海洋钢结构吊点焊接缺陷及变形控制浅析

邬常保，张建山，陈海涛，于学军

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

近年来，随着海上项目的增多，我国海洋工程建设水平大幅提升，海洋平台承载着现代人能源开发等活动，为了持续推进海洋项目的开发工作，需要结合具体项目需求设计钢结构，并完成建设。在钢结构建设工程中，焊接技术属于关键技术，现分析对海洋钢结构，针对其中吊点焊接问题展开研究。

1 焊接在海洋钢平台中的应用特点

1.1 海洋钢结构的主要特点

海洋钢结构建设应用的主要原材料是低碳钢与低合金钢，往往需要结合钢结构的实际工作条件与项目具体要求来选择材料与搭建方式，确保所用的钢材料能够达到强度标准，满足应用要求。海洋结构的屈服强度等级包括500MPa、420MPa、400MPa几个等级，厚度大多在10mm至15mm之间，次钢结构使用的钢材屈服强度等级偏低，235MPa等级的钢材就可满足。针对自升型钻井船桩腿，应选用高强钢[1-3]。

海洋钢结构在钻探海上油气资源的活动中发挥重要作用，使用钻探设备需要有自升钻井平台以及半潜式钻井平台提供支持，开采设备需要的平台包括固定化导管架系统、顺应塔平台与立柱式平台等。自升式钻井平台通过柱腿被固定到海床上，并起到支撑作用，将钻井相关设施直接设置到船体上，船体依靠齿轮与齿条啮合活动可在桩腿间上下运动，进而实现不同海上环境的钻探需求。采用固定型导管架时，需利用打桩技术将其固定，平台中的导管架能被用于支持其他结构体系，承担上部结构的重量。选用不同的开采设备与钻探设备工作时，对于钢结构的需求也有所不同的，需结合具体情况进行选用。

1.2 焊接技术的应用特点

海洋钢结构与普通构筑物结构不同，需要长期处于海洋环境中，因此对于材料的强度与质量往往有更严格的要求。焊接作为钢结构施工中的关键技术，更要得到重视，确保焊接能符合综合性能要求。次要结构中大多运用低碳钢，具体多为正火与热轧的高强度钢与高强度低碳调质钢，所使用的钢材料性能与化学成分都应符合标准，施工过程中，必须按照焊接技术要求施工，以达到较高的焊接质量。完成焊接活动后，钢结构的关键部位会保留一定的剩余热应力，应及时予以热处理，以减轻热应力对钢结构综合稳定性造成的负面影响。

2 海洋钢结构吊点的焊接缺陷

焊接缺陷对钢结构的影响极大，如果不处理焊接缺陷，将其长期留存到钢结构中，相当于给钢结构埋下隐患，因此不仅要消除已有的焊接缺陷，同时还必须在施工阶段就进行有效预防，尤其是要关注吊点等重要部位，降低焊接风险，依照施工要求合理应用焊接技术与设备，减少甚至消除钢结构上的焊接隐患。现列举常见的钢结构吊点相关的焊接缺陷，并分析如何进行预防与正确应对。

2.1 钢结构吊点缺陷产生的原因

吊点大多属于全位置焊缝，仰焊、立焊、横焊以及平焊等主要位置均存在吊点。部分焊缝接近仰焊与横焊，但又不完全是仰焊或者横焊，操作控制难度较高。实际钢结构施工中，受位置与板厚等因素的影响，吊点焊接极易出现缺陷，常见缺陷包括未熔合与夹渣等，也有出现裂纹的可能性，对钢结构的质量造成直接影响，基于吊点的重要性，必须了解常见吊点焊接缺陷，做好预防焊接缺陷与应对焊接缺陷的准备工作。

焊接缺陷，尤其是吊点的焊接缺陷大多是因为施工不规范导致的，因此要控制缺陷必须要求施工参与者严格按照参数要求进行焊接施工，但是也不能忽视一些特定位置，即使工艺选择与操作过程没有问题，但受到结构特点的影响，还是有较大概率产生缺陷，如未熔合与夹渣。重视关键位置是极为必要的，如不符合标准的位置以及筋板相对密集的区域要重点关注[4]。

