海洋钢结构的焊接质量控制措施分析.pdf

47石油化工近年来，经济生产与社会生活对于石油、天然气等资源的需求量不断攀升，油气开采的陆海并进局面更为深入。在科技水平不断提升的推动下，人们对于海洋油气资源的认识也在不断提升，海洋资源的开采业也在不断朝着深海方向发展。在海上资源勘查与开采过程中，海洋钢结构是必不可少的支撑结构，是海洋资源得以顺利开展的重要保障。在海洋钢结构的连接施工过程中，焊接是最为主要的方式，在海洋钢结构的建设过程中有着至关重要的作用。并且随着海洋钢结构的形式不断朝着专业化、规模化发展，对于钢结构的焊接施工要求也越来越高。唯有全面保障海洋作业平台钢结构的焊接施工质量，才能为海洋资源开采作业的顺利进行提供保障。一、海洋钢结构焊接特点分析在海洋钢结构平台施工过程中，低碳钢、低合金钢是主要的钢材料，在实际施工过程中需要结合海洋环境、结构类型等选择强度合适的钢材。一般来说，主结构主要选择用屈服度为350500MPa强度等级，厚度约为100150mm的高强钢，自升式钻井船桩腿主要采用500690MPa的高强钢，齿条的厚度需控制在100200mm之间，其他型式的平台则主要以屈服强度为350MPa的低碳钢为主，而一些较为次要的钢结构会选择使用强度更低一点的钢材。海洋钢结构工作环境的特殊性，决定了其在焊接施工方面的较高要求，较之普通的钢结构焊接，海洋钢结构的焊接具备较为明显的特点。在焊条选择方面，需要选择低氢或者超低氢的碱性焊条。在焊接施工之前必须做好充分的预热准备，避免出现钢板断裂问题。尤其是需要注意对初始热输入值的严格控制，才能有效保障焊缝的足够强度；在完成焊接之后需要对余热电压进行及时处理，确保结构的安全、稳定。二、海洋钢结构焊接检验要求1.核对尺寸在对海洋钢结构进行焊接施工之前，需要对钢结构的尺寸进行准确测量、叠加，结合对设计图纸的参考检验钢结构材料尺寸，如检查螺旋钢管厚度、内径、材料分布等情况。2.检查坡口情况在海洋钢结构焊接过程中，坡口焊接是至关重要的环节。对于斜面的焊接主要是采用全熔透焊接的方式进行焊接。在进行钢结构主体焊接之前，技术人员必须详细检查螺母位置，折角、焊缝材料、钢板预热等都需严格按照相关标准进行控制，同时需要结合焊接实际制定合理的焊接标准要求，如确保根部自由度合适，时间间隔不宜过大、过小，严格控制焊接的弯曲角度，尽可能地控制坡口焊接误差，确保钢结构焊接良好的稳定性。3.监测坡口预热预热是海洋钢结构焊接质量保障的关键，尤其是预热温度的控制与螺帽预热方法的选择更是至关重要。在进行焊接热处理温度余冷却控制过程中，需要确保厚板、高强钢主体的预热温度满足技术文件要求，采用电阻加热片的预热方式进行预热的同时需要将热处理区域坡口控制在75cm以内，并且不能和螺母直接对位。4.焊接过程监控在进行海洋钢结构的复合焊接过程中需确保焊接施工人员具备相应的施工资质，做好对焊接材料的保温、烘干、防风等措施。在进行焊接试验过程中，需结合对拉伸计、温度计等工具的合理使用，尤其是质量管理人员应重视加强对主升降平台、厚板、连接结构的检验、记录，确保各项焊接施工充分满足设计与规范要求。三、焊接工艺对海洋钢结构焊接质量的影响分析在对海洋钢结构进行焊接施工过程中，主要涉及的海洋钢结构的焊接质量控制措施分析米军中海油能源发展装备技术有限公司【摘要】近年来，随着海洋资源的不断深入探索与开发，海上钻井平台等海洋钢结构的建设数量与建设规模也在不断扩大。由于海上环境的特殊性，海洋钢结构的焊接质量控制显得尤为重要。与常规的钢结构相比，海洋钢结构的焊接质量控制更为严格与复杂。基于此，主要对海洋钢结构的焊接及焊接质量控制相关措施进行了分析、探讨，希望能够为提高海洋钢结构的焊接质量提供有益参考。【关键词】海洋钢结构；焊接；焊接工艺；预热；处理【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.17.01648石油化工焊接工艺有预热、热输入量、层间温度、焊后热处理，这些工艺的应用都会对海洋钢结构的焊接质量产生直接影响。1.预热在对海洋钢结构进行预热处理过程中，较为常用的方法有电阻加热、红外线加热、可燃气体烤把、电磁感应加热等，充分的预热能够有效降低焊缝的冷却速率，使得焊接施工的焊缝冷却速度处于较低状态，避免在焊缝中形成脆性组织，进而出现焊接的脆性裂缝、断裂。