海洋鋼結(jié)構(gòu)之組合梁質(zhì)量控制方法

謝 偉

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

0 前言

型鋼是海洋平臺和LNG模塊的主體結(jié)構(gòu)，發(fā)揮著重要的承重作用[1]。通常高度大于700 mm的型鋼不再直接由鋼廠采購，轉(zhuǎn)而交由廠家進(jìn)行預(yù)制，稱為組合梁預(yù)制。組合梁相較于其他產(chǎn)品建造具有結(jié)構(gòu)簡單、流水作業(yè)的特點(diǎn)，但是建造過程中仍然會面臨諸多問題，對質(zhì)量控制工作提出了較高要求。

組合梁的基本結(jié)構(gòu)分為3個部分，分別為上翼緣板、腹板和下翼緣板，組合梁預(yù)制就是將這3部分組裝焊接成整體的過程。隨著設(shè)計的改善，翼緣板和腹板不再是單獨(dú)的整張板，而是由多塊厚度不同的鋼板拼接而成。

根據(jù)組合梁的預(yù)制流程，檢驗工作主要分為材料檢驗、組對檢驗、焊接檢驗以及釋放檢驗。

1 材料檢驗

材料檢驗是組合梁檢驗的第一步，具體分為材料確認(rèn)和材料跟蹤。采用的程序文件主要有鋼板材質(zhì)證書、單件圖和材料檢驗跟蹤程序。檢驗工具主要有：盤尺、盒尺、尼龍線（拉平整度）、手電。

1.1 材料確認(rèn)

材料確認(rèn)顧名思義就是對從鋼廠采購回的用于切割下料的鋼板進(jìn)行信息確認(rèn)。首先檢查鋼板本身是否有母材損傷，其次使用尼龍線固定在鋼板的任意兩點(diǎn)測量最大的不平整度，并與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差進(jìn)行對比確認(rèn)是否滿足要求。其次核對鋼板上的原始鋼印，并結(jié)合材質(zhì)證書核對項目名稱、爐號、批號，材料等級、長寬厚等尺寸。材質(zhì)證書檢查和鋼印檢查如圖1、圖2所示。

圖1 材質(zhì)證書檢查

圖2 鋼印檢查

1.2 材料跟蹤

材料確認(rèn)完成后，就可依據(jù)單件圖進(jìn)行單個桿件的切割下料工作。需要注意的是，設(shè)計部門會同時提供組合梁單件圖和下料排版圖，其中排版圖僅作為下料的參考。

在下料過程中注意監(jiān)控切割的起點(diǎn)應(yīng)從余料處開始，同時檢查切割機(jī)的噴嘴防止堵塞，否則會造成母材表面的切割損傷。

一張鋼板切割完成之后就可以進(jìn)行跟蹤檢查，檢驗人員依據(jù)單件圖檢查各個桿件（包括余料），首先查找鋼印號，確認(rèn)項目名稱、爐號、批號、等級等信息；其次由于切割過程是鋼板受熱的過程，切割完的桿件普遍存在一定的形變，用尼龍線或者鋼絲線固定在鋼板面板的兩端測量不平整度，同時測量厚度方向的彎曲度，越長的單個桿件彎曲度越大；再次使用盒尺或者鋼板尺測量單個桿件的長寬厚尺寸，注意需要將單件圖上的余量值加入之后進(jìn)行核對，同時由于有些桿件為不規(guī)則的異形板，需要對各個尺寸數(shù)值分別進(jìn)行測量。

