海洋石油平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接專用夾具

高 永

中海油能源發展股份有限公司，天津 300452

1 工程概況

海洋石油SZ36-1CEP 平臺位于渤海灣，由于冬季北風強勁，氣溫極低，嚴重影響現場生產作業，為此在海洋平臺上安裝了圍護擋風墻。擋風墻材料選用Q235 鋼，經過一段時間海上鹽霧環境的腐蝕，碳鋼很快就銹跡斑斑，影響了使用效果。為此，項目組決定將平臺擋風墻材料更換為材質0Cr18Ni9 的1 mm 厚不銹鋼薄板。

2 海上平臺不銹鋼薄板的焊接施工

按照擋風墻工程項目要求，利用海上拖輪將工程項目所需的機具、人員、材料自陸地運輸到海上平臺，在海上平臺現場進行1 mm 厚的不銹鋼薄板的焊接安裝施工[1]。此次焊接由具有多年海上焊接施工經驗、擁有中國船級社CCS 認證資質并取得焊工證書的焊接人員進行。焊接選用唐王脈沖式直流焊機、不銹鋼焊絲、氬氣瓶等；焊接方法為TIG 焊即不銹鋼焊絲氬氣保護電焊[2-3]。焊接時要求保持施焊小環境的風速不大于2 m/s，溫度大于5 ℃，相對濕度小于90%。

施工人員在指定位置搭設焊工棚，連接好電氣焊設備，確定氬氣瓶的位置及氬氣輸送方式，做好施工前的各項準備工作后，開始進行不銹鋼薄板的焊接。不銹鋼薄板為1 m×2 m×1 mm 的瓦楞板，兩張薄板拼接后施焊的焊縫長度為2 m[4]。經過焊接作業，第一道焊縫完成。

經過無損探傷人員對焊縫進行檢驗發現：焊縫發生收縮變形，從而引起拼接的兩張不銹鋼薄板焊縫附近出現凸凹不平波浪式變形；焊縫錯口較大，兩張拼接的不銹鋼板焊縫到最后無法平齊，成型極差，焊接質量和外觀達不到要求；RT 拍片發現晶間腐蝕嚴重。因此該焊縫的焊評結論為不合格。

經過討論研究，決定研制針對不銹鋼薄板焊接的專用夾具，以防止焊縫變形、錯口或晶間腐蝕。

3 不銹鋼薄板焊接專用夾具設計

3.1 設計思路

（1） 由于選用的不銹鋼薄板厚度薄，自身拘束度小，導熱系數小（約為普通鋼的1/3），線膨脹系數較大，當焊接溫度變化較快時，產生的熱應力大，很容易出現燒穿和焊接變形（大多為波浪變形） 等缺陷，必須將焊接時產生的大量熱量及時傳遞出去，因此優選了導熱性能優良的紫銅為夾具材質。

（2） 為防止不銹鋼薄板在焊接過程中因高溫而產生自身變形，焊接夾具必須能對焊縫附近不銹鋼薄板產生足夠大壓力以確保薄板焊接后不出現變形（大多為波浪變形）。

（3） 在不銹鋼薄板焊縫成型過程中，焊接夾具要能避免環境空氣中部分氣體的氧化作用，因此需要確保焊縫背部可以充氬氣保護，以隔絕焊縫與空氣接觸，防止氧化。

3.2 不銹鋼薄板焊接夾具的結構

不銹鋼薄板焊接夾具由五部分組成，分別為：門字架、千斤頂、上下壓胎、壓條，其結構如圖1 所示。

圖1 不銹鋼薄板焊接夾具結構示意

其中門字架材質為10#H 型鋼，長2.5 m，高0.6 m，焊接在平臺指定位置。

2.5 t 螺旋千斤頂6 個，通過兩個長為2.3 m 的∠30×30×3 的角鐵對焊在H 型鋼下部，從而夾住螺旋千斤頂底部，讓螺旋千斤頂倒放在H 型鋼梁的下部，并可沿H 型鋼長度方向自由活動。焊接時6 個千斤頂均布在焊縫上部，同時要求每個千斤頂有10 ～15 kN 的預定頂力。

上壓胎分為左右對稱的兩部分，規格為2100mm×100 mm×60 mm，材質為紫銅，兩個上壓胎相對的側面加工一個45°的斜角，以利于焊接操作。

下壓胎尺寸為 2 200 mm × 800 mm × 100 mm，材質為紫銅，沿長度方向在中上部開出2 000 mm×20 mm×20 mm 的溝槽，并在溝槽20 mm×20 mm一面的中間鉆出直徑10 mm 的圓孔，作為充氬氣的通道。

