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平臺鋼結構焊接變形控制措施

作者：建筑鋼結構網    
時間：2010-09-30 16:37:21 [收藏]
摘要:本文結合鋼結構焊接變形的基礎理論與海上鋼平臺焊接的實踐經驗，從節(jié)點設計、焊接工藝和施工管理方面總結了平臺鋼結構焊接變形的控制措施，保證了平臺鋼結構的...
    關鍵詞：平臺鋼結構焊接變形控制
        摘要:本文結合鋼結構焊接變形的基礎理論與海上鋼平臺焊接的實踐經驗，從節(jié)點設計、焊接工藝和施工管理方面總結了平臺鋼結構焊接變形的控制措施，保證了平臺鋼結構的工程質量。

        關鍵詞:平臺鋼結構;焊接變形;控制措施

        0概述

        鋼結構因其技術成熟、施工周期短、易于回收等獨特優(yōu)勢，在海上油氣結構設施中得到了迅速發(fā)展和普遍應用。而焊接作為一項重要的鋼結構制作和連接技術，廣泛應用于平臺鋼結構的預制與安裝中，但隨之帶來的焊接變形問題也日益突出，對鋼結構的外形美觀、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雜的矯正工作，嚴重的變形甚至會使焊件結構報廢。因此，綜合分析平臺鋼結構焊接變形產生的原因及其影響因素，采取適當措施控制焊接變形，對于保證平臺鋼結構工程質量具有重要意義。

        1平臺鋼結構的組成

        平臺鋼結構一般由平臺立柱、梁、撐桿、鋪板等組成。這些系統(tǒng)構件采用焊接H型鋼、熱軋H型鋼、角鋼、槽鋼、鋼板、結構無縫(有縫)鋼管，以及各種用于節(jié)點的異型鋼和箱形梁等。

        2平臺鋼結構焊接變形的基本形式及變形分析

        2.1平臺鋼結構焊接變形的基本形式

        平臺鋼結構焊接變形的基本形式有：焊接過程中產生的變形及焊后殘留在結構中的焊接殘余變形，其中焊接殘余變形對平臺鋼結構焊接質量有較大影響。

        焊接殘余變形按其對整個結構影響程度不同，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構局部變形，其它的屬于結構整體變形。而平臺鋼結構最多發(fā)生的是結構整體焊接變形。

        2.2平臺鋼結構焊接變形的原因分析

        根據焊接基本原理分析，平臺鋼結構產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構中各部分金屬熱脹冷縮的程度不同，而焊件結構本身是一個整體，各部分金屬的膨脹和收縮因受到了周圍金屬的影響、制約，不能自由地進行，這樣在結構內部就會產生焊接變形。

        2.3影響平臺鋼結構焊接變形的因素

        2.3.1焊縫的布置

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

        2.3.2結構剛性

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

        2.3.3裝配和焊接順序

        結構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備料和裝配質量

        備料情況和裝配質量對焊接變形也會產生影響。例如，裝配間隙大，焊縫的橫向收縮也大。此外還應考慮焊件的自重和形狀，對長形構件，在焊前需恰當地加以支撐。

        2.3.5焊接參數

        在諸多焊接參數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?。缓附拥姆謱臃绞?；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。

        在平臺鋼結構焊接生產中，不同種類的焊接變形往往并不是單獨出現的，而是同時出現，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控制平臺鋼結構焊接變形的設計措施

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

        在平臺鋼結構焊接節(jié)點構造設計時，應注意以下幾點：

        3.1盡量減少焊縫的數量、尺寸

        鋼結構中焊縫數量越多、尺寸越大，焊接熱源對結構的熱輸入就越大，產生的焊接變形也就越大。因此在設計鋼結構節(jié)點構造時，應力求減少焊縫數量和尺寸。

        3.2合理選用焊縫的坡口形狀和尺寸

        設計平臺鋼結構節(jié)點焊縫時，應在保證結構具有足夠承載能力的條件下，采用適當的坡口形狀和尺寸，以減少焊縫截面積及結構的焊接變形。

        3.3焊縫位置應對稱于構件截面的中性軸

        焊縫位置盡可能對稱于構件截面的中性軸，或者盡量靠近中性軸，這對減少梁、柱等一類鋼結構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力，從而減少焊接變形。

        3.5焊縫位置應避開高應力區(qū)

        焊縫區(qū)的應力越大，則鋼結構越容易產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，應采用全焊透焊縫。

        4控制平臺鋼結構焊接變形的工藝措施

        在平臺鋼結構焊接施工過程中，根據不同的節(jié)點構造及焊縫形式，采取適當的焊接工藝措施，對于控制鋼結構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應將鋼結構盡可能先裝配成整體再焊接

        這樣可以增大鋼結構焊接時的剛性，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生的彎曲變形小得多。

        4.1.2對稱焊縫應采用對稱焊接法

        對截面形狀、焊縫布置均勻對稱的鋼結構件，應采用對稱焊接施工。

        4.1.3不對稱焊縫先焊焊縫少的一側

        一般先焊的焊縫由于結構剛度較小易使結構產生變形。因此，對于不對稱焊縫的鋼結構，應先焊焊縫少的一側，后焊焊縫多的一側。這樣可使后焊的變形足以抵消先焊一側的變形，以減少結構總體變形。

        4.1.4采用不同的焊接順序控制焊接變形

        對于鋼結構中的長焊縫，在可能的情況下將連續(xù)焊改成分段焊，并適當地改變焊接方向，可使局部焊縫造成的變形適當減少或相互抵消，以減少結構總體變形。

        4.2反變形

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

        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件，限制其焊接變形。例如，采用裝焊胎卡具等增加鋼結構在焊接時的剛度，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構，焊后往往會產生彎曲變形。如果在結構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選擇適當，就可以減少或防止結構彎曲變形。

        4.5合理地選擇焊接方法和焊接工藝參數

        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，可減少平臺鋼結構焊接變形；選用較小的焊接熱輸入及合適的焊接工藝參數，可減少鋼結構受熱范圍，從而減少焊接變形。

        4.6提高平臺鋼結構板材平整度和構件組裝精度

        對于較長平臺鋼結構的扭曲，主要靠提高鋼結構板材平整度和構件組裝精度，來使坡口角度和間隙準確，電弧的指向對中準確，以使焊縫角變形和翼板及腹板縱向變形值與鋼結構長度方向一致，以減少鋼結構的扭曲變形。

        4.7預拉伸法

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

        5控制平臺鋼結構焊接變形的焊接施工管理措施

        要控制平臺鋼結構焊接變形，還必須從以下三個方面采取相應的焊接施工管理措施：

        5.1企業(yè)資質

        平臺鋼結構工程焊接制作與安裝單位應具有船級社認可的企業(yè)資質、焊接質量管理體系、平臺焊接施工經驗等條件。

        5.2焊接工藝及人員資質

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

        5.3嚴格執(zhí)行焊接工藝和焊接檢驗程序

        平臺鋼結構焊接人員應加強責任心，根據批準的設計圖樣和焊接工藝中的規(guī)定精心組織和施焊；焊接質量檢驗人員應按照批準的檢驗程序和標準要求嚴格把關，以確保平臺鋼結構的整體焊接質量。

        6結論

        (1)通過采取適當的設計措施、工藝措施和嚴格的焊接施工管理措施，大多數情況下可有效地控制平臺鋼結構焊接變形，達到保證工程質量的目的。

        (2)由于影響平臺鋼結構焊接變形的因素較多，鋼結構有時出現焊接變形是難以避免的。因此在平臺鋼結構制造與安裝中，焊后對鋼結構焊接變形的矯正(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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