不滿足要求的桿件按照相應(yīng)程序進(jìn)行處理，符合要求的進(jìn)行下一道工序。

材料跟蹤檢驗完成之后進(jìn)行坡口加工，按照焊接程序和圖紙要求對進(jìn)行拼接的位置加工出一定角度的坡口，坡口要求平滑、均勻。

一般坡口切割會用到帶軌道的半自動切割機(jī)，在動火之前需要檢查軌道的平整度，若軌道表面凹凸不平，就會在切割過程中造成坡口的凹凸不平。另外，由于部分桿件涉及薄厚板拼接，因此需要在厚板上加工一個過渡邊，一般情況按照：L＞4（T2-T1）（L為過渡邊長度；T2為較厚板；T1為較薄板）進(jìn)行，在坡口加工完成后檢查坡口角度、坡口表面是否光滑均勻、過渡邊長度是否滿足要求。邊渡邊檢查和切割設(shè)備檢查如圖3、圖4所示。

圖3 過渡邊檢查

2 組對檢驗

2.1 拼板組對檢驗

將不同的桿件按照圖紙要求拼接在一起的過程即為組對。

主要使用的程序文件是組合梁單件圖。需要使用的工具主要有：盤尺、盒尺、間隙尺、尼龍線或鋼絲線（拉平整度）、手電。

圖4 切割設(shè)備檢查

對于由多塊薄厚不等的鋼板組成的翼緣板或者腹板首先需進(jìn)行拼接，其中往往包含材質(zhì)帶有Z向性能的異形板，按照單件圖要求組對完成后即進(jìn)行檢驗。首先使用盒尺或者盤尺對拼接后的整體長度及單件長度進(jìn)行測量確保滿足圖紙要求，考慮到焊接收縮，可以增加一些余量；復(fù)核寬度及厚度，將測量結(jié)果與預(yù)制方案進(jìn)行比對。

其次是對中測量，如圖5所示。沿長度方向進(jìn)行放樣，將尼龍線或者鋼絲線固定在兩端中點(diǎn)，分別測量長度方向各個位置的對中情況，接著使用鋼板尺測量厚度方向的對中。需要分別討論的是：上翼緣板拼接要保證上表面齊平，下翼緣板拼接要保證下表面齊平，腹板拼接則要求各個拼板厚度中心位于一條線上。

圖5 對中測量

測量坡口錯皮值，如圖6所示。對于上翼緣板上表面，檢查拼接口兩端是否平齊；對于腹板，檢查拼接口兩側(cè)的對齊；對于下翼緣板下表面，檢查拼接口兩端是否平齊。注意錯皮要沿著高度方向多次測量，取最大值與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，超出誤差范圍的需要調(diào)整，保證錯皮值在要求范圍內(nèi)。

圖6 錯皮測量

檢查引弧板和熄弧板的安裝、定位焊的外觀以及坡口。引弧板、熄弧板的材質(zhì)、坡口、厚度等需要與相鄰母材保持一致，定位焊長度大于等于50 mm，如遇特殊要求需具體分析，定位焊要求與坡口的打底焊接要求一致；根據(jù)相應(yīng)的焊接工藝，檢查坡口的類型、角度、間隙、鈍邊，滿足工藝要求，同時坡口兩側(cè)焊接區(qū)域內(nèi)不應(yīng)有鐵銹、油污等雜質(zhì)。需要注意的是，由于拼接往往在地面進(jìn)行，在檢查完正面之后還需要對反面進(jìn)行同樣的檢查。組對間隙超差如圖7所示，坡口處的母材損傷如圖8所示。

圖7 組對間隙超差

當(dāng)拼接板組對檢驗合格之后，就可以按照相應(yīng)的焊接工藝進(jìn)行焊接，注意檢查焊工資質(zhì)[2]及其有效期，并對焊材保護(hù)進(jìn)行檢查，包括對預(yù)熱設(shè)備、焊機(jī)等施工設(shè)施的檢查，并使用紅外線測溫儀和電流電壓表等監(jiān)控記錄焊接參數(shù)。

