海洋鋼結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)焊接缺陷及變形控制淺析

鄔常保，張建山，陳海濤，于學(xué)軍

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

近年來(lái)，隨著海上項(xiàng)目的增多，我國(guó)海洋工程建設(shè)水平大幅提升，海洋平臺(tái)承載著現(xiàn)代人能源開(kāi)發(fā)等活動(dòng)，為了持續(xù)推進(jìn)海洋項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工作，需要結(jié)合具體項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，并完成建設(shè)。在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)工程中，焊接技術(shù)屬于關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)分析對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)，針對(duì)其中吊點(diǎn)焊接問(wèn)題展開(kāi)研究。

1 焊接在海洋鋼平臺(tái)中的應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 海洋鋼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

海洋鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)應(yīng)用的主要原材料是低碳鋼與低合金鋼，往往需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作條件與項(xiàng)目具體要求來(lái)選擇材料與搭建方式，確保所用的鋼材料能夠達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，滿足應(yīng)用要求。海洋結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度等級(jí)包括500MPa、420MPa、400MPa幾個(gè)等級(jí)，厚度大多在10mm至15mm之間，次鋼結(jié)構(gòu)使用的鋼材屈服強(qiáng)度等級(jí)偏低，235MPa等級(jí)的鋼材就可滿足。針對(duì)自升型鉆井船樁腿，應(yīng)選用高強(qiáng)鋼[1-3]。

海洋鋼結(jié)構(gòu)在鉆探海上油氣資源的活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，使用鉆探設(shè)備需要有自升鉆井平臺(tái)以及半潛式鉆井平臺(tái)提供支持，開(kāi)采設(shè)備需要的平臺(tái)包括固定化導(dǎo)管架系統(tǒng)、順應(yīng)塔平臺(tái)與立柱式平臺(tái)等。自升式鉆井平臺(tái)通過(guò)柱腿被固定到海床上，并起到支撐作用，將鉆井相關(guān)設(shè)施直接設(shè)置到船體上，船體依靠齒輪與齒條嚙合活動(dòng)可在樁腿間上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同海上環(huán)境的鉆探需求。采用固定型導(dǎo)管架時(shí)，需利用打樁技術(shù)將其固定，平臺(tái)中的導(dǎo)管架能被用于支持其他結(jié)構(gòu)體系，承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的重量。選用不同的開(kāi)采設(shè)備與鉆探設(shè)備工作時(shí)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的需求也有所不同的，需結(jié)合具體情況進(jìn)行選用。

1.2 焊接技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

海洋鋼結(jié)構(gòu)與普通構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)不同，需要長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中，因此對(duì)于材料的強(qiáng)度與質(zhì)量往往有更嚴(yán)格的要求。焊接作為鋼結(jié)構(gòu)施工中的關(guān)鍵技術(shù)，更要得到重視，確保焊接能符合綜合性能要求。次要結(jié)構(gòu)中大多運(yùn)用低碳鋼，具體多為正火與熱軋的高強(qiáng)度鋼與高強(qiáng)度低碳調(diào)質(zhì)鋼，所使用的鋼材料性能與化學(xué)成分都應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，施工過(guò)程中，必須按照焊接技術(shù)要求施工，以達(dá)到較高的焊接質(zhì)量。完成焊接活動(dòng)后，鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位會(huì)保留一定的剩余熱應(yīng)力，應(yīng)及時(shí)予以熱處理，以減輕熱應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)綜合穩(wěn)定性造成的負(fù)面影響。

2 海洋鋼結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)的焊接缺陷

焊接缺陷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響極大，如果不處理焊接缺陷，將其長(zhǎng)期留存到鋼結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)于給鋼結(jié)構(gòu)埋下隱患，因此不僅要消除已有的焊接缺陷，同時(shí)還必須在施工階段就進(jìn)行有效預(yù)防，尤其是要關(guān)注吊點(diǎn)等重要部位，降低焊接風(fēng)險(xiǎn)，依照施工要求合理應(yīng)用焊接技術(shù)與設(shè)備，減少甚至消除鋼結(jié)構(gòu)上的焊接隱患?，F(xiàn)列舉常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)相關(guān)的焊接缺陷，并分析如何進(jìn)行預(yù)防與正確應(yīng)對(duì)。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的原因

