1.2.3. 海洋石油工程股份有限公司 天津塘沽 300452
摘要：立柱环缝焊接是建设普遍的一环，但其一次焊接合格率不稳定，时常出现返修。为了改善焊接质量，提高环缝焊接检验合格率，通过创新思路，精细研究，运用手段，对焊接缺陷的原因进行分析，针对原因提出对策，并在渤中34-1项目WHPE、WHPF组块建造过程中加以实验、实施，最终成功改善焊接合格率，实现焊接合格率达到乃至超过行业标准。
关键词：立柱环缝焊接；焊接缺陷分析；环缝焊接合格率；改善焊接质量
概述
作为海洋钢结构的典型代表，组块的主要结构由两层或多层水平甲板片，以及三根或多根垂直立柱组成。因为这些垂直立柱为主要受力结构，在组块建设过程中，其组对精度和焊接质量尤为重要。完成焊接后，这些立柱需要接受100%磁粉检验和100%超声波检验，以验证其尺寸精度和焊缝质量。
随着组块建造工艺的优化，组块主立柱逐渐由整根预制转变为分段预制和现场接长，进而产生了许多现场焊口。根据组块规模大小，一般每层主甲板每根立柱分别有一道现场对接口，这种焊口在焊接时存在难点：
1、由于立柱内部空间狭窄，导致无法进行立柱内侧环缝清根焊接，无法有效去除氧化铁、熔渣等杂质对焊缝精度的影响；
2、受立柱本身结构特点和材料特性影响，薄、厚壁过渡区域容易出现壁厚不足或组对间隙等现象，造成超声波检验不合格；
3、由于1、2点，受杂质和组对间隙影响，在立柱环缝橫焊时，易出现未融合、夹渣等缺陷。导致组块立柱环缝焊接后，经常出现焊接一次合格率较低的情况，需要额外返修，产生额外资源投入，影响下一步工作。
本文通过分析缺陷出现原因，列举并比较了消除缺陷的几种工艺，并对立柱环缝的现场焊接质量进行了讨论，进而形成目前行之有效的方法。
一、利用预留余量消除薄、厚管壁过渡区域缺陷
管壁薄、厚壁过渡区域易出现壁厚不足的原因，主要是因为立柱自身结构特点，和材料特性所致。因较薄管壁容易发生形变，与较厚管壁组对时，在组对间隙处就容易出现过渡不均匀、间隙不连续等现象。为解决这个问题，需要在切割过渡时，分别在薄、厚两侧管壁都预先留有2毫米余量，现场焊口组对时，再预先留有4毫米间隙。这样在焊接时，使用恰当的焊接手段，来平滑过渡切割时预留的2毫米余量，以达到薄、厚壁内部的圆滑过渡。
厚壁过渡处的厚度不足产生在图1的A点处，产生原因在于：1.立柱钢管卷制过程中产生的非圆度；2.端面错边；3.切割器具的精度不足；4.切割后的打磨等辅助加工不均匀。此现象对焊接影响不大，主要危害是造成组块主立柱的强度不足，并且打底焊道与厚度不足处容易形成夹角，如图1的B点处所示。此处已形成应力集中，使用超声波探头进行70°超声波检验时，出现不合格，体现为整圈或大范围的根部缺陷。返修时，即使将所有焊缝全部清楚重新焊接，返修后的焊道也难以合格，再次进行超声波检验还会出现同样的波形，导致检验不合格。实际施焊时，受天气、环境、安全等因素制约，且严重占用吊机资料，造成人力与吊机浪费严重，甚至在立柱长度超过吊机起重能力的情况下，根本无法进行此项修复工作。
由于前述原因，经研究，提出解决方法是，在厚壁管段过渡切割时留有2毫米余量，该焊口组对时留4毫米间隙，焊接时利用打底焊道进行背面过渡，使用恰当的焊接技巧避免打底焊道与母材间出现尖锐夹角，缓解应力集中点位，以达到薄、厚管壁区域的圆滑过渡，可成功克服厚度不足、焊道与母材夹角及引力集中问题。
二、利用单面焊双面成型技术取代内部清根焊接
1.选用焊条手工焊打底、二氧化碳气体保护焊填充盖面组合工艺
在渤中34-1项目WHPE和WHPF组块建造过程中，获批的组合工艺编号为WPS No:BZ-312，其主要参数为：
