結(jié)構(gòu)工程師:平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制措施

　　0 概述$lesson$

　　鋼結(jié)構(gòu)因其技術(shù)成熟、施工周期短、易于回收等獨特優(yōu)勢，在海上油氣結(jié)構(gòu)設(shè)施中得到了迅速發(fā)展和普遍應(yīng)用。而焊接作為一項重要的鋼結(jié)構(gòu)制作和連接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于平臺鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制與安裝中，但隨之帶來的焊接變形問題也日益突出，對鋼結(jié)構(gòu)的外形美觀、順利安裝和使用功能等造成了一定的影響，而且給焊后帶來大量復(fù)雜的矯正工作，嚴(yán)重的變形甚至?xí)购讣Y(jié)構(gòu)報廢。因此，綜合分析平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形產(chǎn)生的原因及其影響因素，采取適當(dāng)措施控制焊接變形，對于保證平臺鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量具有重要意義。

　　1 平臺鋼結(jié)構(gòu)的組成

　　平臺鋼結(jié)構(gòu)一般由平臺立柱、梁、撐桿、鋪板等組成。這些系統(tǒng)構(gòu)件采用焊接H型鋼、熱軋H型鋼、角鋼、槽鋼、鋼板、結(jié)構(gòu)無縫(有縫)鋼管，以及各種用于節(jié)點的異型鋼和箱形梁等。

　　2 平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的基本形式及變形分析

　　2.1平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的基本形式

　　平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的基本形式有：焊接過程中產(chǎn)生的變形及焊后殘留在結(jié)構(gòu)中的焊接殘余變形，其中焊接殘余變形對平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量有較大影響。

　　焊接殘余變形按其對整個結(jié)構(gòu)影響程度不同，可分為整體變形和局部變形;按其特征可分為：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形和錯邊變形等。在這些焊接殘余變形中，角變形和波浪變形屬于結(jié)構(gòu)局部變形，其它的屬于結(jié)構(gòu)整體變形。而平臺鋼結(jié)構(gòu)最多發(fā)生的是結(jié)構(gòu)整體焊接變形。

　　2.2平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的原因分析

　　根據(jù)焊接基本原理分析，平臺鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接變形的根本原因是：焊接時局部的不均勻加熱和冷卻使結(jié)構(gòu)中各部分金屬熱脹冷縮的程度不同，而焊件結(jié)構(gòu)本身是一個整體，各部分金屬的膨脹和收縮因受到了周圍金屬的影響、制約，不能自由地進(jìn)行，這樣在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生焊接變形。

　　2.3影響平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的因素

　　2.3.1 焊縫的布置

　　焊縫若沿構(gòu)件截面分布不對稱，則會引起該構(gòu)件焊接時產(chǎn)生彎曲變形。

　　2.3.2 結(jié)構(gòu)剛性

　　焊后焊縫一般都產(chǎn)生縱向和橫向收縮，這種收縮受到整個結(jié)構(gòu)的限制而產(chǎn)生“收縮力”。對于剛性大的焊接結(jié)構(gòu)在這種力的作用下產(chǎn)生的變形比較小;而剛性小的焊接結(jié)構(gòu)在這種力的作用下就產(chǎn)生較大的變形。

　　2.3.3裝配和焊接順序

　　結(jié)構(gòu)的整體剛性總是比它的部件的剛性大，抗變形能力也大。有了合理的裝配順序還需要有合理的焊接順序配合，以控制變形。

　　2.3.4備料和裝配質(zhì)量

　　備料情況和裝配質(zhì)量對焊接變形也會產(chǎn)生影響。例如，裝配間隙大，焊縫的橫向收縮也大。此外還應(yīng)考慮焊件的自重和形狀，對長形構(gòu)件，在焊前需恰當(dāng)?shù)丶右灾巍?/P>

　　2.3.5焊接參數(shù)

　　在諸多焊接參數(shù)中焊接線能量與焊接變形成正比，焊接線能量越大則焊接時產(chǎn)生的塑性變形區(qū)面積越大，焊后的焊接變形越大，反之則越小。決定焊接線能量的因素主要有：焊縫尺寸的大小;焊接的分層方式;焊接的初始溫度;焊縫是否連續(xù)。