當(dāng)拼接板焊接完成且外觀處理好之后就進(jìn)入拼板焊后外觀檢驗環(huán)節(jié)。首先進(jìn)行焊后尺寸檢驗，焊接過程容易導(dǎo)致拼板受熱變形，需要調(diào)整不平度，要求施工人員根據(jù)調(diào)直程序填寫熱調(diào)直申請單。在調(diào)直過程中要有專人監(jiān)控并記錄調(diào)直溫度，TMCP（熱機(jī)械控制工藝）鋼嚴(yán)禁超過580℃，調(diào)質(zhì)鋼嚴(yán)禁超過600℃，其他鋼種不應(yīng)超過650℃。其次進(jìn)行外觀檢驗，檢查焊縫位置是否有未焊滿等缺陷，引弧板和熄弧板通過切割去除距離母材表面保留3～5 mm，剩余部分打磨去除。

圖8 坡口處的母材損傷

上翼緣板下表面的焊縫和下翼緣板上表面的焊縫與腹板相交位置需要提前打磨平整，并提前進(jìn)行無損檢測。

應(yīng)預(yù)先把上翼緣板下表面、下翼緣板上表面中間位置打磨出超過腹板寬度的光亮表面，以方便進(jìn)行組立，同時要把腹板兩側(cè)與翼緣板相交的位置打磨至滿足焊接要求。

2.2 組立檢驗

組立檢驗是翼緣板、腹板拼接完成之后的合攏階段的組對檢驗。

主要使用的程序文件是組合梁單件圖、甲板片平面布置圖。需要使用的工具主要有：盤尺、盒尺、直角尺、間隙尺、尼龍線或鋼絲線（拉平整度）、手電。

首先檢查桿件鋼印信息，確認(rèn)上、下翼緣板及腹板的桿件號、項目名稱、爐批號等信息，尤其要防止帶有Z向性能的板上下顛倒。

其次測量整體長寬高，腹板邊緣距離翼緣板邊緣的相對位置長度也要準(zhǔn)確測量，從兩側(cè)測量高度，分別測量上、下翼緣板兩側(cè)的寬度，寬度滿足要求，對中即符合要求。

需要注意的是，組合梁若處于腹板與地面平行的平放狀態(tài)，直接在側(cè)面拉尺進(jìn)行測量，組合梁若處于腹板與地面垂直的站立狀態(tài)，測量腹板長度應(yīng)盡量貼近下翼緣板，以減少尺子本身沉降帶來的誤差。

另外，如果翼緣板或者腹板邊緣切割有坡口，則尺寸測量的起點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)在坡口最外端。

對于組立的高度，公差通常會包含正負(fù)誤差，建議施工單位采取同樣的組立高度設(shè)定，最好是高度都采取正公差，這樣再拼接的時候會有效避免對接時高度方向上的錯皮，保證總裝對接精度。

對于腹板對中，也允許一定的誤差，但腹板位置越趨近于中心，組合梁合攏對接時，腹板厚度方向上的偏心會越小。

再次檢查腹板相對于翼緣板的垂直度，使用直角尺和間隙尺可以確定垂直度誤差。

最后檢查坡口類型、坡口角度、間隙、鈍邊、定位焊等是否滿足要求，坡口角度和間隙均勻一致有利于控制焊接變形。尤其是過渡位置需要格外注意。

對于帶有變徑板的組合梁需要檢查變徑板處的高度，從變徑板底端量至上翼緣板上表面，參照甲板片平面布置圖確定是否可以與總裝合攏階段的對接組合梁在高度上相匹配。變徑板若與相鄰翼緣板或者腹板厚度不一致，也需要視厚度差確定是否切割過渡段。

凡是異形板都會在總裝時與立柱、拉筋相交，普遍要求帶有厚度方向的Z向性能，所以務(wù)必確認(rèn)其材質(zhì)和位置，防止上下顛倒錯位。

3 焊接過程控制

焊接過程控制主要指依據(jù)焊接工藝和焊接程序?qū)附舆^程進(jìn)行監(jiān)控。需要用到的工具主要有紅外線測溫儀、測溫筆、電流電壓表和秒表，需要用到的程序文件有焊接工藝以及其他相關(guān)焊接程序，如圖9所示。

