海洋工程組合梁預制變形控制技術淺析

魏永佳 曹競祎 董志亮 肖 萌 王崇鑫

（海洋石油工程股份有限公司，中國 天津 300451）

0 引言

型材是導管架、組塊等海洋工程結構中不可缺少的組成部分。這主要是由于其良好的力學性能、重量輕、易于結構連接與安裝、節約原材料等優點。在海洋工程的建造過程中，通常高度小于或等于700毫米的H型鋼，主要從廠家直接采購；而高度大于700毫米的H型鋼（習慣上稱為組合梁），需要在組合梁預制車間中進行預制。組合梁作為鋼結構的承重主體，在海洋鋼結構的建造中發揮著十分重要的作用。

1 組合梁預制流程

組合梁預制生產線的工藝流程為：

1）翼板無需接長的組合梁預制流程：

板材確認——板材切割下料——打磨組對——組對外觀檢驗——焊接——矯正——焊后外觀檢驗——磁粉檢測和超聲檢測

2）翼板需要接長的組合梁預制流程：

板材確認——板材切割下料——翼板組對接長——磁粉檢測和超聲檢測——打磨組對——組對外觀檢驗——焊接——矯正——焊后外觀檢驗——磁粉檢測和超聲檢測

2 組合梁預制中的變形控制

2.1 產生變形的原因

產生變形的原因主要是焊接應力。焊縫區金屬在電弧作用下因熱膨脹受到制約而產生塑性擠壓,在隨后的冷卻過程中因收縮受到制約又產生了塑性拉伸。這種溫差所引起的應力使得焊接機構內應力體系不平衡。通常,焊縫區金屬在加熱過程中產生的塑性擠壓變形大于凝固階段的塑性拉伸變形,那么焊后必然有殘余壓縮變形存在,從而導致冷卻后的焊縫金屬將承受拉伸應變,以致使得焊接鋼結構在焊后出現較高的殘余應力和變形。殘余應力根據應力大小及構件的結構形式、約束程度的不同,產生的變形方向也不相同，因而產生變形結果也不相同。

2.2 組合梁預制中常見的變形形式

雖然合理的組焊工藝能減小焊接變形,但H型鋼的焊接變形仍然存在。其主要的變形有：角變形和彎曲變形。

翼緣板角變形主要是由于翼板一面施焊時，焊接的一面溫度較高,另一面溫度較低,因此施焊的一面受膨脹較大,另一面較小,使得施焊面膨脹受阻而產生壓縮塑性變形。這樣,翼板冷卻時在厚度方向上的收縮不均勻,焊接面收縮較大,另一面收縮小；產生角變形。焊接線能量越大，角變形越大。在焊接組合梁時，主要采用的是埋弧自動焊焊接成形，因埋弧自動焊焊接電流大，線能量輸入也跟隨增大，焊接角變形同時也顯著增加。角變形一般可以通過火焰矯正或機械校正達到相應標準，火焰矯正法需要一定經驗，且難以控制，所以目前主要通過機械校正法來矯正角變形。角變形見圖1。

圖1 角變形

雖然經過機械矯正后翼緣板是平的，但翼板與腹板卻不一定是垂直的，如圖2所示。這時就需要采用火焰矯正的方法進行矯正?；鹧娉C正時，對大于90°一側的腹板進行加熱。加熱的溫度不能超過590℃,否則需經業主同意才可進行。加熱的范圍和時間要根據變形大小而定，需要一定的經驗。被加熱的一側腹板冷卻后，由于收縮，與腹板的角度逐漸趨于90°，進而達到垂直。加熱的同時也可以在小于90°一側加裝若干支柱，以通過機械力的方式加快矯正速度。值得指出的是，火焰矯正往往一次并不能完全達到矯正目的。每次矯正后，均需測量腹板和翼板是否垂直，如不垂直，還需要再次進行矯正，但火焰矯正的次數不能超過三次。