2.2 咬边缺陷

盖面焊道是咬边缺陷主要发生的区域，出现率极高，如果不严谨地对结构进行分析与考察，就会忽视这种缺陷。当产生咬边缺陷后，接头处的疲劳强度将随之降低，如果处理不及时，就会给海洋钢结构造成重大隐患。分析咬边缺陷后，发现其形成原因包括焊接速度快、选择电流大、参数不符合实际情况等，没有实现充分摆动，最终导致弧坑不能被有效填满。

在应对咬边缺陷时，需要强化操作人员的责任心，开展规范的焊接操作，确定适合的焊接角度，选择适合的弧长并进行充分摆动，以此来消除咬边缺陷。当结构已经出现轻微程度的咬边缺陷，可通过打磨使其恢复平滑，如果咬边缺陷已经发展得较为严重，应当将焊道磨掉，重新进行补焊。

2.3 裂纹缺陷

海洋钢结构中危险度最高的缺陷就是裂纹缺陷，不能使吊点处产生裂纹。常见的裂纹主要包括冷裂纹与热裂纹，应结合形成原因对其进行有效预防。施工中较为常见的多是冷裂纹，如果焊接拘束度过大或者预热温度过低就容易使吊点处出现冷裂纹，而焊材受潮后，会有氢气进入到焊道中，同样也能引发裂纹。

控制裂纹时，首先要关注预热温度是否达到标准，焊道全部方向上大于厚度的区域范围内实际温度都必须达标；焊接不能出现中断情况，层间温度应高于预热温度；如果需要在湿度过高的环境中进行施工，应当针对局部部位进行干燥处理，给吊点焊接创造良好的实施条件；注重清理焊道，将表面区域的铁锈油污去除，以此保护焊材免于受潮；焊接后需要让焊道以较为缓慢的速度进入冷却状态，不能直接暴露到外部环境中，当温度逐步降低后，再将加热片去除。

2.4 气孔缺陷

焊接吊点部位时，在特定条件下也会出现气孔缺陷，但是出现概率比其他常见缺陷要低。预防气孔缺陷时，需要清理焊材与母材，将铁锈与油污去除，对保护气展开检查，确保气压达到标准，按照要求管理及应用焊材，遭遇大风天气时，需要对焊材进行特别保护。

2.5 未熔合缺陷

在筋板相对密集的区域更容易出现未熔合缺陷，且这种缺陷容易受到位置因素的限制，形成原因主要有以下两种：首先可能是由于采用的焊接规范不适用施工的情况，使电弧过长或过小，坡口角度偏小，钝边大或者间隙狭窄；另外一方面是由于操作方法错误，如焊条摆幅不合适、电弧产生偏吹、焊条角度偏离标准值或者运条速度太快等。大部分未熔合缺陷都处于位置受限的焊缝上，形成这一缺陷后，返修难度高，因此在施工环节就应对这一缺陷进行预防，尽量减少未熔合缺陷，以免影响钢结构的整体稳定性。未熔合缺陷见图1。

图1 未熔合缺陷

施工前要充分考虑实际的施工情况，选择运用最合适的焊接规范，确保焊接速度、电弧电压以及焊接电流都能满足吊点焊接应用需求。选择合适的对口规范标准，将焊层间与坡口两侧的污物与熔渣清除干净；在运条时，可通过调整焊条角度来形成均匀的熔合效果，并实现熔透；实际进行焊接前，可先对运条情况进行模拟，找出会受影响的部位，做好应对准备，彻底消除未熔合问题。

