海洋鋼結構吊點焊接缺陷及變形控制淺析

鄔常保，張建山，陳海濤，于學軍

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

近年來，隨著海上項目的增多，我國海洋工程建設水平大幅提升，海洋平臺承載著現代人能源開發等活動，為了持續推進海洋項目的開發工作，需要結合具體項目需求設計鋼結構，并完成建設。在鋼結構建設工程中，焊接技術屬于關鍵技術，現分析對海洋鋼結構，針對其中吊點焊接問題展開研究。

1 焊接在海洋鋼平臺中的應用特點

1.1 海洋鋼結構的主要特點

海洋鋼結構建設應用的主要原材料是低碳鋼與低合金鋼，往往需要結合鋼結構的實際工作條件與項目具體要求來選擇材料與搭建方式，確保所用的鋼材料能夠達到強度標準，滿足應用要求。海洋結構的屈服強度等級包括500MPa、420MPa、400MPa幾個等級，厚度大多在10mm至15mm之間，次鋼結構使用的鋼材屈服強度等級偏低，235MPa等級的鋼材就可滿足。針對自升型鉆井船樁腿，應選用高強鋼[1-3]。

海洋鋼結構在鉆探海上油氣資源的活動中發揮重要作用，使用鉆探設備需要有自升鉆井平臺以及半潛式鉆井平臺提供支持，開采設備需要的平臺包括固定化導管架系統、順應塔平臺與立柱式平臺等。自升式鉆井平臺通過柱腿被固定到海床上，并起到支撐作用，將鉆井相關設施直接設置到船體上，船體依靠齒輪與齒條嚙合活動可在樁腿間上下運動，進而實現不同海上環境的鉆探需求。采用固定型導管架時，需利用打樁技術將其固定，平臺中的導管架能被用于支持其他結構體系，承擔上部結構的重量。選用不同的開采設備與鉆探設備工作時，對于鋼結構的需求也有所不同的，需結合具體情況進行選用。

1.2 焊接技術的應用特點

海洋鋼結構與普通構筑物結構不同，需要長期處于海洋環境中，因此對于材料的強度與質量往往有更嚴格的要求。焊接作為鋼結構施工中的關鍵技術，更要得到重視，確保焊接能符合綜合性能要求。次要結構中大多運用低碳鋼，具體多為正火與熱軋的高強度鋼與高強度低碳調質鋼，所使用的鋼材料性能與化學成分都應符合標準，施工過程中，必須按照焊接技術要求施工，以達到較高的焊接質量。完成焊接活動后，鋼結構的關鍵部位會保留一定的剩余熱應力，應及時予以熱處理，以減輕熱應力對鋼結構綜合穩定性造成的負面影響。

2 海洋鋼結構吊點的焊接缺陷

焊接缺陷對鋼結構的影響極大，如果不處理焊接缺陷，將其長期留存到鋼結構中，相當于給鋼結構埋下隱患，因此不僅要消除已有的焊接缺陷，同時還必須在施工階段就進行有效預防，尤其是要關注吊點等重要部位，降低焊接風險，依照施工要求合理應用焊接技術與設備，減少甚至消除鋼結構上的焊接隱患。現列舉常見的鋼結構吊點相關的焊接缺陷，并分析如何進行預防與正確應對。

2.1 鋼結構吊點缺陷產生的原因

吊點大多屬于全位置焊縫，仰焊、立焊、橫焊以及平焊等主要位置均存在吊點。部分焊縫接近仰焊與橫焊，但又不完全是仰焊或者橫焊，操作控制難度較高。實際鋼結構施工中，受位置與板厚等因素的影響，吊點焊接極易出現缺陷，常見缺陷包括未熔合與夾渣等，也有出現裂紋的可能性，對鋼結構的質量造成直接影響，基于吊點的重要性，必須了解常見吊點焊接缺陷，做好預防焊接缺陷與應對焊接缺陷的準備工作。