圖2 翼板彎曲變形的火焰矯正

彎曲變形是由于焊縫的中心線與結構截面的中性軸不重合或不對稱，焊縫收縮不均勻而引起，同時，如果焊縫對稱布置，焊接順序不一樣，也會產生不同的焊接變形。當腹板發生變形時，可以采用在背向彎曲一側的腹板處加熱的方式來進行矯正，如圖3所示。

2.3 組合梁預制中變形的預防

2.3.1 確保加工精度和組對質量

1）確保下料加工精度是防止鋼梁在制作中變形的首要條件。排版要合理,切割最好用數控火焰切割機,多嘴子切割,這樣下料,一般沒有變形。在板材下料誤差超過允許偏差時，必然導致零件、部件裝配時進行強力組對，從而使構件整體產生應力和變形，焊接時又增加焊接變形，構件整體變形會更大。

圖3 腹板彎曲變形的火焰矯正

2）保證加工質量和組對質量。主要措施有：下料加工前原材料要進行平直矯正，然后進行劃線，劃線必須檢驗縱橫線的垂直。切割時采用自動切割機，并據板材厚度匹配相應地割嘴。對一個零件來講，要兩邊對稱切割，使兩邊受熱相同，變形相同。多個零件在一塊板上下料，采用多嘴頭切割，既可提高切割速度，又可減小切割變形，從而保證零件尺寸加工精度。在此基礎條件下，使用組對機組對組合梁，提高組對質量，從而達到減小應力集中和變形的目的。

2.3.2 采用合理可靠的焊接工藝、焊接順序來控制變形

組合梁在制作中變形的大小與焊接工藝、焊接順序有很大關系。所以，在焊接組合梁前，必須根據材料厚度、材質、設計坡口形式及焊縫等級，來確定恰當的焊接工藝、焊接順序，才能有效地減小變形。

1）對于半熔透焊接，采用對稱的坡口形式。這樣在焊接時，腹板兩側產生的焊接應力大小相等，方向相反，可以相互抵消，大大的減小焊接變形。

對于全熔透焊接，為減少后續的焊接變形，采用大小坡口的形式，分別為2/3和1/3的坡口類型。其工藝流程是：焊接大坡口——翻轉至正對側小坡口清根——焊接小坡口——翻轉至原大坡口側蓋面——翻回至小坡口側蓋面，所有工作都是為了控制變形、保證質量。

當板很薄時，腹板開坡口時采用單面坡口，這樣坡口焊平后，就反面清根，這樣所得兩側坡口大小相近，從而有效控制了變形。

2）采用合理的焊接方法及焊接規范。組合梁腹板和翼板的焊接采用的是全熔透焊/半熔透焊/填角焊，采用的焊接方法為埋弧自動焊。埋弧焊的焊接電流較大，應加以控制，以減小焊接變形。

3）對稱焊法：組合梁在焊接前，需要對焊接區進行預熱，以減小焊接變形。因焊縫在焊件上分布是對稱的,故使用對稱施焊的順序,焊縫之間的變形相互抵消一部分,從而減小了整個焊件的變形,焊接順序如圖4。

圖4 對稱焊法

4）反變形法：H型鋼焊接中,翼緣傾斜(角變形)有時無法校正,雖然強制校正,但產生內應力較大,局部有死角,外觀質量差。雖校正了翼緣邊緣,但腹板與翼緣連接處形成折彎狀,不能再校正。還有一種情況，箱型梁通常有多個腹板，所以兩側的腹板無法通過機械矯正機矯正，只能采用火焰矯正的方法進行矯正。而火焰矯正速度慢，影響了組合梁預制速度。所以,可以采用將翼緣板預做反變形的方法,即根據翼緣板寬度、厚度不同預制相應的反變形來控制組合梁預制過程中變形的產生。

3 結束語

本文介紹并探討了海洋工程組合梁的預制流程，變形發生的原因、形式和預防等，通過對組合梁變形的預防與控制，可以提高組合梁預制的精度，進而保障組合梁的質量,為海洋工程的建造打下基礎。

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