3.同时，打底焊之前应做好相应的防风、防雨、防潮、除锈等工作，并根据编号WPS No:BZ-312的焊接程序，对待焊部位进行严格预热至110℃，还要采取适当措施加以保温。
三、在编号WPS No:BZ-312的程序范围内合理选用焊接参数进行填充焊接
1.靠下端直边坡口第一道焊缝选用较大的热输入，控制在2.3 KJ/mm以内，电流选～230A、电压选～26V、焊接速度控制在160-170mm/min范围内，热输入即可保持在2.11-2.242.3 KJ/mm之间。
值得注意的是，以该种方法施焊时，每一层的第一道焊缝都选用较大的参数，焊丝角度在焊接方向上始终保持90°±5°，焊丝在坡口内角度始终处于前一道焊缝与母材夹角的角平分线上。这样可有效避免焊道与母材融合处易产生未熔合的现象。
2.每一层的第一道焊道之后的焊道，其焊接参数应适当减小，如电流选～210A，电压选～25V，焊接速度控制在170-180 mm/min范围内，热输入即可保持在1.75-1.85KJ/mm之间。每一道的焊丝角度在焊接方向上始终保持90°±5°，焊丝在坡口内角度始终处于前两道焊缝之间夹角的角平分线上。较后面的这些焊缝应选用较小的参数，可以避免焊肉下坠而造成的夹渣现象。
3.在整个填充焊接过程中始终保持层间温度控制在WPS No:BZ-312要求的110℃-250℃之间，并严格控制热输入。
4.填充最后一层时不可填满，留2毫米余量，由于此焊口较宽，最后一层填充必须平整不可有沟槽或凹缺，必要时用砂轮打磨。盖面参数应适中，电流选200A，电压选24V，焊接速度控制在220-260mm/min范围内，热输入即在1.1-1.3KJ/mm之间。
同样的，焊丝角度在焊接方向上始终保持90°±5°，在坡口内：下面第一道焊丝水平偏上15°，上面最后一道焊丝水平偏下15°，中间焊道焊丝基本水平。在盖面焊接时保持焊接速度平稳一致，下一焊道压在上一焊道的2/5处，保证每一道焊道平直即可形成平整光滑的盖面焊缝。
以上方法在涠洲12-1项目的组块建造过程中，经实践总结形成，在渤中34-1项目WHPE及WHPF组块建造过程中成熟并得以推广，在渤中34-1WHPE、WHPF两座组块进行立柱环缝现场焊接时，主要解决了以下四个难题：
1、薄、厚壁过渡易产生壁厚不足导致超声波检验不合格；2、现场口无法进行内部清根焊接；3、橫焊易产生未融合、夹渣缺陷；4、焊缝表面成型不良。
本方法有效的提高了组块立柱环缝焊接合格率，降低了环缝返修率，改善了组块建造整体质量，降低了建造成本，提高了施工效率。
参考文献
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[3]王迎军，王宝才，等，半自动CO2气体保护焊焊接Q420钢工艺研究[J]，金属加工(热加工)热加工，2010(10)：33-36.
作者简介
1. 刘睿锋，男，1986年6月出生，2010年7月毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，现任海油工程股份有限公司建造公司助理工程师，从事结构生产协调与技术管理工作。
2. 李天翔，男，1983年9月出生，2012年1月毕业于中国石油大学工程管理专业，现任海油工程股份有限公司建造公司技术员。
3. 何凤山，男，1970年9月出生，现任海油工程股份有限公司建造公司焊接班长，从事结构焊接工作。
论文作者:刘睿锋1,李天翔2,何凤山3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/24
标签：立柱论文; 焊丝论文; 管壁论文; 合格率论文; 余量论文; 夹角论文; 打底论文; 《基层建设》2018年第7期论文;