常用海洋平台钢结构焊接技术和要求

韦天华

摘要：近几年来，随着经济和科技的日益发展，海洋作为人类的生产活动的重要领域，其价值，尤其是深海，已经成为国际上研究、开发的重点关注的对象；而在海洋开发中，海洋平台作为人类在海洋生产活动的载体，其为了满足生产活动的需求，结构日趋大型化，复杂化，目前海洋平台结构一般采用钢结构焊接的连接形式，其结构的大型化和复杂化，会使构件厚度增加和焊缝更加复杂，因此在海洋平台建造及改造时，对结构焊接的要求也越来越高。作者在本文中介绍目前海洋平台结构常用的焊接技术和要求。

关键词：钢结构;海洋平台;焊接

海洋平台结构主要连接有：梁与柱，梁与梁，管与柱连接等，除此之外，还有吊耳这种非规则性的大型构件的连接。随着国家走向深海，海洋平台结构需要在越来越恶劣的海洋环境作业，为适应其需求，海洋工程也随之产生不少新型的焊接技术，但新型技术目前应用较少，价格较高，所以本文只对近几年常用的焊接技术做说明。

1.海洋平台结构焊接的特点

我国海洋平台焊接主要采用的规范为《美国焊接学会标准钢结构焊接规范》（AWSD1.1/D1.1M），海洋平台一般设计寿命为20年到25年，其焊接工艺方面：

1）为了防止冷裂缝和提高热影响区的韧性，多采用低氢型和超低氢型碱性焊条；

2）焊接热量输入通常限制在40～50kJ／cm的范围，以确保焊接接头的韧性和抗脆断性；

3）厚板焊件，一般焊前需预热，以防止裂纹发生；

4）大型组合梁焊接，特别是海上钻机的滑轨有特殊的设计和建造公差；

5）管节点和关键部件焊后还需要进行热处理，以消除焊接残余应力；

6）管件桁架结构大多采用全位置、全熔透、多层多道手工焊接；

7）承受交变应力的管节点和关键构件的焊缝需根据设计要求进行磨修或熔修，以修整焊缝和消除表面缺陷，减少应力集中，提高疲劳寿命。此位置的疲劳寿命不得小于5倍的设计寿命外加1年的安装时间；

8）对于焊缝厚度超过50mm的大型构件有特殊要求，比如吊耳的焊缝。

2.对海洋平台结构焊接件的机械性能要求

所有的焊接件的机械性能试验至少满足规范的最低要求。

所有的焊接件的机械性能试验应由有认证的实验室和机构进行，同时业主和第三方机构需在现场见证。

一般的机械性能试验有：

1）横向拉伸试验

2）弯曲试验

3）宏观断面和硬度试验

4）夏比V形缺口冲击试验

5）堆焊鉴定试验

3.海洋平台结构焊接材料的选择

国内海洋平台用钢多数是碳素钢（GB/T700）、船舶及海洋工程用钢（GB712）和低合金高强度钢（GB/T1591）。在选择焊接材料时，应选用与钢材相匹配的焊条或焊丝和焊剂，使焊后焊缝金属和焊接接头的性能与母材的性能基本一样，阻止焊缝和热影响区焊接裂纹的发生和扩展，不致发生脆断和疲劳。

焊接材料还要根据平台构件级别不同，分别选用不同级别的材料。次要构件选用普通结构钢焊条，如J422、J423或等，主要构件选用相应级别的低氢型碱性焊条，如J427、J507等，对于特殊构件，一定要用相应等级的低氢型或超低氢型碱性焊接材料，以防止冷裂纹和提高焊缝金属和焊接头的韧性。对于约束较多、应力集中的节点，选用塑性韧性好的低氢碱性焊条和韧性高的焊丝和碱性焊剂，Z向性能钢的焊接选用低氢型和超低氢型焊接材料。

4.海洋平台结构焊接

4.1焊接工艺确定

焊接工艺规程是根据焊接工艺合格记录制定的规程，是对初步焊接工艺规程的修正。

焊接工艺规程应包括下列内容：

1）钢材的等级和尺寸；

2）焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）等级、牌号及规格；

3）接口、坡口的设计及公差要求；

4）焊接的位置，包括平焊、横焊、立焊、仰焊等；

5）焊接顺序；

6）焊接参数，包括焊接电流、电弧、电压、焊接速度和热量输入范围；

7）焊前预热和层间温度；

8）焊后热处理参数。

4.2焊工和无损检测人员认可

参加管节点焊缝焊接的工人和无损检测人员，要经过专门的考试认定，现场焊接管节点的焊工需取得相关合格考试认定。

4.3常用的焊接方法

常用的焊接方法有三类：熔焊、压焊和钎焊，海洋平台结构焊接主要采用熔焊，其中埋弧自动焊、手工电弧焊和CO2气体保护焊应用最广。

4.4焊接环境和施焊条件

焊接作业在具有防风、防雨雪的遮蔽条件下进行，特别是在露天进行气体保护焊时。一定要有防风措施。施焊时的环境温度不得低于经批准的焊接工艺认可试验所规定的最低温度，一般风速不得超过5级，相对湿度不得大于90%。

