海洋鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的焊接變形控制

趙真 邵志坤

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 焊前工作

1.1 切割機(jī)精度

全熔透及部分熔透坡口焊接為常用的焊接方式，通常采用火焰切割在構(gòu)件邊緣制備坡口。坡口的平整度越好，越有利于控制焊接變形，而坡口平整度與切割機(jī)的精度密切相關(guān)。為了確保切割機(jī)精度，一方面應(yīng)定期檢驗(yàn)切割機(jī)，可采用試板進(jìn)行切割試驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)器精度是否滿足要求[1]。其次，某些切割機(jī)帶有軌道，應(yīng)定期檢驗(yàn)，軌道凹凸不平或者附著雜物都會(huì)導(dǎo)致坡口切面不均勻。半自動(dòng)切割機(jī)軌道上的缺損，切割出的坡口面不均勻，如圖1 所示。

圖1 半自動(dòng)切割機(jī)軌道上的缺損

圖2 切割出的坡口面不均勻

1.2 坡口設(shè)計(jì)

采用雙面坡口有利于減小和控制焊接變形，因此，采用X 型、K 型坡口比V 型或單V 型坡口更有利于控制焊接變形。對(duì)于較厚鋼板應(yīng)盡可能開雙面坡口。另外，對(duì)于雙面全熔透坡口，考慮到背面清根，通常會(huì)采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)，一側(cè)坡口深度約為1/3 母材厚度，另一側(cè)坡口深度約為2/3 母材厚度，具體比例需根據(jù)焊工操作水平及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況具體分析，不對(duì)稱坡口的焊接在后面會(huì)進(jìn)行論述。板厚相同的情況下，坡口尺寸越大，焊接收縮變形越大。因此，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，優(yōu)先采用部分熔透接頭。

1.3 接頭尺寸

接頭尺寸對(duì)焊接變形有較大的影響。對(duì)于坡口焊縫，間隙值、坡口角度及坡口表面狀況都會(huì)對(duì)構(gòu)件的變形產(chǎn)生影響，間隙應(yīng)首先滿足所采用的焊接工藝規(guī)定，其次要保證在坡口整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)都保持一致，若一頭間隙大，一頭間隙小，會(huì)導(dǎo)致焊接收縮不均。坡口角度應(yīng)滿足焊接工藝的要求，過(guò)小不利于焊接操作，過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬熔敷過(guò)多，對(duì)焊接變形控制不利[2]。而坡口面的均勻一致，可以保證整道焊縫的焊接有序推進(jìn)，若表面存在凹槽，勢(shì)必影響焊縫金屬的均勻熔敷，導(dǎo)致焊接變形。

1.4 輔助設(shè)施

焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力不可避免地會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，在焊前可根據(jù)接頭形式，合理設(shè)計(jì)和添加臨時(shí)支撐，固定在接頭兩側(cè)的母材上。在條件允許的情況下，焊前還可將構(gòu)件與預(yù)制胎架或地面上的預(yù)埋鐵進(jìn)行固定，可對(duì)母材產(chǎn)生剛性約束。對(duì)于立柱等圓形構(gòu)件的焊接，在條件允許的情況下，環(huán)縫坡口兩側(cè)均應(yīng)加剛性固定，同時(shí)，在內(nèi)部還可以加徑向的剛性固定，以控制圓形構(gòu)件的橢圓度及直線度。變形不僅影響構(gòu)件本身尺寸，還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，因此在構(gòu)件之間加入臨時(shí)支撐，確保焊接完成后，構(gòu)件之間相對(duì)位置滿足要求，直至完成總裝后再進(jìn)行拆除[3]。另外，在甲板鋼板焊接前，為減少因焊接收縮導(dǎo)致的四周翹起，一般會(huì)在甲板片四個(gè)角的位置加放配重，以抵抗焊接產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。