同时，做好预热处理还能够有效去除焊缝的扩散氢，进而避免出现冷裂纹问题出现。一般来说，预热温度增加，冷裂纹的比率下降。在进行海洋钢结构焊接预热过程中，可结合钢结构焊接规范中，母材强度、厚度，以及焊接材料扩散氢含量等参数，选择合适的钢材预热温度。2.层间温度在海洋钢结构焊接过程中，确保层间温度最小也是降低焊缝冷却速率，降低氢致冷裂概率的重要措施，同时将层间温度控制在最小，也是有效限制最大层间温度，避免焊缝力学性能减弱的重要方法。一般情况下，可以采用提高预热温度的方式提高海洋钢结构的焊接质量，但是也会导致能源消耗增加。对此，可采用提高焊接效率的方式来提高层间温度，达到降低焊接成本的目的。相关实验也证明，层间温度越高，焊缝的抗拉强度、屈服强度、冲击韧性等反而会不断降低。3.热输入量控制热输入量，也是控制焊缝与热影响区冷却速率的重要措施，以免损害焊接接头力学性能。就热输入量对焊缝冷却速率影响而言，在20kJ/cm以下时，热数量越低，对于焊缝冷却速率的影响越大。在海洋钢结构焊接过程中，较高的热输入量极易在焊接位置产生晶粒较大的微观组织，进而削弱焊缝强度。热输入越大，焊缝微观晶粒也会不断增加，进而严重削弱焊接强度。4.焊后热处理在完成焊接之后需要及时进行消除应力热处理，有效消除焊缝残余的应力，进而达到降低焊缝、HAZ硬度，提升钢结构塑性与韧性的目的。同时这也是减少焊缝扩散氢含量的重要措施。在进行焊后热处理过程中，主要需要对热速率、降温速率、保温温度与时间等参数进行控制，以及控制加热与冷却是工件产生的最大温差。尤其是保温温度与时间会对钢结构的最后焊接质量产生严重影响。对最大温差进行严格控制，主要是为了确保工件温度的均匀分布，以及达到降低热应力的效果。一般来说，海洋钢结构的焊缝保温温度需要控制在600650，并且将保温时间控制在2h以上。许多时候，可以选择炉内加热或者局部加热的方式进行焊后的热处理。在完成焊接之后，在保持最低预热温度的情况下进行焊后的消氢处理，这也是焊后热处理的重要内容，此时需要将消除应力热处理温度控制在50250，保温时长控制在0.52h以内。焊后消氢热处理是有效降低焊缝溶解扩散氢含量的重要方式，能够有效避免焊接冷裂纹的问题。四、海洋钢结构焊接质量控制措施在海洋钢结构焊接施工过程中，焊接工艺的应用会对最后的焊接质量产生直接影响。结合海洋钢结构通用标准与规范分析，在海洋钢结构焊接过程中需要确保焊接接头能够充分满足常规机械性能的要求，确保钢结构焊接具备较好的弯曲性、抗冲击性、硬度、拉伸强度等，同时还需保障在冷裂倾向、抗疲劳等方面的良好强度，充分保障海洋钢结构的焊接质量。1.焊接冷裂纹的控制在海洋钢结构焊接过程中，若是熔池冷却至200以下极易出现裂纹，这种裂缝一般在焊接完成后的数小时或者数天之后出现。冷裂纹的产生主要是由于焊缝扩散氢、焊缝塑性组织薄弱、残余应力等因素共同作用的结果。扩散氢，主要是焊材与大气的因素影响产生。焊缝中的残余应力则主要受到焊缝咬边、气孔、熔合度或者焊透度不足等影响产生，若是构件结构过于复杂，或者是构件厚度过大，焊缝中的残余应力也会随之增大。焊接过程中焊缝的碳当量提升、冷却速度增加时会降低焊缝塑性。因此，对于焊接冷裂缝的控制，可从以下几个方面着手：一是使用含氢较低的焊接材料，尽可能的减少焊缝中的扩散氢含量。海洋钢结构的厚大焊缝的氢敏感度较高，在实际施工过程中需严格按照相关规范做好焊条、焊剂的烘焙准备工作。无论是焊条还是焊剂都极易吸收空气中的水分，尤其是焊条暴露在海洋环境大气中的时间越长，焊条的水分也会不断增加。值得注意的是，药芯无法进行烘焙，在焊接过程中，需采用保护罩罩住焊丝对其进行保护，在完成焊接之后再将焊丝取下包装好保存，尽可能地降低焊丝对空气水分的吸收。二是适当提升预热温度，减小焊缝冷却速率，预防焊缝产生脆性组织，以及有效降低焊缝的扩散氢含量。三是做好焊后的消氢处理，有效降低焊缝扩散轻含量，及时进行焊后的应力消除处理是消除焊缝残余应力与降低焊缝扩散氢含量的重要措施。在海洋钢结构尤其是特厚大工49石油化工件的焊接施工过程中，需要做好预热与焊后消氢工作，才能有效避免焊接冷裂纹问题。四是尽可能地控制焊接缺陷，降低应力集中产生的概率，同时需要加强对焊接结构的合理设计，降低焊接接头拘束度，有效降低焊接接头应力，避免冷裂纹产生。