吊點(diǎn)大多屬于全位置焊縫，仰焊、立焊、橫焊以及平焊等主要位置均存在吊點(diǎn)。部分焊縫接近仰焊與橫焊，但又不完全是仰焊或者橫焊，操作控制難度較高。實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)施工中，受位置與板厚等因素的影響，吊點(diǎn)焊接極易出現(xiàn)缺陷，常見(jiàn)缺陷包括未熔合與夾渣等，也有出現(xiàn)裂紋的可能性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量造成直接影響，基于吊點(diǎn)的重要性，必須了解常見(jiàn)吊點(diǎn)焊接缺陷，做好預(yù)防焊接缺陷與應(yīng)對(duì)焊接缺陷的準(zhǔn)備工作。

焊接缺陷，尤其是吊點(diǎn)的焊接缺陷大多是因?yàn)槭┕げ灰?guī)范導(dǎo)致的，因此要控制缺陷必須要求施工參與者嚴(yán)格按照參數(shù)要求進(jìn)行焊接施工，但是也不能忽視一些特定位置，即使工藝選擇與操作過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題，但受到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，還是有較大概率產(chǎn)生缺陷，如未熔合與夾渣。重視關(guān)鍵位置是極為必要的，如不符合標(biāo)準(zhǔn)的位置以及筋板相對(duì)密集的區(qū)域要重點(diǎn)關(guān)注[4]。

2.2 咬邊缺陷

蓋面焊道是咬邊缺陷主要發(fā)生的區(qū)域，出現(xiàn)率極高，如果不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與考察，就會(huì)忽視這種缺陷。當(dāng)產(chǎn)生咬邊缺陷后，接頭處的疲勞強(qiáng)度將隨之降低，如果處理不及時(shí)，就會(huì)給海洋鋼結(jié)構(gòu)造成重大隱患。分析咬邊缺陷后，發(fā)現(xiàn)其形成原因包括焊接速度快、選擇電流大、參數(shù)不符合實(shí)際情況等，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)充分?jǐn)[動(dòng)，最終導(dǎo)致弧坑不能被有效填滿。

在應(yīng)對(duì)咬邊缺陷時(shí)，需要強(qiáng)化操作人員的責(zé)任心，開(kāi)展規(guī)范的焊接操作，確定適合的焊接角度，選擇適合的弧長(zhǎng)并進(jìn)行充分?jǐn)[動(dòng)，以此來(lái)消除咬邊缺陷。當(dāng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)輕微程度的咬邊缺陷，可通過(guò)打磨使其恢復(fù)平滑，如果咬邊缺陷已經(jīng)發(fā)展得較為嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)將焊道磨掉，重新進(jìn)行補(bǔ)焊。

2.3 裂紋缺陷

海洋鋼結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)度最高的缺陷就是裂紋缺陷，不能使吊點(diǎn)處產(chǎn)生裂紋。常見(jiàn)的裂紋主要包括冷裂紋與熱裂紋，應(yīng)結(jié)合形成原因?qū)ζ溥M(jìn)行有效預(yù)防。施工中較為常見(jiàn)的多是冷裂紋，如果焊接拘束度過(guò)大或者預(yù)熱溫度過(guò)低就容易使吊點(diǎn)處出現(xiàn)冷裂紋，而焊材受潮后，會(huì)有氫氣進(jìn)入到焊道中，同樣也能引發(fā)裂紋。

控制裂紋時(shí)，首先要關(guān)注預(yù)熱溫度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，焊道全部方向上大于厚度的區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)際溫度都必須達(dá)標(biāo)；焊接不能出現(xiàn)中斷情況，層間溫度應(yīng)高于預(yù)熱溫度；如果需要在濕度過(guò)高的環(huán)境中進(jìn)行施工，應(yīng)當(dāng)針對(duì)局部部位進(jìn)行干燥處理，給吊點(diǎn)焊接創(chuàng)造良好的實(shí)施條件；注重清理焊道，將表面區(qū)域的鐵銹油污去除，以此保護(hù)焊材免于受潮；焊接后需要讓焊道以較為緩慢的速度進(jìn)入冷卻狀態(tài)，不能直接暴露到外部環(huán)境中，當(dāng)溫度逐步降低后，再將加熱片去除。

