海洋工程組合梁預(yù)制變形控制技術(shù)淺析

魏永佳 曹競(jìng)祎 董志亮 肖 萌 王崇鑫

（海洋石油工程股份有限公司，中國 天津 300451）

0 引言

型材是導(dǎo)管架、組塊等海洋工程結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分。這主要是由于其良好的力學(xué)性能、重量輕、易于結(jié)構(gòu)連接與安裝、節(jié)約原材料等優(yōu)點(diǎn)。在海洋工程的建造過程中，通常高度小于或等于700毫米的H型鋼，主要從廠家直接采購；而高度大于700毫米的H型鋼（習(xí)慣上稱為組合梁），需要在組合梁預(yù)制車間中進(jìn)行預(yù)制。組合梁作為鋼結(jié)構(gòu)的承重主體，在海洋鋼結(jié)構(gòu)的建造中發(fā)揮著十分重要的作用。

1 組合梁預(yù)制流程

組合梁預(yù)制生產(chǎn)線的工藝流程為：

1）翼板無需接長的組合梁預(yù)制流程：

板材確認(rèn)——板材切割下料——打磨組對(duì)——組對(duì)外觀檢驗(yàn)——焊接——矯正——焊后外觀檢驗(yàn)——磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)

2）翼板需要接長的組合梁預(yù)制流程：

板材確認(rèn)——板材切割下料——翼板組對(duì)接長——磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)——打磨組對(duì)——組對(duì)外觀檢驗(yàn)——焊接——矯正——焊后外觀檢驗(yàn)——磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)

2 組合梁預(yù)制中的變形控制

2.1 產(chǎn)生變形的原因

產(chǎn)生變形的原因主要是焊接應(yīng)力。焊縫區(qū)金屬在電弧作用下因熱膨脹受到制約而產(chǎn)生塑性擠壓,在隨后的冷卻過程中因收縮受到制約又產(chǎn)生了塑性拉伸。這種溫差所引起的應(yīng)力使得焊接機(jī)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力體系不平衡。通常,焊縫區(qū)金屬在加熱過程中產(chǎn)生的塑性擠壓變形大于凝固階段的塑性拉伸變形,那么焊后必然有殘余壓縮變形存在,從而導(dǎo)致冷卻后的焊縫金屬將承受拉伸應(yīng)變,以致使得焊接鋼結(jié)構(gòu)在焊后出現(xiàn)較高的殘余應(yīng)力和變形。殘余應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力大小及構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、約束程度的不同,產(chǎn)生的變形方向也不相同，因而產(chǎn)生變形結(jié)果也不相同。

2.2 組合梁預(yù)制中常見的變形形式

雖然合理的組焊工藝能減小焊接變形,但H型鋼的焊接變形仍然存在。其主要的變形有：角變形和彎曲變形。

翼緣板角變形主要是由于翼板一面施焊時(shí)，焊接的一面溫度較高,另一面溫度較低,因此施焊的一面受膨脹較大,另一面較小,使得施焊面膨脹受阻而產(chǎn)生壓縮塑性變形。這樣,翼板冷卻時(shí)在厚度方向上的收縮不均勻,焊接面收縮較大,另一面收縮??；產(chǎn)生角變形。焊接線能量越大，角變形越大。在焊接組合梁時(shí)，主要采用的是埋弧自動(dòng)焊焊接成形，因埋弧自動(dòng)焊焊接電流大，線能量輸入也跟隨增大，焊接角變形同時(shí)也顯著增加。角變形一般可以通過火焰矯正或機(jī)械校正達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，火焰矯正法需要一定經(jīng)驗(yàn)，且難以控制，所以目前主要通過機(jī)械校正法來矯正角變形。角變形見圖1。

圖1 角變形

雖然經(jīng)過機(jī)械矯正后翼緣板是平的，但翼板與腹板卻不一定是垂直的，如圖2所示。這時(shí)就需要采用火焰矯正的方法進(jìn)行矯正?；鹧娉C正時(shí)，對(duì)大于90°一側(cè)的腹板進(jìn)行加熱。加熱的溫度不能超過590℃,否則需經(jīng)業(yè)主同意才可進(jìn)行。加熱的范圍和時(shí)間要根據(jù)變形大小而定，需要一定的經(jīng)驗(yàn)。被加熱的一側(cè)腹板冷卻后，由于收縮，與腹板的角度逐漸趨于90°，進(jìn)而達(dá)到垂直。加熱的同時(shí)也可以在小于90°一側(cè)加裝若干支柱，以通過機(jī)械力的方式加快矯正速度。值得指出的是，火焰矯正往往一次并不能完全達(dá)到矯正目的。每次矯正后，均需測(cè)量腹板和翼板是否垂直，如不垂直，還需要再次進(jìn)行矯正，但火焰矯正的次數(shù)不能超過三次。

