導(dǎo)管架過渡段大直徑法蘭正造焊接技術(shù)

孫敏鋒 繆海琴

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

導(dǎo)管架作為海上結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，承載著海工產(chǎn)品的整個結(jié)構(gòu)質(zhì)量，法蘭是海工產(chǎn)品上部結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管架連接的重要部件，其尺寸精度、焊接強度對項目的建造起到關(guān)鍵作用。

以往導(dǎo)管架的成品法蘭與過渡段筒體的焊接均采用反造法，將法蘭倒扣在筒體下方法蘭焊接工裝上，對法蘭采用剛性約束[1]。這種建造方法雖能保證法蘭精度尺寸，但在焊接過程中焊縫內(nèi)部存在應(yīng)力，且后期過渡段結(jié)構(gòu)制作時構(gòu)件需要翻身，增加了工作難度，也延長了建造周期。另外，因后期過渡段制作時的中心筒體存在構(gòu)件裝焊，很難保證過渡段的焊接不影響法蘭整體尺寸，存在不可控因素。因此，本文打破以往焊接技術(shù)方案常規(guī)思維方式，依托鋼質(zhì)空間框架式結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)管架的成品法蘭與過渡段筒體正造法的焊接技術(shù)進(jìn)行研究，分析工藝可行性，并通過焊接變形量對焊接過程中的焊接填充量進(jìn)行控制，最終保證法蘭與過渡段筒體建造符合要求。

1 結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，導(dǎo)管架法蘭形式為帶頸鍛造法蘭，材質(zhì)為Q355NE-Z35，規(guī)格為Φ7 000 mm×305 mm×230 mm；過渡段筒體材質(zhì)為EH36-Z35，規(guī)格為Φ75 mm×2 070 mm×10 878 mm。為了減少焊接填充量，控制焊接變形，結(jié)合厚板橫焊位置焊接時熔池金屬受重力作用易下淌的特點，焊縫開設(shè)X形不等邊坡口[2]，法蘭與過渡段筒體焊縫內(nèi)側(cè)2/3T開設(shè)角度50°，筒體側(cè)焊縫坡口角度20°，法蘭側(cè)焊縫坡口角度30°。通過分析導(dǎo)管架過渡段結(jié)構(gòu)，可知正造法的焊接難點有：

圖1 導(dǎo)管架法蘭與過渡段結(jié)構(gòu)圖

1）法蘭直徑達(dá)7 m，高空中無法對法蘭采取剛性約束，法蘭裝配焊接均處于自由狀態(tài)，焊接變形難控制；

2）正態(tài)安裝法蘭，法蘭與過渡段筒體對接焊縫處于高空橫焊位置、厚板多層多道焊，填充量較大，不可控過程較長；

3）成品法蘭為鍛件，過渡段中心筒體為高強度船用結(jié)構(gòu)鋼，屬于不同類型級別的鋼材焊接；

4）焊接過程中需要加溫，高溫狀態(tài)下法蘭整體平整度的變形無規(guī)律，法蘭裝焊過程中尺寸進(jìn)度不可控；

5）法蘭與過渡段筒體對接焊后，整體平面度要求在1.5 mm以內(nèi)，法蘭內(nèi)傾度要求在1.5 mm以內(nèi)，橢圓度不大于4 mm，主筒體與法蘭平面垂直度不大于3 mm，焊后尺寸精度要求高；

6）為了保證過渡段的整體建造質(zhì)量，要求焊后精度尺寸及焊縫質(zhì)量一次性達(dá)到要求，不校火，不返修。

7）導(dǎo)管架高度過高，需要采用吊索具平臺來實現(xiàn)安裝建造，對施工者存在一定安全隱患。

高精度的建造要求、多方面的不可控因素，決定了導(dǎo)管架基礎(chǔ)過渡段與法蘭連接建造是導(dǎo)管架建造中難度和挑戰(zhàn)性均較高的，也是非常關(guān)鍵的步驟。

對于如此高精度建造要求，且多方面不可控的法蘭正造位置焊接，應(yīng)制定專門的焊接技術(shù)方案和焊接過程控制措施。建造技術(shù)要求見表1。

表1 法蘭與過渡段筒體建造技術(shù)要求

2 焊接技術(shù)

2.1 焊接前技術(shù)指標(biāo)