焊接缺陷，尤其是吊點的焊接缺陷大多是因為施工不規范導致的，因此要控制缺陷必須要求施工參與者嚴格按照參數要求進行焊接施工，但是也不能忽視一些特定位置，即使工藝選擇與操作過程沒有問題，但受到結構特點的影響，還是有較大概率產生缺陷，如未熔合與夾渣。重視關鍵位置是極為必要的，如不符合標準的位置以及筋板相對密集的區域要重點關注[4]。

2.2 咬邊缺陷

蓋面焊道是咬邊缺陷主要發生的區域，出現率極高，如果不嚴謹地對結構進行分析與考察，就會忽視這種缺陷。當產生咬邊缺陷后，接頭處的疲勞強度將隨之降低，如果處理不及時，就會給海洋鋼結構造成重大隱患。分析咬邊缺陷后，發現其形成原因包括焊接速度快、選擇電流大、參數不符合實際情況等，沒有實現充分擺動，最終導致弧坑不能被有效填滿。

在應對咬邊缺陷時，需要強化操作人員的責任心，開展規范的焊接操作，確定適合的焊接角度，選擇適合的弧長并進行充分擺動，以此來消除咬邊缺陷。當結構已經出現輕微程度的咬邊缺陷，可通過打磨使其恢復平滑，如果咬邊缺陷已經發展得較為嚴重，應當將焊道磨掉，重新進行補焊。

2.3 裂紋缺陷

海洋鋼結構中危險度最高的缺陷就是裂紋缺陷，不能使吊點處產生裂紋。常見的裂紋主要包括冷裂紋與熱裂紋，應結合形成原因對其進行有效預防。施工中較為常見的多是冷裂紋，如果焊接拘束度過大或者預熱溫度過低就容易使吊點處出現冷裂紋，而焊材受潮后，會有氫氣進入到焊道中，同樣也能引發裂紋。

控制裂紋時，首先要關注預熱溫度是否達到標準，焊道全部方向上大于厚度的區域范圍內實際溫度都必須達標；焊接不能出現中斷情況，層間溫度應高于預熱溫度；如果需要在濕度過高的環境中進行施工，應當針對局部部位進行干燥處理，給吊點焊接創造良好的實施條件；注重清理焊道，將表面區域的鐵銹油污去除，以此保護焊材免于受潮；焊接后需要讓焊道以較為緩慢的速度進入冷卻狀態，不能直接暴露到外部環境中，當溫度逐步降低后，再將加熱片去除。

2.4 氣孔缺陷

焊接吊點部位時，在特定條件下也會出現氣孔缺陷，但是出現概率比其他常見缺陷要低。預防氣孔缺陷時，需要清理焊材與母材，將鐵銹與油污去除，對保護氣展開檢查，確保氣壓達到標準，按照要求管理及應用焊材，遭遇大風天氣時，需要對焊材進行特別保護。

2.5 未熔合缺陷

在筋板相對密集的區域更容易出現未熔合缺陷，且這種缺陷容易受到位置因素的限制，形成原因主要有以下兩種：首先可能是由于采用的焊接規范不適用施工的情況，使電弧過長或過小，坡口角度偏小，鈍邊大或者間隙狹窄；另外一方面是由于操作方法錯誤，如焊條擺幅不合適、電弧產生偏吹、焊條角度偏離標準值或者運條速度太快等。大部分未熔合缺陷都處于位置受限的焊縫上，形成這一缺陷后，返修難度高，因此在施工環節就應對這一缺陷進行預防，盡量減少未熔合缺陷，以免影響鋼結構的整體穩定性。未熔合缺陷見圖1。

圖1 未熔合缺陷

施工前要充分考慮實際的施工情況，選擇運用最合適的焊接規范，確保焊接速度、電弧電壓以及焊接電流都能滿足吊點焊接應用需求。選擇合適的對口規范標準，將焊層間與坡口兩側的污物與熔渣清除干凈；在運條時，可通過調整焊條角度來形成均勻的熔合效果，并實現熔透；實際進行焊接前，可先對運條情況進行模擬，找出會受影響的部位，做好應對準備，徹底消除未熔合問題。

