小角度焊縫在海洋工程中的應用及要點控制

叢軍， 李軍

(1.中石化勝利海上石油工程技術檢驗有限公司,山東 東營 257000; 2.中國船級社青島分社,山東 青島 266000)

0 前言

小角度焊縫在海洋工程管材結(jié)構(gòu)的TKY節(jié)點中廣泛存在，幾乎每根斜拉筋的焊縫都會存在不同數(shù)量的小角度焊縫[1]。在海洋平臺建造過程中，尤其是固定平臺的導管架及上部組塊結(jié)構(gòu)設計中，小角度焊縫及其焊接不可避免。管材結(jié)構(gòu)的TKY節(jié)點焊縫對整個海洋工程結(jié)構(gòu)極其重要，而小角度焊縫是其中的薄弱環(huán)節(jié)，也是極易忽視的部位[2]。目前對小角度焊縫及其焊接，國內(nèi)主要采用AWS D1.1/1.1W: 2010[3]等相關規(guī)范，但因小角度往往只存在于完整焊縫中的某一段，使得作業(yè)者和檢驗者在對其執(zhí)行過程中往往容易對其忽視；加上其在執(zhí)行過程中的復雜性和大家對規(guī)范理解的片面性，也導致目前各場地對小角度焊縫的執(zhí)行很不規(guī)范。隨著中國海洋工程逐步走向深水，各種技術挑戰(zhàn)隨之而來，保持良好的質(zhì)量體系和任何環(huán)節(jié)及細節(jié)的規(guī)范施工，對項目質(zhì)量及安全至關重要。

針對日常容易被忽視的小角度焊接問題，需要引起足夠的重視。有必要對其規(guī)范認識、技術要求、關鍵點控制等方面進行分析描述，以期加深大家對小角度焊接工藝的全面了解，同時也達到相互學習、交流和提高的目的。

1 小角度焊縫簡介

目前，國內(nèi)海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接中針對小角度焊縫的執(zhí)行過程，主要依據(jù)AWS D1.1/1.1M規(guī)范相關條款要求。其主要針對管材結(jié)構(gòu)TKY節(jié)點(見圖1a)中二面角Ψ<30°或坡口角度φ<30°的全熔透焊縫(以下簡稱CJP)。目前大家對二面角Ψ<30°的CJP焊縫視為小角度焊縫普遍認同，對于坡口角度φ<30°的CJP焊縫缺乏認識，現(xiàn)場應用時應予以關注。二面角Ψ焊縫通常由2個桿件的外壁組合而成，如圖1c[3]所示；坡口角度φ如圖1b[3]所示。另外，規(guī)范指出：除了管材結(jié)構(gòu)，在傳遞施加力方面，嚴禁將熔敷坡口角度φ<30°的焊縫作為有效焊縫。

圖1 小角度焊縫

2 小角度焊縫應用范圍

小角度焊縫主要針對管狀結(jié)構(gòu)，在海洋工程中則常見于導管架及上部組塊的管狀結(jié)構(gòu)，尤其是TKY節(jié)點處。在海上固定平臺建造時，平臺主結(jié)構(gòu)多數(shù)采用TKY節(jié)點形式的鋼制管材結(jié)構(gòu)，其連接方式以焊接為主。這種結(jié)構(gòu)形式，二面角Ψ形式的小角度焊縫類型出現(xiàn)的概率較低，一般常出現(xiàn)在南海區(qū)域作業(yè)水深較大的導管架和組塊結(jié)構(gòu)上，對于水深較淺的渤海灣海域較為少見；但坡口角度φ<30°的焊縫類型，不論深水和淺水區(qū)域，其出現(xiàn)的概率都較大。如圖1a示，當二面角Ψ<30°時，小角度焊縫主要集中在TKY節(jié)點的D區(qū)；而當導管架和上部組塊斜拉筋二面角Ψ<45°時，C區(qū)和D區(qū)則有可能會出現(xiàn)坡口角度φ<30°的小角度焊縫。

二面角Ψ形成的小角度數(shù)量較少，而由坡口角度φ產(chǎn)生的小角度幾乎在每個導管架和上部組塊中都會存在。因之前大家對于小角度焊縫的理解，多停留在二面角Ψ結(jié)構(gòu)形式上；對坡口角度φ<30°的焊縫容易被忽視且通常不認為是小角度，導致很多節(jié)點焊接未按照規(guī)范要求執(zhí)行，現(xiàn)場應用時應引起足夠關注。

3 執(zhí)行規(guī)范時的關注點

從規(guī)范角度，小角度焊接需要關注如下方面：①焊接工藝評定制作；②焊工資質(zhì)認可；③初始坡口寬度W及完工焊縫tw。

3.1 焊接工藝評定制作

現(xiàn)場執(zhí)行的CJP管材結(jié)構(gòu)坡口焊縫，當其焊接工藝規(guī)程不符合免除評定條件的要求時，對無襯墊且僅從一面焊接的二面角Ψ<30°或坡口角度φ<30°的TKY節(jié)點必須按照如下要求進行重新評定焊接工藝：①在TKY焊評試件的基礎上，需額外再制備1個最大坡口深度和最小坡口角度φ的組合接頭，或制作1個按照實際使用的坡口基本參數(shù)模型的接頭；②該接頭施焊位置應為立焊位置；③該試樣需截取3個宏觀腐蝕斷面。

