海洋石油平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接專用夾具

高 永

中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452

1 工程概況

海洋石油SZ36-1CEP 平臺位于渤海灣，由于冬季北風強勁，氣溫極低，嚴重影響現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)，為此在海洋平臺上安裝了圍護擋風墻。擋風墻材料選用Q235 鋼，經(jīng)過一段時間海上鹽霧環(huán)境的腐蝕，碳鋼很快就銹跡斑斑，影響了使用效果。為此，項目組決定將平臺擋風墻材料更換為材質(zhì)0Cr18Ni9 的1 mm 厚不銹鋼薄板。

2 海上平臺不銹鋼薄板的焊接施工

按照擋風墻工程項目要求，利用海上拖輪將工程項目所需的機具、人員、材料自陸地運輸?shù)胶Ｉ掀脚_，在海上平臺現(xiàn)場進行1 mm 厚的不銹鋼薄板的焊接安裝施工[1]。此次焊接由具有多年海上焊接施工經(jīng)驗、擁有中國船級社CCS 認證資質(zhì)并取得焊工證書的焊接人員進行。焊接選用唐王脈沖式直流焊機、不銹鋼焊絲、氬氣瓶等；焊接方法為TIG 焊即不銹鋼焊絲氬氣保護電焊[2-3]。焊接時要求保持施焊小環(huán)境的風速不大于2 m/s，溫度大于5 ℃，相對濕度小于90%。

施工人員在指定位置搭設(shè)焊工棚，連接好電氣焊設(shè)備，確定氬氣瓶的位置及氬氣輸送方式，做好施工前的各項準備工作后，開始進行不銹鋼薄板的焊接。不銹鋼薄板為1 m×2 m×1 mm 的瓦楞板，兩張薄板拼接后施焊的焊縫長度為2 m[4]。經(jīng)過焊接作業(yè)，第一道焊縫完成。

經(jīng)過無損探傷人員對焊縫進行檢驗發(fā)現(xiàn)：焊縫發(fā)生收縮變形，從而引起拼接的兩張不銹鋼薄板焊縫附近出現(xiàn)凸凹不平波浪式變形；焊縫錯口較大，兩張拼接的不銹鋼板焊縫到最后無法平齊，成型極差，焊接質(zhì)量和外觀達不到要求；RT 拍片發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕嚴重。因此該焊縫的焊評結(jié)論為不合格。

經(jīng)過討論研究，決定研制針對不銹鋼薄板焊接的專用夾具，以防止焊縫變形、錯口或晶間腐蝕。

3 不銹鋼薄板焊接專用夾具設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

（1） 由于選用的不銹鋼薄板厚度薄，自身拘束度小，導熱系數(shù)?。s為普通鋼的1/3），線膨脹系數(shù)較大，當焊接溫度變化較快時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，很容易出現(xiàn)燒穿和焊接變形（大多為波浪變形） 等缺陷，必須將焊接時產(chǎn)生的大量熱量及時傳遞出去，因此優(yōu)選了導熱性能優(yōu)良的紫銅為夾具材質(zhì)。

（2） 為防止不銹鋼薄板在焊接過程中因高溫而產(chǎn)生自身變形，焊接夾具必須能對焊縫附近不銹鋼薄板產(chǎn)生足夠大壓力以確保薄板焊接后不出現(xiàn)變形（大多為波浪變形）。

（3） 在不銹鋼薄板焊縫成型過程中，焊接夾具要能避免環(huán)境空氣中部分氣體的氧化作用，因此需要確保焊縫背部可以充氬氣保護，以隔絕焊縫與空氣接觸，防止氧化。

3.2 不銹鋼薄板焊接夾具的結(jié)構(gòu)

不銹鋼薄板焊接夾具由五部分組成，分別為：門字架、千斤頂、上下壓胎、壓條，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 不銹鋼薄板焊接夾具結(jié)構(gòu)示意

其中門字架材質(zhì)為10#H 型鋼，長2.5 m，高0.6 m，焊接在平臺指定位置。

2.5 t 螺旋千斤頂6 個，通過兩個長為2.3 m 的∠30×30×3 的角鐵對焊在H 型鋼下部，從而夾住螺旋千斤頂?shù)撞?，讓螺旋千斤頂?shù)狗旁贖 型鋼梁的下部，并可沿H 型鋼長度方向自由活動。焊接時6 個千斤頂均布在焊縫上部，同時要求每個千斤頂有10 ～15 kN 的預定頂力。

上壓胎分為左右對稱的兩部分，規(guī)格為2100mm×100 mm×60 mm，材質(zhì)為紫銅，兩個上壓胎相對的側(cè)面加工一個45°的斜角，以利于焊接操作。

下壓胎尺寸為 2 200 mm × 800 mm × 100 mm，材質(zhì)為紫銅，沿長度方向在中上部開出2 000 mm×20 mm×20 mm 的溝槽，并在溝槽20 mm×20 mm一面的中間鉆出直徑10 mm 的圓孔，作為充氬氣的通道。