2.4 氣孔缺陷

焊接吊點(diǎn)部位時(shí)，在特定條件下也會(huì)出現(xiàn)氣孔缺陷，但是出現(xiàn)概率比其他常見(jiàn)缺陷要低。預(yù)防氣孔缺陷時(shí)，需要清理焊材與母材，將鐵銹與油污去除，對(duì)保護(hù)氣展開(kāi)檢查，確保氣壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，按照要求管理及應(yīng)用焊材，遭遇大風(fēng)天氣時(shí)，需要對(duì)焊材進(jìn)行特別保護(hù)。

2.5 未熔合缺陷

在筋板相對(duì)密集的區(qū)域更容易出現(xiàn)未熔合缺陷，且這種缺陷容易受到位置因素的限制，形成原因主要有以下兩種：首先可能是由于采用的焊接規(guī)范不適用施工的情況，使電弧過(guò)長(zhǎng)或過(guò)小，坡口角度偏小，鈍邊大或者間隙狹窄；另外一方面是由于操作方法錯(cuò)誤，如焊條擺幅不合適、電弧產(chǎn)生偏吹、焊條角度偏離標(biāo)準(zhǔn)值或者運(yùn)條速度太快等。大部分未熔合缺陷都處于位置受限的焊縫上，形成這一缺陷后，返修難度高，因此在施工環(huán)節(jié)就應(yīng)對(duì)這一缺陷進(jìn)行預(yù)防，盡量減少未熔合缺陷，以免影響鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。未熔合缺陷見(jiàn)圖1。

圖1 未熔合缺陷

施工前要充分考慮實(shí)際的施工情況，選擇運(yùn)用最合適的焊接規(guī)范，確保焊接速度、電弧電壓以及焊接電流都能滿足吊點(diǎn)焊接應(yīng)用需求。選擇合適的對(duì)口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，將焊層間與坡口兩側(cè)的污物與熔渣清除干凈；在運(yùn)條時(shí)，可通過(guò)調(diào)整焊條角度來(lái)形成均勻的熔合效果，并實(shí)現(xiàn)熔透；實(shí)際進(jìn)行焊接前，可先對(duì)運(yùn)條情況進(jìn)行模擬，找出會(huì)受影響的部位，做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備，徹底消除未熔合問(wèn)題。

2.6 夾渣缺陷

夾渣缺陷多在仰焊部位，同樣存在位置受限的情況，受到焊接位置的限制，熔池很難完全鋪開(kāi)，如果沒(méi)有精準(zhǔn)地調(diào)整形成合適的參數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生溝槽，進(jìn)而使吊點(diǎn)處形成夾渣。當(dāng)母材的清潔沒(méi)有做好時(shí)，焊材也會(huì)受到外部污染，出現(xiàn)夾渣問(wèn)題。結(jié)合夾渣情況形成的原因，應(yīng)在吊點(diǎn)焊接的規(guī)定范圍內(nèi)，選出合理的工藝參數(shù)，使熔池得以正常鋪開(kāi)，既不會(huì)起溝，也不會(huì)起棱。將前層焊渣徹底清除，發(fā)現(xiàn)棱溝后，可啟動(dòng)砂輪機(jī)實(shí)施打磨，直至平滑為止。調(diào)整焊接手法，對(duì)擺動(dòng)變化進(jìn)行控制，保持合理的電弧長(zhǎng)度，通過(guò)電弧來(lái)帶動(dòng)熔池在指定位置正常展開(kāi)。

3 海洋鋼結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)變形控制建議

3.1 吊點(diǎn)變形問(wèn)題

焊接變形是鋼結(jié)構(gòu)焊接活動(dòng)中比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，會(huì)影響尺寸，形成誤差。如果焊縫區(qū)域進(jìn)入冷卻狀態(tài)后，形成收縮，焊件隨之出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)焊件的剛度無(wú)法對(duì)焊縫區(qū)域施加的收縮力進(jìn)行有效克服時(shí)，焊件將出現(xiàn)變形的問(wèn)題。在開(kāi)展海上鋼結(jié)構(gòu)安裝工作時(shí)，以吊點(diǎn)為受力點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)中處于關(guān)鍵位置。吊點(diǎn)由筋板、加強(qiáng)環(huán)與主吊點(diǎn)共同組成，厚度往往超過(guò)80mm，選擇K型坡口的比較多，工藝則選用FCAW-G，應(yīng)用DW-A55L焊材，可省略焊后熱處理的環(huán)節(jié)。主要焊縫包括主吊點(diǎn)與加強(qiáng)環(huán)焊接、立柱與加強(qiáng)環(huán)焊接、加強(qiáng)環(huán)本身焊接、立柱與主吊點(diǎn)焊接。焊縫較為集中，焊后變形幅度大，控制難度偏高。在吊點(diǎn)焊接時(shí)，受焊縫集中、位置受限以及板材偏厚等因素影響，出現(xiàn)缺陷與變形的可能性極大，如果不控制吊點(diǎn)的問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也無(wú)法保障，安裝導(dǎo)管架與組塊時(shí)的危險(xiǎn)性也會(huì)增強(qiáng)[5]。

