焊接小車在海洋采油平臺承重環板焊接中的應用

劉彭超，蘇衍福，夏仲輝，李景強，蔡忠彪，張國南

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 序言

隨著國家開發海洋資源技術和海洋工程裝備的快速發展，我國海洋采油平臺陸地建造水平和海上安裝能力逐步提升。同時海洋石油開發由淺水走向深水，這對海洋采油平臺焊接質量及工藝提出了極其嚴格的要求，尤其對主結構立柱承重環板要求更為嚴格。全熔透的主結構立柱承重環板焊接一般采用人工半自動CO2氣體保護焊進行焊接作業，與埋弧焊方法相比，其焊接效率低，焊工勞動強度大。但由于環板焊縫呈弧形，所以埋弧焊和我公司現有的CO2氣體保護焊接小車無法實現環板焊縫焊接。為此，本文主要針對主結構立柱承重環板焊接，通過精心研究，對現有CO2氣體保護焊接小車設備零件進行改造，實現小車的自動化；并通過合理選擇焊接參數，改造后設備已在全熔透的立柱承重環板焊接中成功應用，在保證焊接質量的同時，提高了生產效率。

2 對自動化焊接小車進行創新改造

CO2氣體保護焊接小車的焊接質量好、效率高，但由于焊接小車零部件的構造受限，因此在以往的生產中，其只能應用于焊接角焊縫，例如筋板立焊、甲板對接平焊以及仰角焊位置的焊接工作。

焊接小車零部件構造受限主要是由于焊槍夾具過短，因此無法滿足對立柱的焊接要求，并且定位輪不能旋轉，只能直線運行，不適用帶弧度的環縫焊接。通過自制焊槍夾具加長桿，來解決焊槍夾具過短問題的同時，還實現了焊槍焊接角度的變化；通過增加兩個方向定位輪，來改變焊接小車只能直線行走的軌跡，同時可根據環焊縫的焊接弧度進行弧線軌跡行走。焊接小車改造前后對比如圖1所示。

圖1 焊接小車改造前后對比

根據車間的施工環境、設備及海洋鋼結構相關標準，海洋采油平臺立柱承重環板坡口形式一般選擇單邊V形或K形（見圖2），坡口角度為45°±5°，間隙為2～4mm。本文以渤海油田某海洋采油平臺承重環板的陸地建造為例，介紹CO2氣體保護焊接小車在其焊接過程中的應用。

圖2 坡口節點形式

3 焊前準備

1）海洋采油平臺立柱承重環板組對前，使用砂輪機、磨光機等打磨工具將坡口及兩側母材各25mm范圍內（以距坡口邊緣的距離計算）的氧化皮、鐵銹、油污及其他有害雜質打磨干凈，露出金屬光澤，并打磨出厚度為1～2mm的鈍邊。

2）選用松下NBC-350型焊機，施工時保證焊機通風條件、接地良好。按照焊接工藝程序要求，采用直流反接法。將焊槍固定在改造后的CO2氣體保護焊接小車上，并調試好小車行走軌跡及焊槍在坡口中的位置。

3）本項目選用TWE-711Ni型號的焊絲，其焊接工藝性能良好，電弧穩定，成形美觀，飛濺少，脫渣容易，能夠獲得塑性良好、抗低溫沖擊性能穩定的焊縫金屬。焊絲要求放置在專用焊接材料庫，需在領取后的8h內使用。超出8h未用完的焊絲要退還焊接材料庫專門管理。

4）焊前預熱的目的主要是減緩焊縫及熱影響區的冷卻速度。在海洋鋼結構焊接中，對預熱的要求特別高，否則容易造成焊接裂紋等缺陷。焊前按照焊接工藝程序選擇預熱方法，使其達到焊接工藝所要求的最低預熱溫度以上，以保證焊接質量。焊接過程中要保持焊縫溫度不低于預熱溫度，如中途停止焊接，再次焊接時則需重新對焊縫處進行預熱[1，2]。

4 焊接參數

根據選用的焊接材料、焊接方法、坡口形式，經過不斷摸索并進行焊接工藝評定，最終確定的最佳焊接參數見表1。

表1 焊接參數

5 焊接過程注意事項

焊接過程中的質量控制對產品最終質量起著重要作用，施焊焊工必須持有所施工項目審批合格的相應資質，焊接過程中還要考慮各種因素的影響，并采取有效的控制措施，從而避免焊接缺陷的產生，有效保證焊接質量。

