海洋石油工程焊接变形控制要点探讨

任宏斌，邢媛，刘淑艳，马红旗，葛刚，朱颖

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461）

陵水17-2气田开发工程项目是世界上首个万吨级储气半潜平台，也是目前世界上最大柱稳式半潜平台，其作业区域位于中国南海海域，海况环境恶劣，有30年不进坞的设计要求，其船体和上部模块部分结构复杂、分段多，焊接工作多，精度管控要求严苛。本文依托陵水17-2项目在建过程中的实际经验，分析和梳理焊接变形控制的原因、控制要点，为后续类似半潜式油气生产平台、浮式油气生产装置焊接变形控制提供参考和借鉴。

1 焊接变形的原因及主要类型

焊接时产生的焊接应力是导致变形的主要原因，焊接前配件组对安装偏差及焊接过程中配件的相对位移是次要原因。

常见的焊接变形有：纵向收缩；横向收缩；角变形；弓型变形和盘型变形；翅曲，如图1。

图1

2 影响变形的因素

实际生产中，焊接位置局部被瞬间加热，产生的高温熔融状态与周边金属状态温度差异很大，产生强于母材屈服强度的应力，因此产生焊接变形。

影响焊接变形的主要因素有：（1）母材本身的性能；（2）焊接件是否被拘束；（3）焊接接头坡口类型设计；（4）焊接组对；（5）焊接工艺。

（1）母材本身的性能

母材性能中，热膨胀系数及单位体积比热容将影响变形。母材本身的熔点高低、冷凝性、热固性等也对变形有重要影响。

（2）焊接件是否被拘束

焊接时，焊接件处于自由状态，焊接应力将通过自由变形释放。如被拘束，自由变形动作将受到外力影响变小或者不发生变形。

（3）焊接接头坡口类型设计

在设计时，各类型的焊接坡口都可能被选用，但对称坡口类型能够有效地减小和控制变形。基于此，双面坡口优于单边坡口，X型坡口优于单V型坡口，应被优先选用。在具备条件的情况下，母材壁厚较大时，应尽可能地开双面坡口并从双面进行施焊。

（4）焊件组对

组对坡口应尽可能保持规整一致，坡口精度和一致性便于提高组对质量，可根据焊接实验得知的恒定的可预见的收缩来预测焊接成果。另外，接头的间隙越大，板厚越厚、焊接填充量就越大，变形发生的几率及变形量就越大，反正亦然。焊接接头须定位牢固，避免在焊接过程中出现相对移动。如果能保证整体焊道的坡口间隙、钝边、坡口角度几乎相同，则可在一定程度上保证不同位置有相同的焊接填充量，因而能够减少因收缩不同引起的变形。

（5）焊接工艺

在海洋石油工程领域，焊接工艺的质量和速度均是通过验证和批准的。首选的焊接方法应是具有能量密度高且稳定的热源，使用正确的焊接材料、正确的焊接参数。如电流、电压和焊接速度，以不超过热输入的限制。

未经验证的焊接工艺将对焊接变形产生不可估量的后果。

3 控制焊接变形的方法和措施

3.1 设计阶段

设计阶段应考量及采取多种反变形措施，可以从以下几点出发：①减少或避免焊接；②焊缝位置的选择；③减少焊接填充量；④使用平衡焊接法；⑤进行焊接实验，提前验证焊接收缩量；⑥指导施焊顺序；⑦预留焊接收缩量。

①避免或减少焊接

焊接必然会造成变形和收缩。因此使用成型板材或标准的滚轧截面可以有效较少焊接，也避免了造成变形。如必须进行焊接，在保证结构强度的前提下，使用间断焊接替代连续焊接，使用加强筋板以减少焊接工作量等方法应在考虑范围内。

②焊缝位置的选择

选取焊接位置时，选择合适的焊接位置和采用对称焊缝很重要，适宜的焊缝位置可以有效地减少焊接变形。焊缝越靠近工件的中间位置，焊接收缩越小，焊工的操作空间也越大，焊接质量可控。

如操作可行，焊接应从焊缝两侧交替进行，对于大型结构物，如变形趋于一侧，可以采取在另一侧增加焊接量来抵消焊接变形。

③减少焊接填充量

对于单面焊的接头，设置的焊缝横截面应尽可能地小，可以减少角变形。

在满足焊接工艺要求的情况下，坡口角度和根部间隙应尽可能地设置为最小值。焊接填充量则相对变小，变形程度可得到相应的降低。

对于母材壁厚大的焊接，接头位置坡口类型应优先选用X型坡口，因为X坡口所需焊接填充量仅为单V坡口的一半，并且可以采用两侧交替焊接的平衡焊法来减少变形。

由于焊接收缩与焊接填充量成正比，不当选用的焊接位置、坡口类型及焊接过量都会增加变形发生的概率和增大变形发生的程度。结构强度基于焊缝厚度进行设计和判别的，过量焊接的凸起焊道不能加强结构强度，只会引发结构变形。