1.5 焊接順序

①角焊縫的焊接順序。以與工字鋼腹板相交的筋板焊接為例，會(huì)形成3 個(gè)接頭，分別為上、下兩道橫向接頭以及中間一道立向接頭，應(yīng)優(yōu)先焊接立焊焊縫，再焊接下面的平焊焊縫，最后焊接上面的仰焊焊縫，對(duì)于控制變形較為有利。②坡口焊縫的焊接順序。以不對(duì)稱的X 型坡口全熔透焊接為例，應(yīng)先從坡口較大一側(cè)進(jìn)行打底焊接，打底焊完成之后，再?gòu)钠驴谳^小一側(cè)氣刨清根，清根后進(jìn)行填充，然后再換到較大一側(cè)填充，依次交替進(jìn)行，最終完成焊接。③多個(gè)桿件同時(shí)待焊。以一個(gè)構(gòu)件同時(shí)與較薄構(gòu)件和較厚構(gòu)件相交為例，此時(shí)應(yīng)先焊接較厚構(gòu)件，若先進(jìn)行較薄構(gòu)件的焊接，在焊接較厚構(gòu)件時(shí)產(chǎn)生的大量熱輸入會(huì)導(dǎo)致較薄的桿件產(chǎn)生較大變形。

甲板鋼板通常鋪設(shè)在甲板片上表面，為6～8mm 厚的薄鋼板，而且甲板片表面積通常較大，會(huì)鋪設(shè)多塊甲板鋼板，所涉及的焊接主要有兩種：一是甲板鋼板與梁之間的焊接，通常為角焊縫，二是甲板鋼板之間的拼縫。甲板片主要由組合梁及H 型鋼組成，H 型鋼搭設(shè)在組合梁之間，形成了多個(gè)長(zhǎng)方形的區(qū)域。焊接順序?yàn)椋合群附親 型鋼與甲板鋼板之間的較長(zhǎng)角焊縫，其次焊接組合梁與甲板鋼板之間的較短角焊縫，再焊接中間區(qū)域的甲板鋼板拼縫，最后焊接四周位置。焊接順序安排不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致整個(gè)甲板片四個(gè)角翹起。

1.6 焊接方法

①對(duì)稱焊接。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能安排多名焊工從接頭兩側(cè)對(duì)稱焊接，可以有效平衡焊接過(guò)程中接頭兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力引起的焊接變形，對(duì)稱焊接不僅適用于接頭兩側(cè)的對(duì)稱焊接，還適用于立柱等環(huán)焊縫的焊接，兩名焊工從外側(cè)同時(shí)對(duì)稱焊接，可以減小立柱的傾斜。②分段退焊。實(shí)踐證明，分段退焊也可有效減小焊接變形。分段退焊意思是每段施焊方向與整條焊縫增長(zhǎng)方向相反的焊接方法，每段焊縫分開進(jìn)行，對(duì)于長(zhǎng)坡口的焊接較為適用，該方法適用于手工焊，可安排多名焊工，采用分段退焊的方式同時(shí)施焊。

1.7 焊前預(yù)熱

根據(jù)焊接工藝要求，在焊接前對(duì)焊縫及相鄰母材區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，可以減小焊縫與構(gòu)件其他部分的溫差，降低焊縫的冷卻速度，進(jìn)而減小焊接應(yīng)力與變形。值得注意的是，預(yù)熱需保證構(gòu)件整個(gè)厚度方向均滿足要求，同時(shí)要保證整個(gè)焊接過(guò)程不低于預(yù)熱溫度。

1.8 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備自動(dòng)化程度越高，越有利于減少因手工焊接不穩(wěn)定導(dǎo)致的變形。以CO2氣體保護(hù)焊為例，可選擇帶軌道的吸附式焊機(jī)，尤其對(duì)于仰焊位置具有極大的幫助，其焊接效率高且焊縫均勻，對(duì)于甲板鋼板焊接尤為適用。

2 焊接過(guò)程

2.1 工藝執(zhí)行及監(jiān)控

①焊接方法選擇。一般情況下，埋弧焊的熱輸入相對(duì)較大，從而導(dǎo)致尺寸變形較大。在滿足焊接要求的前提下，優(yōu)先選擇CO2氣體保護(hù)焊或焊條電弧焊。②焊接參數(shù)控制。焊接過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)完全符合工藝要求，電流、電壓、焊接速度以及產(chǎn)生的熱輸入都會(huì)影響母材的變形量，電流、電壓越大，焊接速度越慢，由此產(chǎn)生的熱輸入就越大，焊接變形也會(huì)越大。單道焊縫擺寬不應(yīng)超出焊接工藝要求。對(duì)于角焊縫焊接，只需按照?qǐng)D紙要求焊接足夠尺寸的焊腳即可，過(guò)量的焊縫金屬反而會(huì)導(dǎo)致較大的變形量。