鋼質(zhì)壓條尺寸為200 mm×10 mm×20 mm，用于傳遞螺旋千斤頂與上壓胎之間的壓力。

4 焊接夾具在平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接中的應(yīng)用

4.1 焊接工藝的確定

焊接采用充絲焊接，焊接參數(shù)見表1。

表1 厚1 mm 不銹鋼薄板的焊接參數(shù)

在焊接時，必須嚴格控制焊接電流（在保證焊透的情況下應(yīng)盡量使用小的焊接電流，電弧長度不能過長，焊接部位在焊前清除鐵銹等贓物） 和焊接順序（焊前還要檢查坡口的錯邊情況，錯邊量合適后才能施焊）。焊接設(shè)備選用唐王脈沖式直流焊機，該焊機具有熱輸入低、熱量集中、熱影響區(qū)小、焊接變形小、熱輸入均勻、能較好地控制線能量等優(yōu)點。焊接采用氬氣保護，保護氣流具有冷卻作用，可降低熔池表面溫度，提高熔池表面張力等。焊接過程采用上述焊接夾具，該夾具的應(yīng)用保證了焊縫兩側(cè)受力均勻，避免焊縫開裂、變形，減小了熱量輸入，從而減少焊接熱影響區(qū)[5-7]；同時減少了組對點焊工序，使施工效率大幅提高。

4.2 不銹鋼薄板焊接試驗評價

采用上述工藝對平臺擋風墻用不銹鋼薄板進行焊接，不銹鋼薄板焊接完畢后，待焊縫冷卻，而后撤除千斤頂，取出上壓胎，并抬出焊接完成的不銹鋼薄板放在平整的地方，由專業(yè)人員對焊縫進行檢驗，結(jié)果表明：焊縫平滑，焊紋均勻，焊縫背部無氧化、變形、錯口，不銹鋼板平整，無波浪彎曲出現(xiàn)，RT 拍片發(fā)現(xiàn)基本無晶間腐蝕。不銹鋼薄板焊后焊縫成型效果如圖2 所示。

圖2 焊縫成型圖片

4.3 夾具結(jié)構(gòu)的進一步改進及工程應(yīng)用效果

隨著不銹鋼薄板焊接作業(yè)的進行，發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)了上面微凹、背面微凸的現(xiàn)象，通過仔細察看焊接處的不銹鋼薄板邊緣，發(fā)現(xiàn)不銹鋼薄板邊緣本就存在由于工業(yè)剪裁而造成的微小弧面差異。由于不銹鋼薄板板材邊緣的兩個面不是齊平的，一面是圓邊的，另一面是有毛刺不光滑的，因此造成焊接自熔時熔池受到的作用力（包括電弧作用力、熔池金屬重力和熔池金屬表面張力） 不平衡。在焊接過程中隨著熔池和焊接熱量的增大，熔池金屬表面張力逐漸不能平衡電弧作用力和熔池金屬重力，這時熔池會下塌，弧面向下，因而出現(xiàn)上面微凹、背面微凸現(xiàn)象，所以焊接時一定要把有毛刺不光滑的表面作為焊接面[8]。

由于焊接的不銹鋼薄板是瓦楞板，所以無法將不銹鋼薄板翻個面，使有毛刺不光滑的表面作為焊接面，于是設(shè)計增加了一個縮小的下壓胎，長寬高為 2 200 mm × 200 mm × 60 mm，中間部分留出與下壓胎一樣的氬氣進口，遇見鋼板毛刺在背面時，就可以在下壓胎上放上這個縮小的下壓胎，然后把不銹鋼瓦楞板鋼板翻過來，再用上壓胎壓實，這樣就達到了毛刺面作為焊接面的效果。通過試驗，不光滑面作為焊接面，焊完后表面飽滿圓滑，焊縫沒有下凹現(xiàn)象，而另一面焊縫在電弧作用力和熔池金屬重力的作用下，焊縫向外凸起正好填平不銹鋼瓦楞板板材邊緣的圓邊，從而變平。通過試驗，按此方法焊接終于得到了飽滿圓滑、均勻一致的焊縫，焊縫美觀并呈金黃色。

采用上述焊接工藝和進一步改進的焊接夾具對海洋石油SZ36-1CEP 平臺擋風墻項目1 mm 厚的不銹鋼薄板進行焊接，焊后效果見圖3，實踐證明上述焊接夾具和焊接工藝實施效果良好。

圖3 海上平臺擋風墻

5 結(jié)束語

此套不銹鋼薄板焊接夾具的設(shè)計及應(yīng)用保證了1 mm 厚的平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接的質(zhì)量。由于該焊接夾具具有結(jié)構(gòu)簡單、容易操作等優(yōu)點，目前在類似工程項目的焊接中廣泛使用。