海洋石油工程焊接變形控制要點探討

任宏斌，邢媛，劉淑艷，馬紅旗，葛剛，朱穎

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461）

陵水17-2氣田開發(fā)工程項目是世界上首個萬噸級儲氣半潛平臺，也是目前世界上最大柱穩(wěn)式半潛平臺，其作業(yè)區(qū)域位于中國南海海域，海況環(huán)境惡劣，有30年不進塢的設(shè)計要求，其船體和上部模塊部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分段多，焊接工作多，精度管控要求嚴(yán)苛。本文依托陵水17-2項目在建過程中的實際經(jīng)驗，分析和梳理焊接變形控制的原因、控制要點，為后續(xù)類似半潛式油氣生產(chǎn)平臺、浮式油氣生產(chǎn)裝置焊接變形控制提供參考和借鑒。

1 焊接變形的原因及主要類型

焊接時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力是導(dǎo)致變形的主要原因，焊接前配件組對安裝偏差及焊接過程中配件的相對位移是次要原因。

常見的焊接變形有：縱向收縮；橫向收縮；角變形；弓型變形和盤型變形；翅曲，如圖1。

圖1

2 影響變形的因素

實際生產(chǎn)中，焊接位置局部被瞬間加熱，產(chǎn)生的高溫熔融狀態(tài)與周邊金屬狀態(tài)溫度差異很大，產(chǎn)生強于母材屈服強度的應(yīng)力，因此產(chǎn)生焊接變形。

影響焊接變形的主要因素有：（1）母材本身的性能；（2）焊接件是否被拘束；（3）焊接接頭坡口類型設(shè)計；（4）焊接組對；（5）焊接工藝。

（1）母材本身的性能

母材性能中，熱膨脹系數(shù)及單位體積比熱容將影響變形。母材本身的熔點高低、冷凝性、熱固性等也對變形有重要影響。

（2）焊接件是否被拘束

焊接時，焊接件處于自由狀態(tài)，焊接應(yīng)力將通過自由變形釋放。如被拘束，自由變形動作將受到外力影響變小或者不發(fā)生變形。

（3）焊接接頭坡口類型設(shè)計

在設(shè)計時，各類型的焊接坡口都可能被選用，但對稱坡口類型能夠有效地減小和控制變形?；诖?，雙面坡口優(yōu)于單邊坡口，X型坡口優(yōu)于單V型坡口，應(yīng)被優(yōu)先選用。在具備條件的情況下，母材壁厚較大時，應(yīng)盡可能地開雙面坡口并從雙面進行施焊。

（4）焊件組對

組對坡口應(yīng)盡可能保持規(guī)整一致，坡口精度和一致性便于提高組對質(zhì)量，可根據(jù)焊接實驗得知的恒定的可預(yù)見的收縮來預(yù)測焊接成果。另外，接頭的間隙越大，板厚越厚、焊接填充量就越大，變形發(fā)生的幾率及變形量就越大，反正亦然。焊接接頭須定位牢固，避免在焊接過程中出現(xiàn)相對移動。如果能保證整體焊道的坡口間隙、鈍邊、坡口角度幾乎相同，則可在一定程度上保證不同位置有相同的焊接填充量，因而能夠減少因收縮不同引起的變形。

（5）焊接工藝

在海洋石油工程領(lǐng)域，焊接工藝的質(zhì)量和速度均是通過驗證和批準(zhǔn)的。首選的焊接方法應(yīng)是具有能量密度高且穩(wěn)定的熱源，使用正確的焊接材料、正確的焊接參數(shù)。如電流、電壓和焊接速度，以不超過熱輸入的限制。

未經(jīng)驗證的焊接工藝將對焊接變形產(chǎn)生不可估量的后果。

3 控制焊接變形的方法和措施

3.1 設(shè)計階段

設(shè)計階段應(yīng)考量及采取多種反變形措施，可以從以下幾點出發(fā)：①減少或避免焊接；②焊縫位置的選擇；③減少焊接填充量；④使用平衡焊接法；⑤進行焊接實驗，提前驗證焊接收縮量；⑥指導(dǎo)施焊順序；⑦預(yù)留焊接收縮量。

①避免或減少焊接

焊接必然會造成變形和收縮。因此使用成型板材或標(biāo)準(zhǔn)的滾軋截面可以有效較少焊接，也避免了造成變形。如必須進行焊接，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，使用間斷焊接替代連續(xù)焊接，使用加強筋板以減少焊接工作量等方法應(yīng)在考慮范圍內(nèi)。

②焊縫位置的選擇

選取焊接位置時，選擇合適的焊接位置和采用對稱焊縫很重要，適宜的焊縫位置可以有效地減少焊接變形。焊縫越靠近工件的中間位置，焊接收縮越小，焊工的操作空間也越大，焊接質(zhì)量可控。

如操作可行，焊接應(yīng)從焊縫兩側(cè)交替進行，對于大型結(jié)構(gòu)物，如變形趨于一側(cè)，可以采取在另一側(cè)增加焊接量來抵消焊接變形。

③減少焊接填充量

對于單面焊的接頭，設(shè)置的焊縫橫截面應(yīng)盡可能地小，可以減少角變形。

在滿足焊接工藝要求的情況下，坡口角度和根部間隙應(yīng)盡可能地設(shè)置為最小值。焊接填充量則相對變小，變形程度可得到相應(yīng)的降低。

對于母材壁厚大的焊接，接頭位置坡口類型應(yīng)優(yōu)先選用X型坡口，因為X坡口所需焊接填充量僅為單V坡口的一半，并且可以采用兩側(cè)交替焊接的平衡焊法來減少變形。