對于試樣，應選取同材質(zhì)或能被覆蓋到的材料。其制作要求如圖2[3]所示：①母板長寬至少200 mm× 200 mm，板厚不小于25 mm；②支板長寬至少200 mm×150 mm，板厚不小于16 mm；③母板與支板之間二面角Ψ至少應為15°或需要評定構(gòu)建的最小角度；④試件制作時，其裝配間隙或根部間隙不予以考慮，可零件間隙裝配。宏觀腐蝕斷面切取3個，其外觀檢驗及測試應滿足如下要求：①無裂紋；②焊縫金屬中相鄰的各層之間和焊縫金屬和母材之間完全熔合：③焊縫剖面外形及咬邊應滿足AWS D1.1/1.1M規(guī)范的目檢合格判據(jù)；④對不小于1 mm的氣孔，累計嚴禁超過6 mm；⑤對于無聚集的夾渣，其最大尺寸總和嚴禁超過6 mm；⑥維氏硬度測試，硬度值不超過325 HV10。另外，焊接后宏觀腐蝕斷面評判時，其根部起始點的判斷將依據(jù)不同焊接方法的初始坡口寬度W進行確認；初始坡口寬度W之前的封底焊縫區(qū)域不作為有效焊縫，其中產(chǎn)生的缺陷將不予以考慮；完工焊縫tw(即理論上的完好焊縫長度)位置如圖2中詳圖A示。

圖2 小角度試板

3.2 焊工資質(zhì)

對于小角度焊接，焊工資質(zhì)需要單獨評定認可，即執(zhí)行小角度焊接的焊工在取得6GR的TKY節(jié)點焊工資質(zhì)外，還應單獨再取得小角度的焊工資質(zhì)。6GR焊工試驗文中不再贅述，重點對小角度的焊工考試及試驗進行描述。小角度焊縫焊工考試時，須滿足如下要求：①不論二面角Ψ<30°或坡口角度φ<30°的情況，均按照圖2所示進行試件制作；②焊接時取立焊位置；③宏觀腐蝕斷面的截取及評判均按照如上3.1章節(jié)要求執(zhí)行。

3.3 初始坡口寬度W及完工焊縫tw

焊接方法和坡口或二面角Ψ不同時，初始坡口寬度W要求也不同，詳見表1。該表適用于當二面角Ψ在30°～75°之間、坡口角度φ<30°的情況，或二面角Ψ<30°的情況。初始坡口寬度W用于計算完工焊縫tw的起點，起點之前的封底焊縫區(qū)域不作為有效焊縫，其產(chǎn)生的任何焊接缺陷不作為完工焊縫tw的判據(jù)。

表1 坡口角度或二面角下的初始坡口寬度 mm

當二面角Ψ在30°～75°之間且坡口角度φ<30°時，其完工焊縫長度要求：tb/sinΨ≤tw≤1.75tb(tb為支管壁厚)，這時焊縫坡口可能會出現(xiàn)坡口角度φ和二面角Ψ的組合形式，如圖3[3]所示，但無論如何，需要保持完工焊縫的最小長度tw；當二面角Ψ<30°時，完工焊縫tw≥2tb。

圖3 小角度完工焊縫

4 現(xiàn)場要點控制

對于小角度焊縫，現(xiàn)場施工和檢驗時應重點關注如下方面：①確認涉及小角度的焊接工藝規(guī)程是否得到批準且其各項參數(shù)是否符合項目要求；②確認焊工除了取得6GR焊工資質(zhì)外，是否還取得小角度焊接資質(zhì)，且其資質(zhì)范圍是否符合本項目施工需要；③確認焊接前是否已做好有效焊縫測量點的標識及確認工作。初始坡口寬度W位置是完工焊縫tw長度的計算長度起始點，焊接前，裝配人員需要依據(jù)該點計算出標識處完工焊縫tw的長度。為方便焊后測量，通常測量長度從初始坡口寬度W位置點起，通常量取2tb+100 mm的長度作為未來檢驗時反算焊縫長度的依據(jù)。為防止丟失，要求該點進行永久標記，同時要求現(xiàn)場檢驗人員在焊接前對標記需進行見證和確認；④3.3章節(jié)提到的初始坡口寬度W及完工焊縫tw適用于焊接工藝評定的制作、焊工資質(zhì)的認可及現(xiàn)場施工和監(jiān)控；⑤完工焊縫tw在確保長度的基礎上，還應注意改善焊縫的剖面形狀，滿足最小剖面形狀的要求，完工焊縫tw表面最小半徑值應不小于支管壁厚tb的1/2；⑥在確定初始坡口寬度W時應關注打底時的焊接方法；⑦對于二面角焊縫，需要關注支管端部的內(nèi)部削斜。

5 結(jié)束語

小角度焊縫不可避免，其焊接過程也是極容易被忽視的環(huán)節(jié)，需要引起高度重視。隨著中國海洋工程逐步走向深水，各個環(huán)節(jié)都應確保施工質(zhì)量的精益求精，否則會對建造項目帶來極大的安全隱患。如何正確嚴格執(zhí)行小角度焊接工藝也勢在必行。該文內(nèi)容對于相關工作的開展有借鑒意義。