海洋钢结构关键节点的焊接变形控制

赵真 邵志坤

海洋石油工程（青岛）有限公司 山东青岛 266520

1 焊前工作

1.1 切割机精度

全熔透及部分熔透坡口焊接为常用的焊接方式，通常采用火焰切割在构件边缘制备坡口。坡口的平整度越好，越有利于控制焊接变形，而坡口平整度与切割机的精度密切相关。为了确保切割机精度，一方面应定期检验切割机，可采用试板进行切割试验，检验机器精度是否满足要求[1]。其次，某些切割机带有轨道，应定期检验，轨道凹凸不平或者附着杂物都会导致坡口切面不均匀。半自动切割机轨道上的缺损，切割出的坡口面不均匀，如图1 所示。

图1 半自动切割机轨道上的缺损

图2 切割出的坡口面不均匀

1.2 坡口设计

采用双面坡口有利于减小和控制焊接变形，因此，采用X 型、K 型坡口比V 型或单V 型坡口更有利于控制焊接变形。对于较厚钢板应尽可能开双面坡口。另外，对于双面全熔透坡口，考虑到背面清根，通常会采用不对称设计，一侧坡口深度约为1/3 母材厚度，另一侧坡口深度约为2/3 母材厚度，具体比例需根据焊工操作水平及现场实际情况具体分析，不对称坡口的焊接在后面会进行论述。板厚相同的情况下，坡口尺寸越大，焊接收缩变形越大。因此，在满足设计要求的前提下，优先采用部分熔透接头。

1.3 接头尺寸

接头尺寸对焊接变形有较大的影响。对于坡口焊缝，间隙值、坡口角度及坡口表面状况都会对构件的变形产生影响，间隙应首先满足所采用的焊接工艺规定，其次要保证在坡口整个长度范围内都保持一致，若一头间隙大，一头间隙小，会导致焊接收缩不均。坡口角度应满足焊接工艺的要求，过小不利于焊接操作，过大则会导致焊缝金属熔敷过多，对焊接变形控制不利[2]。而坡口面的均匀一致，可以保证整道焊缝的焊接有序推进，若表面存在凹槽，势必影响焊缝金属的均匀熔敷，导致焊接变形。

1.4 辅助设施

焊接过程中产生的应力不可避免地会导致结构变形，在焊前可根据接头形式，合理设计和添加临时支撑，固定在接头两侧的母材上。在条件允许的情况下，焊前还可将构件与预制胎架或地面上的预埋铁进行固定，可对母材产生刚性约束。对于立柱等圆形构件的焊接，在条件允许的情况下，环缝坡口两侧均应加刚性固定，同时，在内部还可以加径向的刚性固定，以控制圆形构件的椭圆度及直线度。变形不仅影响构件本身尺寸，还会导致构件之间的相对位置发生变化，因此在构件之间加入临时支撑，确保焊接完成后，构件之间相对位置满足要求，直至完成总装后再进行拆除[3]。另外，在甲板钢板焊接前，为减少因焊接收缩导致的四周翘起，一般会在甲板片四个角的位置加放配重，以抵抗焊接产生的收缩应力。

1.5 焊接顺序

①角焊缝的焊接顺序。以与工字钢腹板相交的筋板焊接为例，会形成3 个接头，分别为上、下两道横向接头以及中间一道立向接头，应优先焊接立焊焊缝，再焊接下面的平焊焊缝，最后焊接上面的仰焊焊缝，对于控制变形较为有利。②坡口焊缝的焊接顺序。以不对称的X 型坡口全熔透焊接为例，应先从坡口较大一侧进行打底焊接，打底焊完成之后，再从坡口较小一侧气刨清根，清根后进行填充，然后再换到较大一侧填充，依次交替进行，最终完成焊接。③多个杆件同时待焊。以一个构件同时与较薄构件和较厚构件相交为例，此时应先焊接较厚构件，若先进行较薄构件的焊接，在焊接较厚构件时产生的大量热输入会导致较薄的杆件产生较大变形。

甲板钢板通常铺设在甲板片上表面，为6～8mm 厚的薄钢板，而且甲板片表面积通常较大，会铺设多块甲板钢板，所涉及的焊接主要有两种：一是甲板钢板与梁之间的焊接，通常为角焊缝，二是甲板钢板之间的拼缝。甲板片主要由组合梁及H 型钢组成，H 型钢搭设在组合梁之间，形成了多个长方形的区域。焊接顺序为：先焊接H 型钢与甲板钢板之间的较长角焊缝，其次焊接组合梁与甲板钢板之间的较短角焊缝，再焊接中间区域的甲板钢板拼缝，最后焊接四周位置。焊接顺序安排不当会产生较强的收缩应力，导致整个甲板片四个角翘起。