鋼質壓條尺寸為200 mm×10 mm×20 mm，用于傳遞螺旋千斤頂與上壓胎之間的壓力。

4 焊接夾具在平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接中的應用

4.1 焊接工藝的確定

焊接采用充絲焊接，焊接參數見表1。

表1 厚1 mm 不銹鋼薄板的焊接參數

在焊接時，必須嚴格控制焊接電流（在保證焊透的情況下應盡量使用小的焊接電流，電弧長度不能過長，焊接部位在焊前清除鐵銹等贓物） 和焊接順序（焊前還要檢查坡口的錯邊情況，錯邊量合適后才能施焊）。焊接設備選用唐王脈沖式直流焊機，該焊機具有熱輸入低、熱量集中、熱影響區小、焊接變形小、熱輸入均勻、能較好地控制線能量等優點。焊接采用氬氣保護，保護氣流具有冷卻作用，可降低熔池表面溫度，提高熔池表面張力等。焊接過程采用上述焊接夾具，該夾具的應用保證了焊縫兩側受力均勻，避免焊縫開裂、變形，減小了熱量輸入，從而減少焊接熱影響區[5-7]；同時減少了組對點焊工序，使施工效率大幅提高。

4.2 不銹鋼薄板焊接試驗評價

采用上述工藝對平臺擋風墻用不銹鋼薄板進行焊接，不銹鋼薄板焊接完畢后，待焊縫冷卻，而后撤除千斤頂，取出上壓胎，并抬出焊接完成的不銹鋼薄板放在平整的地方，由專業人員對焊縫進行檢驗，結果表明：焊縫平滑，焊紋均勻，焊縫背部無氧化、變形、錯口，不銹鋼板平整，無波浪彎曲出現，RT 拍片發現基本無晶間腐蝕。不銹鋼薄板焊后焊縫成型效果如圖2 所示。

圖2 焊縫成型圖片

4.3 夾具結構的進一步改進及工程應用效果

隨著不銹鋼薄板焊接作業的進行，發現焊縫出現了上面微凹、背面微凸的現象，通過仔細察看焊接處的不銹鋼薄板邊緣，發現不銹鋼薄板邊緣本就存在由于工業剪裁而造成的微小弧面差異。由于不銹鋼薄板板材邊緣的兩個面不是齊平的，一面是圓邊的，另一面是有毛刺不光滑的，因此造成焊接自熔時熔池受到的作用力（包括電弧作用力、熔池金屬重力和熔池金屬表面張力） 不平衡。在焊接過程中隨著熔池和焊接熱量的增大，熔池金屬表面張力逐漸不能平衡電弧作用力和熔池金屬重力，這時熔池會下塌，弧面向下，因而出現上面微凹、背面微凸現象，所以焊接時一定要把有毛刺不光滑的表面作為焊接面[8]。

由于焊接的不銹鋼薄板是瓦楞板，所以無法將不銹鋼薄板翻個面，使有毛刺不光滑的表面作為焊接面，于是設計增加了一個縮小的下壓胎，長寬高為 2 200 mm × 200 mm × 60 mm，中間部分留出與下壓胎一樣的氬氣進口，遇見鋼板毛刺在背面時，就可以在下壓胎上放上這個縮小的下壓胎，然后把不銹鋼瓦楞板鋼板翻過來，再用上壓胎壓實，這樣就達到了毛刺面作為焊接面的效果。通過試驗，不光滑面作為焊接面，焊完后表面飽滿圓滑，焊縫沒有下凹現象，而另一面焊縫在電弧作用力和熔池金屬重力的作用下，焊縫向外凸起正好填平不銹鋼瓦楞板板材邊緣的圓邊，從而變平。通過試驗，按此方法焊接終于得到了飽滿圓滑、均勻一致的焊縫，焊縫美觀并呈金黃色。

采用上述焊接工藝和進一步改進的焊接夾具對海洋石油SZ36-1CEP 平臺擋風墻項目1 mm 厚的不銹鋼薄板進行焊接，焊后效果見圖3，實踐證明上述焊接夾具和焊接工藝實施效果良好。

圖3 海上平臺擋風墻

5 結束語

此套不銹鋼薄板焊接夾具的設計及應用保證了1 mm 厚的平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接的質量。由于該焊接夾具具有結構簡單、容易操作等優點，目前在類似工程項目的焊接中廣泛使用。