1）在點焊過程中，要選擇與正式焊接相同的焊接材料、預熱溫度，且點焊長度應適當加長。保證焊槍焊嘴與立柱的夾角（也就是焊嘴傾角）保持在15°～35°，焊嘴傾角隨著焊接層和焊道排列道數的增多而變化。由于焊嘴是傾斜的，所以熟練掌握傾角角度對操作者來說尤為重要。

2）電弧引燃后及時觀察傾角的變化，通過調整上下、左右微調旋鈕，調整到合適的焊接電流、電弧電壓、行走速度等參數，且保證以上參數均在焊接工藝規定的范圍內。時刻保持焊槍及機頭的有序跟進，嚴防小車行走軌跡及焊槍因偏離焊縫而影響焊接質量。

3）在進行多層多道焊接時，如果道與道之間熔合覆蓋比例不合理，則易造成層間未熔合、夾渣等焊接缺陷，因此多道焊焊接過程中要注意，施焊焊道一定要覆蓋上一焊道長度的1/2～2/3，避免出現焊接缺陷。

6 焊接質量控制及檢測

CO2氣體保護焊具有焊接速度快、電流密度大等特點，相比焊條電弧焊熔敷率高，焊后一般不需要清渣，生產效率比焊條電弧焊高1～3倍，且電弧熱量集中，熱影響區小，變形小，因此在低碳鋼和低合金鋼焊接中廣泛應用。

CO2氣體保護焊在焊接過程中，當焊接參數匹配不當時，會造成金屬飛濺多。飛濺不僅會黏在導電嘴端部和噴嘴內壁，造成送絲不暢，降低氣體保護效果，使電弧燃燒不穩定，還會降低焊絲熔敷系數，增加焊接成本，且抗風能力較弱，室外作業需要有防風措施。另外，CO2氣體保護焊的半自動焊槍比焊條電弧焊焊鉗重，操作靈活性較差，焊工勞動強度大，這也是采用CO2氣體保護焊接小車代替人工操作的主要原因。

采用改進后的CO2氣體保護焊接小車進行海洋采油平臺立柱承重環板焊接，由于操作簡單，焊接速度均勻，焊接參數按照操作規程選擇，因此成形后的外觀光滑均勻，焊道之間圓滑過渡無溝槽、寬窄均勻、熔合良好（見圖3）。焊后進行無損檢測和力學性能試驗均符合《海洋鋼結構質量體系》要求。首次焊接焊縫長度為3.9m，經MT、UT檢測（見圖4）一次性合格率均達到100%，高于公司的質量目標。

圖3 采用CO2氣體保護焊接小車焊接的焊縫外觀

圖4 檢測人員進行焊縫無損檢測

7 焊接效率及推廣價值

對于海洋采油平臺立柱承重環板的焊接，以往通常要求具有豐富經驗、焊接技能水平高的焊工進行焊接，但焊工技能水平參差不齊，焊接質量和焊接外觀的控制就會不同，產品的焊接效率也無法保證。

改造后的CO2氣體保護焊接小車與傳統手工半自動CO2氣體保護焊相比，承重環板焊縫成形質量良好，減少了焊后修復環節，提高了生產效率，且改善了施工環境，滿足了環保要求，保證了員工的身心健康。同時由于自動化程度高，對焊工焊接技能要求低，焊工只需時刻注意焊接情況的變化并做出相應的調整，小車的焊接效率相比手工焊接提升效率超過30%。在提升效率、節省成本的同時，改造后的CO2氣體保護焊接小車今后可以應用到更多海洋采油平臺立柱承重環板的焊接，為公司高質量發展提供更高效的技術支持。

8 結束語

此次通過對CO2氣體保護焊接小車進行改造，使其從以往只能進行焊接直線形焊縫到目前成功應用于弧形焊縫的全熔透焊接，大大降低了焊工的勞動強度，改善了作業環境。本次改造具有廣泛的適用性，凸顯了技術創新在實際生產中的重要性。