海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接橫向裂紋產(chǎn)生原因及控制措施探討

劉俊陽

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200335

引言

在海洋工程施工中，鋼結(jié)構(gòu)作為一種強(qiáng)度較高、承受荷載能力較好的結(jié)構(gòu)，它有著諸多的優(yōu)勢，在海洋工程中應(yīng)用廣泛。對于鋼結(jié)構(gòu)的連接方式，常見的有三種：焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接。其中在焊接連接施工中，由于焊接施工工藝控制不到位，很容易導(dǎo)致焊接橫向裂紋，影響了焊接連接效果，降低了鋼結(jié)構(gòu)的整體性，是海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量缺陷之一。為了提升海洋工程鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，本文深入分析了鋼結(jié)構(gòu)焊接的橫向裂紋產(chǎn)生原因及有效的控制措施。

1 海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接橫向裂紋及其產(chǎn)生原因

在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中，常見的焊接橫向裂紋有熱裂紋、冷裂紋和層狀撕裂裂紋，這幾種裂紋的產(chǎn)生原因各不相同，焊接裂紋都是鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量隱患，一定要深入分析其產(chǎn)生原因，并采取有效的措施控制好焊接施工質(zhì)量，消除焊接橫向裂紋。

（1）熱裂紋。在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接施工過程中，如果焊接施工時的溫度較高，那么可能會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接連接處出現(xiàn)橫向裂紋，這種裂紋由焊縫向周圍橫向延伸，有時會伴有氧化的色彩。導(dǎo)致熱裂紋的主要原因是在焊接施工時，鋼材中的有害元素硫和磷含量較高，在高溫度的焊接環(huán)境下，這些低熔點(diǎn)的有害物質(zhì)形成了晶體物質(zhì)，晶體物質(zhì)滲入了鋼結(jié)構(gòu)的焊縫中，影響了焊縫的通透性，最終形成一層晶體薄膜使得焊接位置出現(xiàn)橫向裂縫，在后期鋼結(jié)構(gòu)使用中受到拉力作用時，會使得焊縫處出現(xiàn)裂紋，使得鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷[1]。

（2）冷裂紋。在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接施工時，鋼材在高溫焊槍作用下，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，接頭會慢慢融合在一起，但是如果焊接材料中氫元素含量較高，會使得焊接時出現(xiàn)氫溶解，這樣會導(dǎo)致焊接位置出現(xiàn)冷裂紋。冷裂紋的表現(xiàn)特點(diǎn)就是它是在后期的使用中產(chǎn)生的，在焊接施工進(jìn)行質(zhì)量檢查時，無法發(fā)現(xiàn)，在后期使用中出現(xiàn)裂縫嚴(yán)重地降低了鋼結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度，有著較大的安全隱患。

在焊接施工時，焊接材料和接頭處的氫含量過高是引發(fā)冷裂紋的主要原因。由于焊接過程中會出現(xiàn)氫溶解，等到焊接結(jié)束后，多余的氫就會釋放，在釋放的過程中可能部分氫進(jìn)入了鋼材內(nèi)部，這樣會導(dǎo)致焊接接頭的位置出現(xiàn)壓力。在一段時間的冷卻作用下，會逐漸使得焊接裂紋變大。所以，焊接過程中氫元素的含量會造成焊接冷裂紋，一定要控制好焊接材料氫元素的含量，消除焊接冷裂紋。

（3）層狀撕裂裂紋。層狀撕裂的產(chǎn)生主要分為兩種，其中一種是裂點(diǎn)出現(xiàn)的位置在焊縫的根部或腳趾，接著由根部向四周延伸。還有一種是焊熱區(qū)的分布，主要是焊接過程中出現(xiàn)的收縮應(yīng)力造成很強(qiáng)的拉伸，使非金屬雜物擴(kuò)散形成的。在鋼材料的選擇時，要選擇合適的材料，其中對于一些不合格的材料應(yīng)當(dāng)摒棄，比如雜志含量過多的鋼材料，這種材料在焊接過程中會發(fā)生應(yīng)力，極易導(dǎo)致開裂的產(chǎn)生。層狀撕裂裂紋對于鋼結(jié)構(gòu)連接處的危害較大，在外界應(yīng)力的作用下，可能會導(dǎo)致焊縫脫落結(jié)構(gòu)斷裂，所以一定要嚴(yán)格控制焊接施工質(zhì)量，消除此類裂紋質(zhì)量問題。

2 海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接橫向裂紋的控制措施

結(jié)合上文中提到的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中的橫向裂紋特性及其產(chǎn)生原因，我們要結(jié)合其產(chǎn)生原因從源頭上采取有效的控制措施來避免焊接裂紋的產(chǎn)生，這樣可以消除焊接質(zhì)量問題，提升鋼結(jié)構(gòu)焊接施工質(zhì)量，下文具體介紹了這三種橫向裂紋的控制措施：

（1）熱裂紋的控制措施。一般我們要求鋼結(jié)構(gòu)中有害元素的含量要控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，由于有害硫和磷元素會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接熱裂紋，所以要嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)原材料質(zhì)量，控制雜質(zhì)的含量。在焊接施工時，為了避免局部位置溫度過高造成質(zhì)量缺陷，要避免受熱不均，提高預(yù)熱溫度，有效控制熱裂紋的產(chǎn)生[2]。

（2）冷裂紋的控制措施。由于冷裂紋的危害性較大，在鋼結(jié)構(gòu)后期的使用過程中出現(xiàn)裂紋，影響結(jié)構(gòu)安全性。所以一定要采取有效措施控制冷裂紋的產(chǎn)生。在選用焊接材料時，要選用含氫元素低的材料，并且要完善焊接的操作工藝，控制好溫度變化對于焊接作業(yè)質(zhì)量的影響。

（3）層狀撕裂的控制措施。在選用鋼材料時，不僅需要選用抗冷裂性能好的鋼材，而且鋼材還應(yīng)當(dāng)具有抗層狀撕裂性能。在焊接過程中，需要注意的是，對焊接的接頭的合理性設(shè)計，并注重焊接過程中的預(yù)熱環(huán)節(jié)，以此防止不必要的應(yīng)力現(xiàn)象。

3 常規(guī)裂紋產(chǎn)生解決方案

2018年東部某井口平臺上層甲板部分梁損壞，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)，修復(fù)方案采用切除現(xiàn)有損壞梁，對現(xiàn)有梁進(jìn)行打磨，安裝替換的新梁方案，新梁預(yù)制完畢后需要運(yùn)輸?shù)胶Ｉ虾附影惭b，由于是現(xiàn)場施工，在現(xiàn)場檢驗(yàn)沒有焊接缺陷，在2019年檢查發(fā)現(xiàn)部分位置產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過分析確認(rèn)為焊接質(zhì)量缺陷[3]。由于裂紋影響鋼構(gòu)壽命，因此對結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行切割打磨補(bǔ)焊解決問題。

4 結(jié)束語

綜上所述，在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)焊接工作是常見的連接方式，鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工質(zhì)量直接影響著整體的項(xiàng)目質(zhì)量，所以針對焊接施工中經(jīng)常出現(xiàn)的橫向裂紋質(zhì)量問題，要深入分析產(chǎn)生原因，并采取有效的措施加以控制，消除焊接質(zhì)量問題，替身鋼結(jié)構(gòu)的連接穩(wěn)定性，從而提升整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，促進(jìn)我國海洋工程鋼結(jié)構(gòu)施工水平的提升，促進(jìn)我國海洋建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。