩腿制造周期2~3个月，降低钻井桩腿制造成本10%以上[2]。该项技术为后续全面自动化焊接生产奠定基础，促进海洋工程制造向高效化绿色化，自动化和智能化焊接技术转变发展，推动海洋工程制造由“人海战术”向“无人战术”转变，同时说明焊接技术的创新为精度控制提供有力的保证。
参考文献：
[1] Tang Y G, Shao W D, Yi-Han L I, et al. Fatigue Life Estimation for Truss Spud Legs of Jack-up Platform Considering the Gap between the Hull and the Spud Leg[J]. Ship Engineering, 2011, 33(4):76-79.
[2] Leira B J, Karunakara D, Nordal H. Estimation of fatigue damage and extreme response for a jack-up platform[J]. Marine Structures, 1990,3(1):461–493.