2.2 焊接變形過(guò)程監(jiān)控

應(yīng)建立焊接尺寸過(guò)程控制的概念，可安排專人使用全站儀等儀器進(jìn)行尺寸測(cè)量，一旦出現(xiàn)偏離理論位置或者其他變形情況，應(yīng)暫停焊接并調(diào)整焊接位置或焊接順序。為了減少人力投入，也可以在焊接構(gòu)件上懸掛線墜，一旦線墜偏離理論位置，應(yīng)立即停止焊接并做出調(diào)整，此種方法適用于立柱或者筋板的焊接。對(duì)于其他形狀的構(gòu)件，可因地制宜地選取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)工具。

3 焊接完成后

3.1 機(jī)械調(diào)直和熱調(diào)直

（1）機(jī)械調(diào)直。機(jī)械調(diào)直需采用液壓矯正機(jī)或者液壓千斤頂，主要適用于矯正組合梁焊接引起的變形或者板對(duì)接焊接引起的變形，以及矯正鋼板局部彎曲變形。組合梁焊接后超出公差范圍的區(qū)域可使用H- 型鋼翼緣液壓矯正機(jī)進(jìn)行調(diào)直，局部區(qū)域的變形可使用液壓千斤頂進(jìn)行調(diào)直，需要注意的是，在使用液壓千斤頂時(shí)，不可同時(shí)在焊道處加壓或在機(jī)械調(diào)直時(shí)同時(shí)加熱。板對(duì)接焊接完成后超出公差要求的部分可使用液壓千斤頂來(lái)機(jī)械調(diào)直，同樣地，在使用液壓千斤頂調(diào)直時(shí)不可同時(shí)在焊道處加壓或者在機(jī)械調(diào)直時(shí)同時(shí)加熱。

（2）熱調(diào)直。熱調(diào)直也稱為火焰調(diào)直，主要使用氧氣加可燃?xì)怏w對(duì)構(gòu)件變形位置進(jìn)行火焰加熱，熱調(diào)直需采用多口加熱型的烤把，不允許使用切割槍或者其他不符合要求的工具。熱調(diào)直多采用手工加熱方式，由一名調(diào)直工和一名負(fù)責(zé)監(jiān)控的人員組成。熱調(diào)直前需明確火焰距離工件表面、焊縫焊趾處的最小距離，以及加熱的最高溫度，調(diào)質(zhì)鋼最高加熱溫度應(yīng)不超過(guò)600℃，其他鋼種則不超過(guò)650℃。加熱前應(yīng)在待調(diào)直區(qū)域外使用粉筆進(jìn)行劃線，劃線位置以火焰不會(huì)影響焊道為準(zhǔn)，不允許對(duì)焊道進(jìn)行加熱。熱調(diào)直前，對(duì)變形構(gòu)件可施加一定的預(yù)載，熱調(diào)直過(guò)程中，不允許再施加其他外力。

3.2 施工工序

海洋平臺(tái)包含數(shù)量巨大的構(gòu)件，應(yīng)化整為零，按照組件、部件、甲板片等遞進(jìn)式的建造工序，可以有效避免后期的集中焊接，進(jìn)而減少總裝階段焊接變形。結(jié)構(gòu)焊接是整個(gè)海洋平臺(tái)建造的基礎(chǔ)，應(yīng)從影響尺寸的各要素入手，精細(xì)化管理，確保焊接后的整體尺寸，保障海洋平臺(tái)的整體性能和設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于海洋平臺(tái)而言，其是一種常見的海洋鋼結(jié)構(gòu)，并且能夠廣泛應(yīng)用于海洋石油及天然氣的開采中，作為海洋平臺(tái)的主體部分的結(jié)構(gòu)框架，主要通過(guò)焊接進(jìn)行連接，通過(guò)本文的研究希望給相關(guān)人士帶來(lái)一定的借鑒意義。