浅析海洋平台钢结构的焊接技术

刘海林 苏衍福

摘要：随着经济的快速发展，海洋作为能源、原材料等物质的重要来源地，已经成为世界各国研究、开发的重点领域；而在海洋工程开发中，海洋平台领域则成为海洋工程领域技术研发的重中之重。海洋平台结构大型化趋势显著，结构复杂，焊接工作量大，节点焊接本来就很困难，加之应力集中程度高，使其结构处在了更加危险的状态；而海洋平台结构大型化，迫使构件厚度增加，其破坏的危险性也就愈来愈大。因此在海洋平台建造及修理时，对结构焊接的要求也越来越高。焊接工序是钢结构制造、安装生产中的一道关键工序，焊接作为钢结构的主要连接方式之一，直接影响钢结构的施工质量，本文作者根据多年工作经验，介绍海洋平台结构修理时的焊接要求和焊接方法。

关键词：钢结构;海洋平台;焊接

中图分类号：TU391文献标识码： A

引言：1海洋平台结构大型化趋势显著，结构复杂，焊接工作量大，节点焊接本来就很困难，加之应力集中程度高，其结构处于更危险的状态，且随着结构大型化，导致构件厚度增加，其破坏的危险性也就愈来愈大，因此在海洋平台建造及修理时，对结构焊接的要求也越来越高。下面根据笔者多年海洋平台结构焊接的成功经验，总结其结构焊接时的要求和焊接方法如下，以供同行参考使用。

2 对焊缝金属和焊接接头的性能要求

（1）韧性 标准材料韧性的指标主要是夏比V型缺口冲击韧性值。

（2）硬度 限制热影响区最高硬度，不仅是为了防止焊接冷裂纹的发生，也是为了防止氢致应力腐蚀开裂。降低焊缝热影响区硬度的主要措施是选择较高的焊接热输入量，采用回火焊道和选用碳当量较低的材料。是影响焊接接头疲劳寿命的重要因素。特殊构件的角焊缝对其形状和缺陷必须修整，并与母材表面光滑过渡。

（3）腐蚀 为了避免焊缝金属的腐蚀，在焊接材料的选取上，应使焊缝金属的电极电位正于母材金属和过热区。焊后热处理对减轻腐蚀也有好处，采用碳当量较低的钢材。

3 海洋平台结构焊接材料的选择

根据平台构件的用钢等级和平台设计要求，选用与之相匹配的焊条或焊丝和焊剂。焊后焊缝金属和焊接接头的性能与母材的性能基本一样，能阻止焊缝和热影响区焊接裂纹的发生和扩展，不致发生脆断和疲劳。选择焊接材料，要考虑发生裂纹的可能性，约束度高、应力集中高的部件，选用塑性韧性好的低氢碱性焊条和韧性高的焊丝和碱性焊剂，Z向钢的焊接选用低氢型和超低氢型焊接材料。焊接材料还要根据平台构件类别不同，分别选用不同级别的材料。次要构件选用普通结构钢焊条，如J422、J423或等；主要构件选用相应级别的低氢型碱性焊条，如J427、J507等；对于特殊构件，一定要用相应等级的低氢型或超低氢型碱性焊接材料，以防止冷裂纹和提高焊缝金属和焊接头的韧性。

4 海洋平台结构焊接前的准备工作

（1）坡口形式 常用的坡口形式有X型和V型两种。厚度小于20mm时多采用V型坡口，大于20mm时，多采用X型坡口，但在管直径较小的情况下，为了便于焊接，虽然板材较厚，也需要选用V型坡口。这样可避开焊工在管内的焊接操作。

（2）接头的组对及定位焊 开好坡口后的钢板经压头工序，再经卷制后成为筒体，当接头部位各尺寸符合对口要求时，就可以进行定位焊（指纵缝）。接头组对是在滚扳机上进行的，按工艺要求，接头两侧母材的错边量不能超过2mm，如果是双面焊，对口空隙可控制在2mm～4mm之间。如果是单面焊，根部间隙应严格按照打底焊的工艺要求进行。定位焊缝长度为60～70mm，厚度根据板材厚度确定，一般要求至少5mm以上，各焊点（段）之间相距400mm左右，坡口两端不焊。如果定位焊缝出现裂纹，要确保完全去除后，在定位焊前用火焰将定位焊部位加热到150℃左右再焊接。

（3）焊前预热 是否需要预热，要根据工件厚度和环境温度确定，或根据工艺规程中的规定进行。当环境温度在零度以上，板厚小于20mm时。一般情况不预热。如果板材较厚或气温较低，焊前应对接头及两侧（2倍的板厚且至少75mm宽度）预热150℃ 以上，焊接时保持层间温度最高不超过250℃，最低温度不低于预热温度，焊后保温缓冷。预热的方法可采用火焰加热法、电阻加热法或两者结合的方法。