2.6 夹渣缺陷

夹渣缺陷多在仰焊部位，同样存在位置受限的情况，受到焊接位置的限制，熔池很难完全铺开，如果没有精准地调整形成合适的参数，就会产生沟槽，进而使吊点处形成夹渣。当母材的清洁没有做好时，焊材也会受到外部污染，出现夹渣问题。结合夹渣情况形成的原因，应在吊点焊接的规定范围内，选出合理的工艺参数，使熔池得以正常铺开，既不会起沟，也不会起棱。将前层焊渣彻底清除，发现棱沟后，可启动砂轮机实施打磨，直至平滑为止。调整焊接手法，对摆动变化进行控制，保持合理的电弧长度，通过电弧来带动熔池在指定位置正常展开。

3 海洋钢结构吊点变形控制建议

3.1 吊点变形问题

焊接变形是钢结构焊接活动中比较常见的现象，会影响尺寸，形成误差。如果焊缝区域进入冷却状态后，形成收缩，焊件随之出现内应力，当焊件的刚度无法对焊缝区域施加的收缩力进行有效克服时，焊件将出现变形的问题。在开展海上钢结构安装工作时，以吊点为受力点，在结构中处于关键位置。吊点由筋板、加强环与主吊点共同组成，厚度往往超过80mm，选择K型坡口的比较多，工艺则选用FCAW-G，应用DW-A55L焊材，可省略焊后热处理的环节。主要焊缝包括主吊点与加强环焊接、立柱与加强环焊接、加强环本身焊接、立柱与主吊点焊接。焊缝较为集中，焊后变形幅度大，控制难度偏高。在吊点焊接时，受焊缝集中、位置受限以及板材偏厚等因素影响，出现缺陷与变形的可能性极大，如果不控制吊点的问题，钢结构的质量也无法保障，安装导管架与组块时的危险性也会增强[5]。

3.2 反变形与对称焊接

采用对称焊接的方式可解决吊点的变形问题，将组对步骤提前进行，先对加强环与吊点进行组对，再进行点焊固定，最后实施焊接，以此实现对变形的控制，结合结构形式完成对称焊接，两边产生的变形量可相互抵消。吊点焊接中有部分为单面式的焊坡口，这种条件下无法运用对称焊接技术，可将筋板设置到反面实施强力固定，当约束力过强时，接头处集中了较大的应力，会引发裂纹缺陷，因此面对单面焊形式的坡口时，可采用反变形技术应对变形，同样也有良好的抵抗变形效果。

3.3 形成正确的焊接顺序

当结构构件受热不均时，也会发生形变，针对因受热不均而导致的变形问题，通过调整焊接顺序，可减轻变形影响。先对导管立柱与主吊点的焊缝进行焊接，考虑此焊缝是否属于受力焊缝，在未形成一体化吊点结构体系时先完成焊接，使其得以自由地变形、收缩，减少内部应力，由于其为K型坡口，所以选择同时在两边施焊可获得更好的防变形效果。对导管架与加强环的环缝进行焊接，这些环缝往往用于固定起吊点，实际填充量很大，加强环所具有的相对面积也很大，因此当加强环变形后，吊点也会随之出现变形的情况，应当选择对称焊接技术，同时调小焊接参数。

3.4 有效把控层间温度与热输入

受热不均是当前钢结构焊缝变形的主要原因之一，热输入较大的区域受热问题更为严重，构件也会偏向受热较大的区域。当施工中已经出现变形的问题时，可结合变形方向改变焊道的热输入，降低热输入数值，也可在焊道温度降低到一定程度后再进行焊接，缩小变形幅度，减少变形给钢结构带来的影响。

4 结论

海洋钢结构受作业环境与工艺要求的影响，建设难度极高，本文主要从吊点焊接的角度展开研究，列举了常见的焊接缺陷，并针对每一种焊接缺陷提出了应对方法，结合变形问题，提出控制层间温度、采用对称焊接以及调整焊接顺序等建议。焊接人员在完成海洋钢结构焊接，尤其是吊点焊接时，必须保证按照施工规范操作，以实际焊接条件为准正确处理焊接任务，消除缺陷与变形等不良焊接情况，给海上钢结构提供更优质的焊接。