1.6 焊接方法

①对称焊接。在条件允许的情况下，应尽可能安排多名焊工从接头两侧对称焊接，可以有效平衡焊接过程中接头两侧产生应力引起的焊接变形，对称焊接不仅适用于接头两侧的对称焊接，还适用于立柱等环焊缝的焊接，两名焊工从外侧同时对称焊接，可以减小立柱的倾斜。②分段退焊。实践证明，分段退焊也可有效减小焊接变形。分段退焊意思是每段施焊方向与整条焊缝增长方向相反的焊接方法，每段焊缝分开进行，对于长坡口的焊接较为适用，该方法适用于手工焊，可安排多名焊工，采用分段退焊的方式同时施焊。

1.7 焊前预热

根据焊接工艺要求，在焊接前对焊缝及相邻母材区域进行预热，可以减小焊缝与构件其他部分的温差，降低焊缝的冷却速度，进而减小焊接应力与变形。值得注意的是，预热需保证构件整个厚度方向均满足要求，同时要保证整个焊接过程不低于预热温度。

1.8 焊接设备

焊接设备自动化程度越高，越有利于减少因手工焊接不稳定导致的变形。以CO2气体保护焊为例，可选择带轨道的吸附式焊机，尤其对于仰焊位置具有极大的帮助，其焊接效率高且焊缝均匀，对于甲板钢板焊接尤为适用。

2 焊接过程

2.1 工艺执行及监控

①焊接方法选择。一般情况下，埋弧焊的热输入相对较大，从而导致尺寸变形较大。在满足焊接要求的前提下，优先选择CO2气体保护焊或焊条电弧焊。②焊接参数控制。焊接过程中的各项参数应完全符合工艺要求，电流、电压、焊接速度以及产生的热输入都会影响母材的变形量，电流、电压越大，焊接速度越慢，由此产生的热输入就越大，焊接变形也会越大。单道焊缝摆宽不应超出焊接工艺要求。对于角焊缝焊接，只需按照图纸要求焊接足够尺寸的焊脚即可，过量的焊缝金属反而会导致较大的变形量。

2.2 焊接变形过程监控

应建立焊接尺寸过程控制的概念，可安排专人使用全站仪等仪器进行尺寸测量，一旦出现偏离理论位置或者其他变形情况，应暂停焊接并调整焊接位置或焊接顺序。为了减少人力投入，也可以在焊接构件上悬挂线坠，一旦线坠偏离理论位置，应立即停止焊接并做出调整，此种方法适用于立柱或者筋板的焊接。对于其他形状的构件，可因地制宜地选取适当的监测工具。

3 焊接完成后

3.1 机械调直和热调直

（1）机械调直。机械调直需采用液压矫正机或者液压千斤顶，主要适用于矫正组合梁焊接引起的变形或者板对接焊接引起的变形，以及矫正钢板局部弯曲变形。组合梁焊接后超出公差范围的区域可使用H- 型钢翼缘液压矫正机进行调直，局部区域的变形可使用液压千斤顶进行调直，需要注意的是，在使用液压千斤顶时，不可同时在焊道处加压或在机械调直时同时加热。板对接焊接完成后超出公差要求的部分可使用液压千斤顶来机械调直，同样地，在使用液压千斤顶调直时不可同时在焊道处加压或者在机械调直时同时加热。

（2）热调直。热调直也称为火焰调直，主要使用氧气加可燃气体对构件变形位置进行火焰加热，热调直需采用多口加热型的烤把，不允许使用切割枪或者其他不符合要求的工具。热调直多采用手工加热方式，由一名调直工和一名负责监控的人员组成。热调直前需明确火焰距离工件表面、焊缝焊趾处的最小距离，以及加热的最高温度，调质钢最高加热温度应不超过600℃，其他钢种则不超过650℃。加热前应在待调直区域外使用粉笔进行划线，划线位置以火焰不会影响焊道为准，不允许对焊道进行加热。热调直前，对变形构件可施加一定的预载，热调直过程中，不允许再施加其他外力。

3.2 施工工序

海洋平台包含数量巨大的构件，应化整为零，按照组件、部件、甲板片等递进式的建造工序，可以有效避免后期的集中焊接，进而减少总装阶段焊接变形。结构焊接是整个海洋平台建造的基础，应从影响尺寸的各要素入手，精细化管理，确保焊接后的整体尺寸，保障海洋平台的整体性能和设计强度。

4 结语

综上所述，对于海洋平台而言，其是一种常见的海洋钢结构，并且能够广泛应用于海洋石油及天然气的开采中，作为海洋平台的主体部分的结构框架，主要通过焊接进行连接，通过本文的研究希望给相关人士带来一定的借鉴意义。