5 常用的焊接方法

钢结构常用的焊接方法有：埋弧自动焊、手工电弧焊和CO2气体保护焊。对于要求有单面焊双面成形的构件有时可以用STT焊打底。具体采用那种焊接方法要根据构件特点而定。

6 施焊工艺

（1）焊接环境和施焊条件 平台焊接工作在具有防风、防雨雪的遮蔽条件下进行，特别是在露天进行气体保护焊时。一定要有防风措施。施焊时的环境温度不得低于经批准的焊接工艺认可试验所规定的最低温度，风速一般不得超过6级，相对湿度不得大于70%。遇有下列情形之一时，焊接前应预热，预热温度应与认可的焊接工艺一致：

1）焊接高强度钢，特别是淬火回火钢，厚横截面钢材或承受高约束的钢材；

2）高湿度条件下；

3）钢材的温度低于0℃。

（2）对接缝和焊接坡口 海上设施结构的对接缝一般应全焊透，对厚度超过6mm的对接全焊透焊缝，为保证全部厚度充分焊透，需将焊件连接边缘加工成坡口形状，并采用多层、多道单面或双面焊。坡口的形式有U型和X型。

（3）多层多道焊 平台结构焊接，许多构件需采用多层、多道焊。

（4）角焊缝 大厚度板全熔透角焊缝，焊接应力高，应力集中严重。为减少应力集中，要求角焊缝表面成为凹面形，并平滑地向母材表面过渡。对特殊构件（关键构件）的角焊缝施焊时，焊工应仔细地焊成凹面形，并要求修整加工。

7 导管架管节点圆管和节点相贯线的焊接

节点圆管和相贯线焊缝应分别采用封底焊条、填充焊条和盖面焊条进行焊接。焊接材料用与母材强度和韧性等级相匹配的低氢型或超低氢型碱性焊条，焊条直径根据焊件厚度和焊接道数加以选择，其中盖面焊宜用小直径焊条，以改善节点的抗疲劳性能。

8 焊后热处理

接头焊完后，如果不立即进行焊后热处理，可以进行后热处理，常用的办法是：用加热片等将焊道及两侧加热到250～350℃，再用保温棉覆盖保温0.5～1h，然后空气中冷却。

焊后热处理，先将焊道及两侧加热到310℃左右，然后以每小时100～200℃的升温速度加热到590～650℃，保温1.5h，最后空气中冷却。

9 焊接检验

应对海上设施结构焊接作业实施全程质量监控，要有专职检验人员按照认可的建造检验工艺和质量控制工艺对结构焊接质量进行检验，严格执行三级检验制度。即自检、互检和专检，检验范围包括过程检验和完工检验，待全部合格后报第三方检验和业主认可。

（1）过程检验和控制

1）烧低氢焊条时，焊工在领取焊条时一定要放在焊条保温筒，使用时间不得超过4小时，退回的剩余的焊条要单独存放，而且保温筒在使用时一定要接上电源，且加热温度在75℃以上，任何焊工不得随意将不是从烘箱中领取的焊条放入保温筒内。

2）每个焊工在施焊前要带好锤子、钢丝刷或风铲等必备工具，而且要检查电源线的连接是否牢固，检查施工区域的环境卫生及风力和风向，并采取一定的预防措施，这是保证焊缝质量的前提条件。

3）进行打底焊时，施工人员要非常认真，不能因为反面要气刨而大意，实际上对于焊缝质量的好坏，打底焊的质量起着非常重要的作用。

（2）完工检验

1）外观检验 焊接完成48小时后，在清除表面焊渣不涂防锈漆的状态下，外观经专检合格后报第三方和业主检验。

2）焊缝无损检测 无损探伤一般应在焊后48小时进行，当焊件被要求做焊后热处理时，无损探伤应在热处理后进行无损检测的范围应包括：A对接焊缝；B全焊透的K、T、Y型节点焊缝；C部分焊透的K、T、Y型节点焊缝或填角焊缝。海洋工程钢结构常用的无损检测方法有：射线检测、超声波检测和磁粉检测。

结语：相比陆地钢结构而言，由于海洋钢结构所处环境较为复杂，且逐渐向深海迈进，海洋钢结构焊接工艺与质量控制变得尤为重要，所以严格按照结构设计及建造文件对焊接各环节的技术要求，才能确保海洋平台钢结构在设计年限内的安全使用。

参考文献

［1］中国机械工程学会焊接分会，焊接手册（第2卷）［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］吴玖，姜世振，韩俊嫒，双相不锈钢［M］.北京：冶金工业出版社，1999.

［3］中国机械工程学会焊接学会，焊接手册［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［4］刘占国;海洋平台焊接头的CTOD韧度研究［D］.武汉理工大学;2010.

［5］中国机械工程学会焊接分会，焊接手册（第2卷）［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［6］刘占国，海洋平台焊接头的CTOD韧度研究［D］.武汉理工大学;2010.