圖9 焊接工藝檢查

焊接過程控制主要包括：焊工、焊接設(shè)備、焊接環(huán)境、焊接過程等。

組合梁焊接方法主要涉及埋弧焊、焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊。

焊工首先要報批項目資質(zhì)且處于有效期內(nèi)，焊接方法、位置要能覆蓋將要進(jìn)行的焊接。焊機(jī)處于鑒定合格有效期內(nèi)，保護(hù)氣體符合工藝要求，焊絲盤有防塵保護(hù)，焊條放置在通電加熱的保溫桶內(nèi)。檢查母材、焊材與工藝是否匹配。

對于埋弧焊，首先要根據(jù)WPS進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，由具有資質(zhì)的焊工進(jìn)行操作。焊接之前先預(yù)熱，并進(jìn)行溫度測量，使用符合要求的焊劑與焊絲，使用過的焊劑需根據(jù)要求與新焊劑按一定比例進(jìn)行混合再次使用。埋弧焊開始之前，務(wù)必吹掃焊道表面，清除所有雜質(zhì)，否則在焊道中容易出現(xiàn)氣孔。

CO2氣體保護(hù)焊焊接需由具有資質(zhì)的焊工根據(jù)WPS施焊，焊前先預(yù)熱，從反面使用測溫筆或紅外線測溫儀測量溫度，注意層間溫度、單道擺寬，并嚴(yán)格控制好電流、電壓、焊接速度[3]，同時保證熱輸入值。焊工在焊接過程中要了解焊腳要求，并合理安排焊接層數(shù)、道數(shù)以保證焊腳足夠。

預(yù)熱溫度應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離坡口測量，層間溫度應(yīng)盡可能靠近焊縫進(jìn)行測量[4]。

注意避免焊縫與母材過于垂直的現(xiàn)象，焊縫截面呈現(xiàn)等腰直角三角形為最理想，同時滿足焊腳與焊喉的要求。

設(shè)計圖紙上有時會對同一組合梁的不同位置規(guī)定不同的焊接形式，即穿插著全熔透焊縫、部分熔透焊縫或者角焊縫，應(yīng)當(dāng)注意的是不同的焊接形式之間應(yīng)圓滑過渡。

若需使用焊條進(jìn)行打底，則要求焊工一次領(lǐng)用不超過4 h使用量的焊條，并且使用焊條桶保溫。

對于圖紙上需要全熔透焊接的區(qū)域，需注意上下翼緣板對應(yīng)的坡口均要進(jìn)行全熔透焊接。

由于焊接過程會產(chǎn)生應(yīng)力，不可避免地會造成變形，若坡口為K型，則盡量采用不對稱的坡口形式，通常為1∶2，從大坡口側(cè)封底，然后從小坡口側(cè)氣刨清根，這樣可以保證坡口兩側(cè)焊縫金屬的等量填充，最大程度減少焊接變形。焊接過程中也可通過加支撐來控制變形。同時，焊接時兩側(cè)同時施焊有利于減小變形。

雙面坡口的全熔透焊接涉及氣刨清根，此時應(yīng)注意檢查氣刨之后的母材狀態(tài)，氣刨過深容易導(dǎo)致板材變形甚至移位，問題多發(fā)生在腹板拼接口以及端部焊道。

