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(shè)水平大幅提升，海洋平臺承載著現(xiàn)代人能源開發(fā)等活動，為了持續(xù)推進海洋項目的開發(fā)工作，需要結(jié)合具體項目需求設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)，并完成建設(shè)。在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)工程中，焊接技術(shù)屬于關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)分析對海洋鋼結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的主要特點

海洋鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)應用的主要原材料是低碳鋼與低合金鋼，往往需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在鉆探海上油氣資源的活動中發(fā)揮重要作用，使用鉆探設(shè)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(shè)備需要的平臺包括固定化導管架系統(tǒng)、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(guān)設(shè)施直接設(shè)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(xiàn)不同海上環(huán)境的鉆探需求。采用固定型導管架時，需利用打樁技術(shù)將其固定，平臺中的導管架能被用于支持其他結(jié)構(gòu)體系，承擔上部結(jié)構(gòu)的重量。選用不同的開采設(shè)備與鉆探設(shè)備工作時，對于鋼結(jié)構(gòu)的需求也有所不同的，需結(jié)合具體情況進行選用。

1.2 焊接技術(shù)的應用特點

海洋鋼結(jié)構(gòu)與普通構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)不同，需要長期處于海洋環(huán)境中，因此對于材料的強度與質(zhì)量往往有更嚴格的要求。焊接作為鋼結(jié)構(gòu)施工中的關(guān)鍵技術(shù)，更要得到重視，確保焊接能符合綜合性能要求。次要結(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)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(shù)要求施工，以達到較高的焊接質(zhì)量。完成焊接活動后，鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)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(jié)構(gòu)綜合穩(wěn)定性造成的負面影響。

2 海洋鋼結(jié)構(gòu)吊點的焊接缺陷

焊接缺陷對鋼結(jié)構(gòu)的影響極大，如果不處理焊接缺陷，將其長期留存到鋼結(jié)構(gòu)中，相當于給鋼結(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)與設(shè)備，減少甚至消除鋼結(jié)構(gòu)上的焊接隱患?，F(xiàn)列舉常見的鋼結(jié)構(gòu)吊點相關(guān)的焊接缺陷，并分析如何進行預防與正確應對。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)吊點缺陷產(chǎn)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(jié)構(gòu)施工中，受位置與板厚等因素的影響，吊點焊接極易出現(xiàn)缺陷，常見缺陷包括未熔合與夾渣等，也有出現(xiàn)裂紋的可能性，對鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(guī)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(shù)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(jié)構(gòu)特點的影響，還是有較大概率產(chǎn)生缺陷，如未熔合與夾渣。重視關(guān)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(qū)域要重點關(guān)注[4]。

2.2 咬邊缺陷

蓋面焊道是咬邊缺陷主要發(fā)生的區(qū)域，出現(xiàn)率極高，如果不嚴謹?shù)貙Y(jié)構(gòu)進行分析與考察，就會忽視這種缺陷。當產(chǎn)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(jié)構(gòu)造成重大隱患。分析咬邊缺陷后，發(fā)現(xiàn)其形成原因包括焊接速度快、選擇電流大、參數(shù)不符合實際情況等，沒有實現(xiàn)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(guī)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(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)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(jīng)發(fā)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(jié)構(gòu)中危險度最高的缺陷就是裂紋缺陷，不能使吊點處產(chǎn)生裂紋。常見的裂紋主要包括冷裂紋與熱裂紋，應結(jié)合形成原因?qū)ζ溥M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(xiàn)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(fā)裂紋。

控制裂紋時，首先要關(guān)注預熱溫度是否達到標準，焊道全部方向上大于厚度的區(qū)域范圍內(nèi)實際溫度都必須達標；焊接不能出現(xiàn)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(huán)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(chuàng)造良好的實施條件；注重清理焊道，將表面區(qū)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(tài)，不能直接暴露到外部環(huán)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(xiàn)氣孔缺陷，但是出現(xiàn)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(qū)域更容易出現(xiàn)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(guī)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(chǎn)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(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)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(guī)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(guī)范標準，將焊層間與坡口兩側(cè)的污物與熔渣清除干凈；在運條時，可通過調(diào)整焊條角度來形成均勻的熔合效果，并實現(xiàn)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(diào)整形成合適的參數(shù)，就會產(chǎn)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(xiàn)夾渣問題。結(jié)合夾渣情況形成的原因，應在吊點焊接的規(guī)定范圍內(nèi)，選出合理的工藝參數(shù)，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(fā)現(xiàn)棱溝后，可啟動砂輪機實施打磨，直至平滑為止。調(diào)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(jié)構(gòu)吊點變形控制建議

3.1 吊點變形問題

焊接變形是鋼結(jié)構(gòu)焊接活動中比較常見的現(xiàn)象，會影響尺寸，形成誤差。如果焊縫區(qū)域進入冷卻狀態(tài)后，形成收縮，焊件隨之出現(xiàn)內(nèi)應力，當焊件的剛度無法對焊縫區(qū)域施加的收縮力進行有效克服時，焊件將出現(xiàn)變形的問題。在開展海上鋼結(jié)構(gòu)安裝工作時，以吊點為受力點，在結(jié)構(gòu)中處于關(guān)鍵位置。吊點由筋板、加強環(huán)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(huán)節(jié)。主要焊縫包括主吊點與加強環(huán)焊接、立柱與加強環(huán)焊接、加強環(huán)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(xiàn)缺陷與變形的可能性極大，如果不控制吊點的問題，鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(huán)與吊點進行組對，再進行點焊固定，最后實施焊接，以此實現(xiàn)對變形的控制，結(jié)合結(jié)構(gòu)形式完成對稱焊接，兩邊產(chǎn)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(shù)，可將筋板設(shè)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(fā)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(shù)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(jié)構(gòu)構(gòu)件受熱不均時，也會發(fā)生形變，針對因受熱不均而導致的變形問題，通過調(diào)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(jié)構(gòu)體系時先完成焊接，使其得以自由地變形、收縮，減少內(nèi)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(huán)的環(huán)縫進行焊接，這些環(huán)縫往往用于固定起吊點，實際填充量很大，加強環(huán)所具有的相對面積也很大，因此當加強環(huán)變形后，吊點也會隨之出現(xiàn)變形的情況，應當選擇對稱焊接技術(shù)，同時調(diào)小焊接參數(shù)。

3.4 有效把控層間溫度與熱輸入

受熱不均是當前鋼結(jié)構(gòu)焊縫變形的主要原因之一，熱輸入較大的區(qū)域受熱問題更為嚴重，構(gòu)件也會偏向受熱較大的區(qū)域。當施工中已經(jīng)出現(xiàn)變形的問題時，可結(jié)合變形方向改變焊道的熱輸入，降低熱輸入數(shù)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(jié)構(gòu)帶來的影響。

4 結(jié)論

海洋鋼結(jié)構(gòu)受作業(yè)環(huán)境與工藝要求的影響，建設(shè)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(jié)合變形問題，提出控制層間溫度、采用對稱焊接以及調(diào)整焊接順序等建議。焊接人員在完成海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接，尤其是吊點焊接時，必須保證按照施工規(guī)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(jié)構(gòu)提供更優(yōu)質(zhì)的焊接。