3.2 反變形與對(duì)稱焊接

采用對(duì)稱焊接的方式可解決吊點(diǎn)的變形問(wèn)題，將組對(duì)步驟提前進(jìn)行，先對(duì)加強(qiáng)環(huán)與吊點(diǎn)進(jìn)行組對(duì)，再進(jìn)行點(diǎn)焊固定，最后實(shí)施焊接，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的控制，結(jié)合結(jié)構(gòu)形式完成對(duì)稱焊接，兩邊產(chǎn)生的變形量可相互抵消。吊點(diǎn)焊接中有部分為單面式的焊坡口，這種條件下無(wú)法運(yùn)用對(duì)稱焊接技術(shù)，可將筋板設(shè)置到反面實(shí)施強(qiáng)力固定，當(dāng)約束力過(guò)強(qiáng)時(shí)，接頭處集中了較大的應(yīng)力，會(huì)引發(fā)裂紋缺陷，因此面對(duì)單面焊形式的坡口時(shí)，可采用反變形技術(shù)應(yīng)對(duì)變形，同樣也有良好的抵抗變形效果。

3.3 形成正確的焊接順序

當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受熱不均時(shí)，也會(huì)發(fā)生形變，針對(duì)因受熱不均而導(dǎo)致的變形問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整焊接順序，可減輕變形影響。先對(duì)導(dǎo)管立柱與主吊點(diǎn)的焊縫進(jìn)行焊接，考慮此焊縫是否屬于受力焊縫，在未形成一體化吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系時(shí)先完成焊接，使其得以自由地變形、收縮，減少內(nèi)部應(yīng)力，由于其為K型坡口，所以選擇同時(shí)在兩邊施焊可獲得更好的防變形效果。對(duì)導(dǎo)管架與加強(qiáng)環(huán)的環(huán)縫進(jìn)行焊接，這些環(huán)縫往往用于固定起吊點(diǎn)，實(shí)際填充量很大，加強(qiáng)環(huán)所具有的相對(duì)面積也很大，因此當(dāng)加強(qiáng)環(huán)變形后，吊點(diǎn)也會(huì)隨之出現(xiàn)變形的情況，應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)稱焊接技術(shù)，同時(shí)調(diào)小焊接參數(shù)。

3.4 有效把控層間溫度與熱輸入

受熱不均是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)焊縫變形的主要原因之一，熱輸入較大的區(qū)域受熱問(wèn)題更為嚴(yán)重，構(gòu)件也會(huì)偏向受熱較大的區(qū)域。當(dāng)施工中已經(jīng)出現(xiàn)變形的問(wèn)題時(shí)，可結(jié)合變形方向改變焊道的熱輸入，降低熱輸入數(shù)值，也可在焊道溫度降低到一定程度后再進(jìn)行焊接，縮小變形幅度，減少變形給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。

4 結(jié)論

海洋鋼結(jié)構(gòu)受作業(yè)環(huán)境與工藝要求的影響，建設(shè)難度極高，本文主要從吊點(diǎn)焊接的角度展開(kāi)研究，列舉了常見(jiàn)的焊接缺陷，并針對(duì)每一種焊接缺陷提出了應(yīng)對(duì)方法，結(jié)合變形問(wèn)題，提出控制層間溫度、采用對(duì)稱焊接以及調(diào)整焊接順序等建議。焊接人員在完成海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接，尤其是吊點(diǎn)焊接時(shí)，必須保證按照施工規(guī)范操作，以實(shí)際焊接條件為準(zhǔn)正確處理焊接任務(wù)，消除缺陷與變形等不良焊接情況，給海上鋼結(jié)構(gòu)提供更優(yōu)質(zhì)的焊接。