不同焊道的起弧、收弧位置應(yīng)錯開。

4 外觀檢驗

首先進(jìn)行焊縫外觀檢驗。主要參照外觀檢驗程序和接收標(biāo)準(zhǔn)，檢驗工具包括焊縫檢驗尺、手電、鋼絲線、直角尺等。

常見的焊縫外觀缺陷主要有氣孔、飛濺、咬邊、未焊滿、焊腳尺寸不足、夾渣、擺寬過寬、表面紋路過渡不夠圓滑等，具體到不同的焊接方法分別是：

①埋弧焊。焊腳尺寸不夠、表面紋路過渡不夠圓滑、氣孔、咬邊。

②焊條電弧焊。氣孔、飛濺、咬邊、夾渣[5]。

③CO2氣體保護(hù)焊。焊腳尺寸、表面紋路、不同焊接形式之間的過渡，焊腳過于垂直母材等。

可根據(jù)不同焊接方法進(jìn)行針對性的外觀檢驗，焊腳測量要同時從焊縫兩側(cè)測量，如圖10、圖11所示，保證兩個方向的焊腳值均滿足要求。

圖10 焊腳測量

圖11 另一側(cè)焊腳測量

其次檢查倒角，打磨氧化鐵、切割面，端頭焊道包角處理。對于上表面鋪甲板的組合梁，考慮到后續(xù)焊接，其上表面倒角可不做要求。

最后檢查母材表面的電弧擦傷、夾子印（見圖12）、氣刨損傷等外觀缺陷，如圖13所示。

圖12 夾子印

圖13 敲擊馬排

在外觀檢查滿足之后需要進(jìn)行尺寸檢驗，如圖14、圖15所示。首先是長寬高等尺寸的確認(rèn)；其次檢查端部結(jié)構(gòu)是否呈現(xiàn)傘形，即兩端往下耷拉的現(xiàn)象，或者一段翹起、一段下沉的情況出現(xiàn)。

圖14 腹板長度測量

圖15 端部高度測量

另外，使用尼龍線對上翼緣板、腹板兩側(cè)、下翼緣板進(jìn)行平整度測量，如圖16、圖17所示，不僅需要拉直線，還需要拉對角線。對于厚度不一致的表面平整度可以借助標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行測量。

圖16 腹板平整度測量

圖17 翼緣板平整度測量

根據(jù)形變大小，對尺寸不合格的組合梁采用機(jī)械調(diào)直或者熱調(diào)直，操作參照調(diào)直程序，調(diào)直時注意避開焊道。對于熱調(diào)直，若第一次仍未達(dá)到要求，第二次的烤火區(qū)域需要避免和第一次的區(qū)域重合。

待整體尺寸和焊縫外觀合格后即可進(jìn)行磁粉檢測、超聲波檢測等無損檢測。若焊縫有缺陷，則需要根據(jù)返修程序進(jìn)行處理。

5 釋放檢驗

5.1 釋放文件整理

首先檢查所有的圖紙程序文件是否為最新版，且圖紙上所有結(jié)構(gòu)均按要求安裝，散裝件列好清單；其次檢查報告（尺寸報告、材料報告、外觀報告、無損報告）是否齊全，確認(rèn)所有的焊口包括返修口是否都已經(jīng)全部檢驗完成并合格；再次檢查在預(yù)制期間出現(xiàn)的現(xiàn)場疑問單和修改通知單等技術(shù)文件是否按要求整改，檢查過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題是否按要求整改，質(zhì)量反饋單要關(guān)閉確認(rèn)。

5.2 整體外觀確認(rèn)

檢查整體外觀，重點(diǎn)檢查母材上的外觀缺陷，主要包括：電弧擦傷，焊道附近氣刨損傷母材，吊裝夾子印，臨時馬排切割后的疤等，是否去除干凈且按要求做無損檢測。

6 結(jié)論

組合梁預(yù)制具有著相對固定的建造流程，但質(zhì)量控制要求較高，需從以下方面重點(diǎn)把控：首先施工前要對工人進(jìn)行質(zhì)量要求宣貫；其次檢驗人員要熟悉標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和圖紙程序文件，嚴(yán)格按照誤差等級進(jìn)行檢驗；再次檢驗人員要熟悉檢驗工機(jī)具的使用，做好施工工機(jī)具的檢查確認(rèn)；最后檢驗人員要充分利用檢驗記錄表格，認(rèn)真記錄并保存好。