　　2.3.6焊接方法

　　對于相同焊件、相同焊縫，不同的焊接方法，其焊接變形也不同，埋弧焊的焊接變形最大，其次為手弧焊，最小的焊接變形為CO2氣體保護焊。

　　在平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)中，不同種類的焊接變形往往并不是單獨出現(xiàn)的，而是同時出現(xiàn)，互相影響的。只有全面分析影響焊接變形的各種因素，掌握其影響規(guī)律，才能采取合理的措施來控制焊接變形。

　　3 控制平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的設(shè)計措施

　　平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點構(gòu)造形式多，比較復(fù)雜。如果在節(jié)點構(gòu)造設(shè)計上考慮得比較周全，注意減少鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，往往比單純從焊接工藝上來解決問題方便得多。

　　在平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點構(gòu)造設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾點：

　　3.1盡量減少焊縫的數(shù)量、尺寸

　　鋼結(jié)構(gòu)中焊縫數(shù)量越多、尺寸越大，焊接熱源對結(jié)構(gòu)的熱輸入就越大，產(chǎn)生的焊接變形也就越大。因此在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造時，應(yīng)力求減少焊縫數(shù)量和尺寸。

　　3.2合理選用焊縫的坡口形狀和尺寸

　　設(shè)計平臺鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點焊縫時，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)具有足夠承載能力的條件下，采用適當(dāng)?shù)钠驴谛螤詈统叽纾詼p少焊縫截面積及結(jié)構(gòu)的焊接變形。

　　3.3焊縫位置應(yīng)對稱于構(gòu)件截面的中性軸

　　焊縫位置盡可能對稱于構(gòu)件截面的中性軸，或者盡量靠近中性軸，這對減少梁、柱等一類鋼結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。

　　3.4避免焊縫集中和雙向、三向相交

　　這樣可減少焊縫交叉點處或焊縫集中處的熱量及應(yīng)力，從而減少焊接變形。

　　3.5焊縫位置應(yīng)避開高應(yīng)力區(qū)

　　焊縫區(qū)的應(yīng)力越大，則鋼結(jié)構(gòu)越容易產(chǎn)生焊接變形及焊接裂紋。

　　3.6不同的節(jié)點采用不同的焊接要求

　　例如，焊接組合箱形梁、柱的縱向角焊縫，宜采用全焊透(應(yīng)采用墊板單面焊)或部分焊透的對接與角接組合焊縫;箱形梁與隔板的焊接，應(yīng)采用全焊透焊縫。

　　4 控制平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的工藝措施

　　在平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接施工過程中，根據(jù)不同的節(jié)點構(gòu)造及焊縫形式，采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚧胧瑢τ诳刂其摻Y(jié)構(gòu)焊接變形也具有非常重要的作用。

　　4.1采用合理的裝配焊接順序

　　4.1.1應(yīng)將鋼結(jié)構(gòu)盡可能先裝配成整體再焊接

　　這樣可以增大鋼結(jié)構(gòu)焊接時的剛性，以減少變形。以H型鋼梁為例，先整體裝配再焊接，其焊后的上拱彎曲變形，要比邊裝邊焊順序所產(chǎn)生的彎曲變形小得多。

　　4.1.2對稱焊縫應(yīng)采用對稱焊接法

　　對截面形狀、焊縫布置均勻?qū)ΨQ的鋼結(jié)構(gòu)件，應(yīng)采用對稱焊接施工。

　　4.1.3不對稱焊縫先焊焊縫少的一側(cè)

　　一般先焊的焊縫由于結(jié)構(gòu)剛度較小易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。因此，對于不對稱焊縫的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)，后焊焊縫多的一側(cè)。這樣可使后焊的變形足以抵消先焊一側(cè)的變形，以減少結(jié)構(gòu)總體變形。

　　4.1.4采用不同的焊接順序控制焊接變形

　　對于鋼結(jié)構(gòu)中的長焊縫，在可能的情況下將連續(xù)焊改成分段焊，并適當(dāng)?shù)馗淖兒附臃较颍墒咕植亢缚p造成的變形適當(dāng)減少或相互抵消，以減少結(jié)構(gòu)總體變形。