由于焊接收縮與焊接填充量成正比，不當(dāng)選用的焊接位置、坡口類型及焊接過量都會增加變形發(fā)生的概率和增大變形發(fā)生的程度。結(jié)構(gòu)強度基于焊縫厚度進行設(shè)計和判別的，過量焊接的凸起焊道不能加強結(jié)構(gòu)強度，只會引發(fā)結(jié)構(gòu)變形。

④減少焊道的次數(shù)

對于焊接固定體積的焊縫，有兩種相反的觀點。一種認(rèn)為，焊道越少越好，每道焊道盡多的填充焊縫金屬。另一觀點認(rèn)為進行多道焊道填充，每一道次只焊入少量的焊縫金屬。

實際經(jīng)驗表明，對于對接焊縫或角焊縫，焊接變形量與焊接單道填充量及焊接道次均成正比。在嚴(yán)格控制電流、電壓、焊接速度等熱輸入要素的情況下，采用單道少量填充，適當(dāng)焊接中斷冷卻，進行多道次焊接的方法是減少焊接變形的優(yōu)選方式。

⑤使用平衡焊法

對于X型坡口焊縫，兩側(cè)交替焊接使變形相互抵消的平衡焊法是控制變形的有效方法。圖2比較了兩種焊法所造成的角度變形：一種是交替焊接的平衡法，一種是優(yōu)先焊完一側(cè)。平衡焊法也可以用于角焊縫。

圖2

如受工況環(huán)境影響必須首先完成一側(cè)焊道的焊接，可采用不對稱X接頭坡口型式，將優(yōu)先焊一側(cè)設(shè)計成焊接填充量較小的坡口，后焊一側(cè)設(shè)計成填充量較大坡口，利用后焊產(chǎn)生的較大的收縮量來抵消焊先焊一側(cè)焊接時已產(chǎn)生的變形。

⑥指導(dǎo)焊接順序

采用合理的焊接順序是減少和控制變形的方法之一，以下幾項原則須遵守：

板和結(jié)構(gòu)物之間的焊接：先焊板之間的對焊，再焊結(jié)構(gòu)物之間的對焊，最后焊結(jié)構(gòu)物和板之間的填角焊。

結(jié)構(gòu)物之間焊接或結(jié)構(gòu)物與甲板、墻皮之間的焊接應(yīng)先從中心開始，焊接須是對稱的，可采用跳焊和分段退焊。

在構(gòu)件上焊接時通常的行進方向，必須是從部件彼此間相對固定處朝向具有更大的相對運動自由度之處。

組裝時，應(yīng)該先焊會產(chǎn)生較大收縮量，后焊收縮量較小的接頭。還應(yīng)該在盡可能小的拘束下焊接。

⑦預(yù)留焊接收縮量

根據(jù)已有焊接經(jīng)驗及焊接實驗數(shù)據(jù)，提前將焊接收縮量、收縮角度預(yù)留，有效利用可預(yù)見的變形，將變形量將正好被預(yù)留量抵消，以獲取優(yōu)良的焊接效果及整體的尺寸控制。

圖3

3.2 實施階段

①預(yù)先反變形

焊接前，預(yù)先對組件進行反方向的物理變形，用以抵消焊接產(chǎn)生的收縮量，是控制焊接變形的一種方法。

卷管預(yù)制時，縱縫兩側(cè)易形成尖嘴狀，縱縫焊接收縮不足抵消尖嘴，需在鋼板卷制前對縱縫兩側(cè)預(yù)壓變形（壓頭），以保證焊接完成后管子的整體橢圓度，這是預(yù)先反變形方法在海油工程領(lǐng)域的一種變型應(yīng)用。

②定位焊

定位焊是保證接頭坡口間隙的一個常用方法，它在控制坡口間隙的同時抵御橫向收縮。使用定位焊時，需要按照已獲批準(zhǔn)的焊接工藝要求確保定位焊的數(shù)量、長度及間距。

③使用固定裝置

預(yù)留焊接收縮量和焊件預(yù)先反變形都需要有豐富的施工、焊接經(jīng)驗或進行預(yù)先焊接實驗，操作難度較大，變形控制效果不穩(wěn)定。使用固定馬排、夾具等固定裝置，因其效果統(tǒng)一、可控，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的使用。

④母材補強措施

在焊接薄板結(jié)構(gòu)時，對接焊縫的縱向收縮容易造成弓型，為此需要采取措施對母材在縱向上的結(jié)構(gòu)強度進行補強處理，使其能夠抵消縱向的收縮應(yīng)力。常用做法是將角鋼沿著焊縫方向在一側(cè)提前進行焊接（如圖4）。母材結(jié)構(gòu)補強的位置很重要，強化位置距離焊道需留有足夠的距離，避免熱影響區(qū)相互重疊。

圖4

④重塊壓載法

在焊接易變形的大型結(jié)構(gòu)如甲板片、飛機甲板時，在易變形、翹曲位置利用大型水泥塊、金屬塊自身的重量來抵消密集焊接工作導(dǎo)致的整體變形。采用重塊壓載法時應(yīng)注意下方支撐的負(fù)載情況。

4 結(jié)語

本文通過對海洋石油工程領(lǐng)域焊接變形控制原因、控制措施進行了分析和研究，結(jié)合現(xiàn)場工作經(jīng)驗，給出了指導(dǎo)做法，通過現(xiàn)場實踐驗證了可行性，有助于海洋石油工程領(lǐng)域特別是半潛式油氣生產(chǎn)平臺、浮式油氣生產(chǎn)裝置的焊接變形控制，由于提高了管理的精度，對其它項目控制焊接變形，最終順利完成了項目任務(wù)。