2.层状撕裂的控制海洋钢结构焊接施工涉及诸多管节点的施工，一般称为T、K、Y节点。T、K、Y节点的焊接极易产生应力高度集中的问题，进而产生层状撕裂。在钢材内部有着一些极为细小、分散分布的，与钢材表面平行的非金属夹层，在受到厚度方向拉力的作用下会产生严重的层状撕裂。除此之外，焊缝中扩散氢问题的产生也会受到层状撕裂的影响。在实际焊接施工过程中，层状撕裂问题的预防可采用以下预防措施：一是尽可能地使用Z向性能钢，将焊接断面的收缩率控制在35%以内；二是选择含硫量较低的钢材，例如使用含硫量在0.008%以内的钢材；三是在进行焊接前做好钢材的夹层探测，避免出现夹层断层等问题；四是尽可能地使用低氢焊接材料，严格按照焊接规范进行焊接施工，减少焊缝扩散氢含量；五是在进行焊接施工前需对钢材进行充分预热。3.抗疲劳性能的控制海洋钢结构焊接施工会涉及诸多T、K、Y节点的焊接施工，甚至有时会出现一根弦杆外接多根支管的现象。在进行这些节点的处理过程中会产生较为复杂的应力，并且极易产生应力集中现象。为有效避免应力过于集中而产生疲劳破坏。对于这类节点的焊缝需要进行打磨光滑处理，控制焊缝轮廓的圆滑度。在进行焊缝轮廓控制过程中，需充分做到以下几点：一是采用减少焊趾与母材及焊道缺口效应，或者是降低焊缝残余应力等方式来增强焊缝的抗疲劳性能，如优化焊缝剖面形状，打磨焊缝轮廓，打磨焊趾等；二是采用凹形的焊缝轮廓形状，焊缝轮廓的最小半径为支管壁厚的一半，并确保焊缝轮廓与邻近母材的光滑度一致，且焊趾焊道的凹角要在135以上。想要获得预期的焊缝剖面形状，需要对焊接材料进行合理选择，选择湿润性与成形特性较好的专门的熔覆盖面焊道，同时确保焊接施工人员较好的专业技术水平。在完成焊接施工之后，需采用专业的圆盘检测工具进行焊缝剖面轮廓形状的仔细检查，对焊趾与焊道之间的缺口进行打磨修整，确保焊道与母材、焊道与焊道之间的沟槽深度在1mm以下。三是合理使用焊趾重熔技术，对焊趾位置的缺口几何形状进行合理修正，提高焊接连接位置的疲劳性能。但是，需注意，焊接与冷却过程的不断、快速循环，会对热影响区硬化效果产生影响，同时受到海水的影响极易出现应力腐蚀裂纹，对此，需要在焊接施工时采用预热、缓冷等方法进行应力腐蚀裂纹的严格控制，同时需要将焊缝的咬边控制在0.3mm以内。四是采用圆头锤锤击焊趾位置，做好焊趾位置的抛丸处理，在可能产生疲劳裂纹的位置施加一定残余应力，引起这些部位出现少量的塑性变形，进而达到降低焊缝残余拉应力的目的。还有就是在进行追踪的焊缝打磨过程中，需要确保打磨的方向与焊缝轴线方向保持垂直。4.硫化氢应力腐蚀开裂的控制海水环境中含有少量的H2S，并且海洋钢结构建设的海域污染程度越高，海水中的H2S含量也越高。在H2S的影响下，焊接接头位置会出现应力腐蚀开裂的问题，尤其是在焊趾位置与较为常见，并且会朝着HAZ和母材扩展。相关实验证明，若是焊缝位置的应对超过Rc22，此时硫化氢应力腐蚀的裂纹的敏感度也会不断增加。因此，在海洋钢结构的焊接施工过程中，所使用的抗硫化氢应力裂纹的金属材料必须将焊接接头的硬度控制在Rc22以下，以避免出现硫化氢应力腐蚀开裂问题。为有效防止硫化氢应力腐蚀开裂，还可从以下几点着手：一是采用较高的预热温度，减缓焊缝冷却速度；二是对层间温度进行合理控制，采用较小的焊接热输入量，以免出现脆性断裂；三是对焊缝进行及时的焊后热处理，降低接头位置硬度。五、结束语唯有对焊接参数对焊缝质量影响，以及对焊接质量问题产生的原因进行深入分析的基础上，结合对各个焊接工艺应用要点的严格把控，针对焊接施工质量问题，采取有效的应对措施，才能有效保障海洋钢结构较好的焊接质量。参考文献：1隋喜斌，董长乐，赵洪卫，等.焊接质量控制在海洋石油平台钢结构中的应用J.现代工业经济和信息化，2022，12(07):172-173.2刘群，王邦陈，李方勇，等.海洋石油平台钢结构焊接质量控制与检验方法分析J.现代工业经济和信息化，2022，12(06):330-331.3王政严.海洋石油平台钢结构焊接质量控制及检验研究J.云南化工，2020，47(09):145-146+149.作者简介：米军（1982），男，汉族，天津宝坻区人，本科，工程师，研究方向：工程管理、海洋结构。