　　4.2反變形

　　焊前將平臺鋼結(jié)構(gòu)裝配成具有與焊接變形方向相反、大小相等的預(yù)先反變形，以抵消結(jié)構(gòu)焊后形成的變形。例如，為了防止H型鋼梁上下翼板焊后產(chǎn)生角變形，可在焊前使用油壓機或折邊機將其翼板預(yù)先反向壓彎。

　　4.3剛性固定

　　在沒有反變形的情況下，利用外加約束來固定構(gòu)件，限制其焊接變形。例如，采用裝焊胎卡具等增加鋼結(jié)構(gòu)在焊接時的剛度，以減少變形。

　　4.4熱平衡法

　　對于某些焊縫不對稱布置的平臺鋼結(jié)構(gòu)，焊后往往會產(chǎn)生彎曲變形。如果在結(jié)構(gòu)上與焊縫對稱的位置上采用氣體火焰與焊縫同步加熱，只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，就可以減少或防止結(jié)構(gòu)彎曲變形。

　　4.5合理地選擇焊接方法和焊接工藝參數(shù)

　　選用熱量集中、熱影響區(qū)較窄的CO2氣體保護焊等焊接方法代替手弧焊、埋弧焊，可減少平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形;選用較小的焊接熱輸入及合適的焊接工藝參數(shù)，可減少鋼結(jié)構(gòu)受熱范圍，從而減少焊接變形。

　　4.6提高平臺鋼結(jié)構(gòu)板材平整度和構(gòu)件組裝精度

　　對于較長平臺鋼結(jié)構(gòu)的扭曲，主要靠提高鋼結(jié)構(gòu)板材平整度和構(gòu)件組裝精度，來使坡口角度和間隙準(zhǔn)確，電弧的指向?qū)χ袦?zhǔn)確，以使焊縫角變形和翼板及腹板縱向變形值與鋼結(jié)構(gòu)長度方向一致，以減少鋼結(jié)構(gòu)的扭曲變形。

　　4.7預(yù)拉伸法

　　采用機械預(yù)拉伸、加熱預(yù)拉伸或兩法同時使用的預(yù)拉伸，可使薄板鋼結(jié)構(gòu)預(yù)先得到拉伸而伸長。這時在張緊的薄板結(jié)構(gòu)上裝焊骨架，就可有效地防止波浪變形。

　　5 控制平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的焊接施工管理措施

　　要控制平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，還必須從以下三個方面采取相應(yīng)的焊接施工管理措施：

　　5.1企業(yè)資質(zhì)

　　平臺鋼結(jié)構(gòu)工程焊接制作與安裝單位應(yīng)具有船級社認(rèn)可的企業(yè)資質(zhì)、焊接質(zhì)量管理體系、平臺焊接施工經(jīng)驗等條件。

　　5.2焊接工藝及人員資質(zhì)

　　在開工建造前，焊接工藝應(yīng)經(jīng)船級社批準(zhǔn)。焊接人員(包括焊接工程師、無損檢測人員、焊工、切割人員等)，必須經(jīng)過專門技術(shù)培訓(xùn)，取得相應(yīng)資格證書，并應(yīng)具有一定焊接實踐經(jīng)驗和技術(shù)水平，方能持證上崗。

　　5.3嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝和焊接檢驗程序

　　平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接人員應(yīng)加強責(zé)任心，根據(jù)批準(zhǔn)的設(shè)計圖樣和焊接工藝中的規(guī)定精心組織和施焊;焊接質(zhì)量檢驗人員應(yīng)按照批準(zhǔn)的檢驗程序和標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格把關(guān)，以確保平臺鋼結(jié)構(gòu)的整體焊接質(zhì)量。

　　6 結(jié)論

　　(1)通過采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計措施、工藝措施和嚴(yán)格的焊接施工管理措施，大多數(shù)情況下可有效地控制平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，達(dá)到保證工程質(zhì)量的目的。

　　(2)由于影響平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的因素較多，鋼結(jié)構(gòu)有時出現(xiàn)焊接變形是難以避免的。因此在平臺鋼結(jié)構(gòu)制造與安裝中，焊后對鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的矯正(機械矯正或火焰矯正)也是一種必不可少的工藝措施。

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