圖2 翼板彎曲變形的火焰矯正

彎曲變形是由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合或不對(duì)稱，焊縫收縮不均勻而引起，同時(shí)，如果焊縫對(duì)稱布置，焊接順序不一樣，也會(huì)產(chǎn)生不同的焊接變形。當(dāng)腹板發(fā)生變形時(shí)，可以采用在背向彎曲一側(cè)的腹板處加熱的方式來進(jìn)行矯正，如圖3所示。

2.3 組合梁預(yù)制中變形的預(yù)防

2.3.1 確保加工精度和組對(duì)質(zhì)量

1）確保下料加工精度是防止鋼梁在制作中變形的首要條件。排版要合理,切割最好用數(shù)控火焰切割機(jī),多嘴子切割,這樣下料,一般沒有變形。在板材下料誤差超過允許偏差時(shí)，必然導(dǎo)致零件、部件裝配時(shí)進(jìn)行強(qiáng)力組對(duì)，從而使構(gòu)件整體產(chǎn)生應(yīng)力和變形，焊接時(shí)又增加焊接變形，構(gòu)件整體變形會(huì)更大。

圖3 腹板彎曲變形的火焰矯正

2）保證加工質(zhì)量和組對(duì)質(zhì)量。主要措施有：下料加工前原材料要進(jìn)行平直矯正，然后進(jìn)行劃線，劃線必須檢驗(yàn)縱橫線的垂直。切割時(shí)采用自動(dòng)切割機(jī)，并據(jù)板材厚度匹配相應(yīng)地割嘴。對(duì)一個(gè)零件來講，要兩邊對(duì)稱切割，使兩邊受熱相同，變形相同。多個(gè)零件在一塊板上下料，采用多嘴頭切割，既可提高切割速度，又可減小切割變形，從而保證零件尺寸加工精度。在此基礎(chǔ)條件下，使用組對(duì)機(jī)組對(duì)組合梁，提高組對(duì)質(zhì)量，從而達(dá)到減小應(yīng)力集中和變形的目的。

2.3.2 采用合理可靠的焊接工藝、焊接順序來控制變形

組合梁在制作中變形的大小與焊接工藝、焊接順序有很大關(guān)系。所以，在焊接組合梁前，必須根據(jù)材料厚度、材質(zhì)、設(shè)計(jì)坡口形式及焊縫等級(jí)，來確定恰當(dāng)?shù)暮附庸に?、焊接順序，才能有效地減小變形。

1）對(duì)于半熔透焊接，采用對(duì)稱的坡口形式。這樣在焊接時(shí)，腹板兩側(cè)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力大小相等，方向相反，可以相互抵消，大大的減小焊接變形。

對(duì)于全熔透焊接，為減少后續(xù)的焊接變形，采用大小坡口的形式，分別為2/3和1/3的坡口類型。其工藝流程是：焊接大坡口——翻轉(zhuǎn)至正對(duì)側(cè)小坡口清根——焊接小坡口——翻轉(zhuǎn)至原大坡口側(cè)蓋面——翻回至小坡口側(cè)蓋面，所有工作都是為了控制變形、保證質(zhì)量。

當(dāng)板很薄時(shí)，腹板開坡口時(shí)采用單面坡口，這樣坡口焊平后，就反面清根，這樣所得兩側(cè)坡口大小相近，從而有效控制了變形。

2）采用合理的焊接方法及焊接規(guī)范。組合梁腹板和翼板的焊接采用的是全熔透焊/半熔透焊/填角焊，采用的焊接方法為埋弧自動(dòng)焊。埋弧焊的焊接電流較大，應(yīng)加以控制，以減小焊接變形。

3）對(duì)稱焊法：組合梁在焊接前，需要對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行預(yù)熱，以減小焊接變形。因焊縫在焊件上分布是對(duì)稱的,故使用對(duì)稱施焊的順序,焊縫之間的變形相互抵消一部分,從而減小了整個(gè)焊件的變形,焊接順序如圖4。

圖4 對(duì)稱焊法

4）反變形法：H型鋼焊接中,翼緣傾斜(角變形)有時(shí)無法校正,雖然強(qiáng)制校正,但產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力較大,局部有死角,外觀質(zhì)量差。雖校正了翼緣邊緣,但腹板與翼緣連接處形成折彎狀,不能再校正。還有一種情況，箱型梁通常有多個(gè)腹板，所以兩側(cè)的腹板無法通過機(jī)械矯正機(jī)矯正，只能采用火焰矯正的方法進(jìn)行矯正。而火焰矯正速度慢，影響了組合梁預(yù)制速度。所以,可以采用將翼緣板預(yù)做反變形的方法,即根據(jù)翼緣板寬度、厚度不同預(yù)制相應(yīng)的反變形來控制組合梁預(yù)制過程中變形的產(chǎn)生。

3 結(jié)束語

本文介紹并探討了海洋工程組合梁的預(yù)制流程，變形發(fā)生的原因、形式和預(yù)防等，通過對(duì)組合梁變形的預(yù)防與控制，可以提高組合梁預(yù)制的精度，進(jìn)而保障組合梁的質(zhì)量,為海洋工程的建造打下基礎(chǔ)。

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