④减少焊道的次数

对于焊接固定体积的焊缝，有两种相反的观点。一种认为，焊道越少越好，每道焊道尽多的填充焊缝金属。另一观点认为进行多道焊道填充，每一道次只焊入少量的焊缝金属。

实际经验表明，对于对接焊缝或角焊缝，焊接变形量与焊接单道填充量及焊接道次均成正比。在严格控制电流、电压、焊接速度等热输入要素的情况下，采用单道少量填充，适当焊接中断冷却，进行多道次焊接的方法是减少焊接变形的优选方式。

⑤使用平衡焊法

对于X型坡口焊缝，两侧交替焊接使变形相互抵消的平衡焊法是控制变形的有效方法。图2比较了两种焊法所造成的角度变形：一种是交替焊接的平衡法，一种是优先焊完一侧。平衡焊法也可以用于角焊缝。

图2

如受工况环境影响必须首先完成一侧焊道的焊接，可采用不对称X接头坡口型式，将优先焊一侧设计成焊接填充量较小的坡口，后焊一侧设计成填充量较大坡口，利用后焊产生的较大的收缩量来抵消焊先焊一侧焊接时已产生的变形。

⑥指导焊接顺序

采用合理的焊接顺序是减少和控制变形的方法之一，以下几项原则须遵守：

板和结构物之间的焊接：先焊板之间的对焊，再焊结构物之间的对焊，最后焊结构物和板之间的填角焊。

结构物之间焊接或结构物与甲板、墙皮之间的焊接应先从中心开始，焊接须是对称的，可采用跳焊和分段退焊。

在构件上焊接时通常的行进方向，必须是从部件彼此间相对固定处朝向具有更大的相对运动自由度之处。

组装时，应该先焊会产生较大收缩量，后焊收缩量较小的接头。还应该在尽可能小的拘束下焊接。

⑦预留焊接收缩量

根据已有焊接经验及焊接实验数据，提前将焊接收缩量、收缩角度预留，有效利用可预见的变形，将变形量将正好被预留量抵消，以获取优良的焊接效果及整体的尺寸控制。

图3

3.2 实施阶段

①预先反变形

焊接前，预先对组件进行反方向的物理变形，用以抵消焊接产生的收缩量，是控制焊接变形的一种方法。

卷管预制时，纵缝两侧易形成尖嘴状，纵缝焊接收缩不足抵消尖嘴，需在钢板卷制前对纵缝两侧预压变形（压头），以保证焊接完成后管子的整体椭圆度，这是预先反变形方法在海油工程领域的一种变型应用。

②定位焊

定位焊是保证接头坡口间隙的一个常用方法，它在控制坡口间隙的同时抵御横向收缩。使用定位焊时，需要按照已获批准的焊接工艺要求确保定位焊的数量、长度及间距。

③使用固定装置

预留焊接收缩量和焊件预先反变形都需要有丰富的施工、焊接经验或进行预先焊接实验，操作难度较大，变形控制效果不稳定。使用固定马排、夹具等固定装置，因其效果统一、可控，在实际生产中得到了广泛的使用。

④母材补强措施

在焊接薄板结构时，对接焊缝的纵向收缩容易造成弓型，为此需要采取措施对母材在纵向上的结构强度进行补强处理，使其能够抵消纵向的收缩应力。常用做法是将角钢沿着焊缝方向在一侧提前进行焊接（如图4）。母材结构补强的位置很重要，强化位置距离焊道需留有足够的距离，避免热影响区相互重叠。

图4

④重块压载法

在焊接易变形的大型结构如甲板片、飞机甲板时，在易变形、翘曲位置利用大型水泥块、金属块自身的重量来抵消密集焊接工作导致的整体变形。采用重块压载法时应注意下方支撑的负载情况。

4 结语

本文通过对海洋石油工程领域焊接变形控制原因、控制措施进行了分析和研究，结合现场工作经验，给出了指导做法，通过现场实践验证了可行性，有助于海洋石油工程领域特别是半潜式油气生产平台、浮式油气生产装置的焊接变形控制，由于提高了管理的精度，对其它项目控制焊接变形，最终顺利完成了项目任务。