2.6 夾渣缺陷

夾渣缺陷多在仰焊部位，同樣存在位置受限的情況，受到焊接位置的限制，熔池很難完全鋪開，如果沒有精準地調整形成合適的參數，就會產生溝槽，進而使吊點處形成夾渣。當母材的清潔沒有做好時，焊材也會受到外部污染，出現夾渣問題。結合夾渣情況形成的原因，應在吊點焊接的規定范圍內，選出合理的工藝參數，使熔池得以正常鋪開，既不會起溝，也不會起棱。將前層焊渣徹底清除，發現棱溝后，可啟動砂輪機實施打磨，直至平滑為止。調整焊接手法，對擺動變化進行控制，保持合理的電弧長度，通過電弧來帶動熔池在指定位置正常展開。

3 海洋鋼結構吊點變形控制建議

3.1 吊點變形問題

焊接變形是鋼結構焊接活動中比較常見的現象，會影響尺寸，形成誤差。如果焊縫區域進入冷卻狀態后，形成收縮，焊件隨之出現內應力，當焊件的剛度無法對焊縫區域施加的收縮力進行有效克服時，焊件將出現變形的問題。在開展海上鋼結構安裝工作時，以吊點為受力點，在結構中處于關鍵位置。吊點由筋板、加強環與主吊點共同組成，厚度往往超過80mm，選擇K型坡口的比較多，工藝則選用FCAW-G，應用DW-A55L焊材，可省略焊后熱處理的環節。主要焊縫包括主吊點與加強環焊接、立柱與加強環焊接、加強環本身焊接、立柱與主吊點焊接。焊縫較為集中，焊后變形幅度大，控制難度偏高。在吊點焊接時，受焊縫集中、位置受限以及板材偏厚等因素影響，出現缺陷與變形的可能性極大，如果不控制吊點的問題，鋼結構的質量也無法保障，安裝導管架與組塊時的危險性也會增強[5]。

3.2 反變形與對稱焊接

采用對稱焊接的方式可解決吊點的變形問題，將組對步驟提前進行，先對加強環與吊點進行組對，再進行點焊固定，最后實施焊接，以此實現對變形的控制，結合結構形式完成對稱焊接，兩邊產生的變形量可相互抵消。吊點焊接中有部分為單面式的焊坡口，這種條件下無法運用對稱焊接技術，可將筋板設置到反面實施強力固定，當約束力過強時，接頭處集中了較大的應力，會引發裂紋缺陷，因此面對單面焊形式的坡口時，可采用反變形技術應對變形，同樣也有良好的抵抗變形效果。

3.3 形成正確的焊接順序

當結構構件受熱不均時，也會發生形變，針對因受熱不均而導致的變形問題，通過調整焊接順序，可減輕變形影響。先對導管立柱與主吊點的焊縫進行焊接，考慮此焊縫是否屬于受力焊縫，在未形成一體化吊點結構體系時先完成焊接，使其得以自由地變形、收縮，減少內部應力，由于其為K型坡口，所以選擇同時在兩邊施焊可獲得更好的防變形效果。對導管架與加強環的環縫進行焊接，這些環縫往往用于固定起吊點，實際填充量很大，加強環所具有的相對面積也很大，因此當加強環變形后，吊點也會隨之出現變形的情況，應當選擇對稱焊接技術，同時調小焊接參數。

3.4 有效把控層間溫度與熱輸入

受熱不均是當前鋼結構焊縫變形的主要原因之一，熱輸入較大的區域受熱問題更為嚴重，構件也會偏向受熱較大的區域。當施工中已經出現變形的問題時，可結合變形方向改變焊道的熱輸入，降低熱輸入數值，也可在焊道溫度降低到一定程度后再進行焊接，縮小變形幅度，減少變形給鋼結構帶來的影響。

4 結論

海洋鋼結構受作業環境與工藝要求的影響，建設難度極高，本文主要從吊點焊接的角度展開研究，列舉了常見的焊接缺陷，并針對每一種焊接缺陷提出了應對方法，結合變形問題，提出控制層間溫度、采用對稱焊接以及調整焊接順序等建議。焊接人員在完成海洋鋼結構焊接，尤其是吊點焊接時，必須保證按照施工規范操作，以實際焊接條件為準正確處理焊接任務，消除缺陷與變形等不良焊接情況，給海上鋼結構提供更優質的焊接。