4.5预热和层间温度

遇有下列情形之一时，焊接前应预热，预热温度应与认可的焊接工艺一致：

1）焊接高强度钢，特别是淬火回火钢，厚横截面钢材或承受高约束的钢材；

2）高湿度条件下；

3）钢材的温度低于0℃。

点焊、制造焊接、碳弧气刨和热切割的预热要求是一致的，预热应遵循规范和标准，并与焊接工艺规程一致。

当环境温度等于或低于-20℃时，除非采取业主批准的特定防护措施来保持要求的预热温度，否则不应进行焊接操作。

预热温度的允许变化范围为+50℃到0℃之间，最大层间温度不超过250℃。

对于50℃或更高温度的预热应采用电加热器或气加热器，但不可采用气割枪预热。

焊缝准备区两侧至少75mm范围内应达到最小预热温度。

预热和层间温度的测量可以采用温度显示碳棒、热电偶、接触温度计或者业主认可的温度测量方法。

焊接中断后，再次开始焊接前应重新进行预热。

4.6坡口预制

焊缝坡口面预制应采用热切割、打磨或者机械加工，开坡坡口面和所有其他焊接面距离焊缝边缘至少12mm范围内均应清理为光洁面。

坡口面应进行100%目测检验。

预制完成的焊缝破口应光滑，不存在凹陷、缺损，以免影响焊缝质量。由于火焰切割造成的凹槽如果深度小于5mm，在焊接前应局部打磨至平滑轮廓，如果凹槽深度大于5mm，应按照业主批准的焊接工艺规程进行坡口修正。

如果焊接接头处根部间隙超过规范要求，焊接接头应进行修整。如果焊缝一侧或者两侧不可能进行修整，应采用堆焊层加打磨直至满足规范误差要求。

根据已批准的焊接程序，堆焊层高度尺寸需小于2t（t为较小板厚值)，如果超过此要求，需重新进行预制工作。

不应采用永久性背面垫板条，临时背面垫板条应与焊接母材具有相同的公称成分，并且在焊接结束后予以移除。

4.7常见焊缝类型

海洋平台结构焊缝常见的焊缝有：

1）对接缝，海洋平台结构的对接缝一般为全熔透焊，对于厚度超过6mm的构件对接，采用构件开坡口的形式，保证构件的厚度能充分焊透，常用的坡口形式为V型和X型，厚度小于20mm的采用V型坡口，大于或等于20mm的采用X型坡口。

2）角焊缝，对于大厚度板全熔透角焊缝，焊接应力高，应力集中严重。为减少应力集中，要求角焊缝表面成为凹面形，并平滑地向母材表面过渡。对特殊构件（关键构件）的角焊缝施焊时，焊工应仔细地焊成凹面形，并要求修整加工。

3）多层多道缝，高强钢构件时需要进行多层、多道焊接，焊接时采用窄道焊而不作横向摆动的运条技术，每道焊缝以不超过7mm为宜。

5.海洋平台结构焊缝检验

海洋平台结构焊缝检验采用外观检验（目测）和无损检验。检验人员应通过有效的视力检查（满足规范中相关要求），此视力检查有效期为三年，检验人员必须在有效期内才可以进行检验工作。无损检验（NDT）程序应遵循规范，检验员根据规范或被认可的同等规范进行工艺鉴定，并负责材料的接收或者拒收。

常用的无损检验的方法有：射线检验（RT）、超声波检验（UT）和磁粉检验（MPI）。

结构构件或焊接节点分为主要构件、次要构件和附属构件，主要构件一般需100%进行目测检验，磁粉检验和超声波检验或射线检验，次要构件则一般需100%进行目测检验，50%或10%的磁粉检验和用超声波检验或射线检验抽检，附属构件仅需100%进行目测检验。

对于关键构件检验，如吊耳的检验，应该焊接完成48小时后在进行无损检验，并在所有吊耳焊接完成15天后、结构出海前进行无损检验复查。如果需进行多次吊装操作，在每次吊装操作后应再次进行复查。

超声波检验或射线检验的无损检验报告应对图纸数目、焊工标识编码、检验的焊接节点描述清楚且可追溯。磁粉检验报告应建立在对给定图纸一定百分比焊缝检验的基础上。

6.海洋平台结构焊接公差

随着海洋平台的大型化，各种尺寸的大型组合梁应用到海洋平台结构中，组合梁由大厚度的板材焊接而成，由于焊缝过长，焊缝较为集中，容易导致焊接变形，尤其在钻机滑轨方面。焊接变形会导致结构的承载力下降，也对结构安装精度有很大影响，在焊接时应选择合理的焊接顺序，采用反变形法，设计应尽可能采用对称焊缝来消除焊缝及其热影响区残余应力。对于已发生焊接变形的构件，可以采用机械矫正法和火焰矫正法，使构件的尺寸公差满足规范和设计要求。

7.结束语

本文总结了目前国内海洋平台的常用焊接技术和要求，其经济性和实用性仍为海洋平台陆上预制的主流技术和要求，但难在水下应用，目前老平台的改造和远海作业则需要水下焊接，将目前的常用的焊接技术应用到新的环境，是未来海洋平台焊接技术研究和发展的一个方向和重点。

参考文献：

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