為了避免法蘭焊接完工后的返修工作對整個導(dǎo)管架過渡段的建造尺寸產(chǎn)生影響，法蘭與過渡段筒體焊接前，完成過渡段筒體的所有焊接、探傷及返修工作，并將結(jié)構(gòu)完全松胎，處于除重力外的無約束狀態(tài)。焊前過渡段筒體垂直度偏差＜2 mm，筒體周長與法蘭周長對比偏差≤10 mm，筒體上口水平偏差≤1 mm，筒體橢圓度≤4 mm。

2.2 過渡段與法蘭裝配

在法蘭吊裝前，將法蘭調(diào)節(jié)工裝和導(dǎo)向板焊接到筒體上（見圖2），控制法蘭與過渡段的間隙，法蘭螺栓孔需與底座螺栓孔相對應(yīng)，確保螺柱、螺母、墊片的安裝[3]。

圖2 法蘭調(diào)節(jié)工裝示意圖

將法蘭和中心筒體裝配前劃出四等分線，法蘭吊裝到位后，將各區(qū)域等分線對應(yīng)調(diào)整，周長存在偏差時，在四等分區(qū)域內(nèi)進(jìn)行偏差的均分調(diào)整，以保證法蘭與筒體錯位均勻，如圖3所示。

圖3 吊裝前法蘭與筒體劃等分線的示意圖

裝配過程中采用法蘭調(diào)節(jié)工裝調(diào)整法蘭整體水平、法蘭與筒體中心垂直度等，裝配后用激光平面儀按要求測量整體平面度，經(jīng)測量和檢驗合格后進(jìn)行定位焊接[4]。裝配完成后，焊縫坡口間隙≤3 mm，錯邊≤1 mm；橢圓度≤4 mm，平整度≤1 mm，法蘭內(nèi)傾度為0～1.5 mm。

2.3 定位焊

定位焊是厚板焊接過程中出現(xiàn)裂紋概率最高的環(huán)節(jié)，在厚板定位焊時，由于定位焊區(qū)域冷卻速度很快，造成局部應(yīng)力集中，定位焊縫金屬強度不足以抵抗應(yīng)力集中，導(dǎo)致定位焊縫開裂[5]。為了防止定位焊縫出現(xiàn)裂紋，對法蘭精度產(chǎn)生影響，在筒體外側(cè)進(jìn)行定位焊接，定位焊預(yù)熱溫度110℃，定位焊縫長度≥100 mm，定位焊縫間距為300 mm，定位焊縫厚度為8～12 mm。

2.4 焊前準(zhǔn)備

法蘭均布于37個測量點，并加以標(biāo)記，每次測量均按照標(biāo)記好的測量點進(jìn)行，如圖4所示。焊縫等分6大片區(qū)（見圖5），并現(xiàn)場劃線，每個片區(qū)標(biāo)注焊工、實時焊道等信息，每班次6名焊工(兩班倒)同時同方向不間斷焊接。在焊接過程中，若一個片區(qū)暫停焊接，則其余片區(qū)均需同時暫停。

圖4 精控測量點分布圖

圖5 焊縫等分片區(qū)劃分圖

法蘭與過渡段筒體焊縫焊接位置為橫焊，為了控制焊接熱輸入，焊接方法選用藥芯焊絲CO2氣保焊(FCAW)，焊材為SQJ501NiL(Φ1.2 mm)，焊前用機(jī)械方式清除坡口兩側(cè)油污雜質(zhì)。

2.5 加熱

法蘭與過渡段筒體焊縫厚度為70 mm，由于板材厚，熔敷金屬填充量大，焊縫總體熱輸入高，且為環(huán)形焊接，焊接時產(chǎn)生的焊縫拘束度高，焊接應(yīng)力大，極易產(chǎn)生裂紋[6]。所以，對焊縫兩側(cè)不少于100 mm區(qū)域范圍采用陶瓷電加熱方式預(yù)熱，以保證預(yù)熱均勻進(jìn)行，預(yù)熱溫度≥110℃，層間最高溫度230℃。在加熱面的背面進(jìn)行測溫，以確保焊縫橫向、縱向區(qū)域整體受熱均勻。

單道焊縫的整個焊接過程(打底、焊接、碳刨)連續(xù)進(jìn)行，各環(huán)節(jié)過程中的溫度控制在110℃～230℃。

當(dāng)內(nèi)側(cè)焊縫焊接時，外側(cè)整圈加熱片加熱；當(dāng)外側(cè)焊縫焊接時，內(nèi)側(cè)整圈加熱片加熱，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)管架焊縫加熱圖

2.6 焊接

由于橫焊時焊縫金屬受重力作用會下淌至下側(cè)坡口處，導(dǎo)致未熔合和夾渣[7]，所以焊接參數(shù)選用的電流為170～230 A，電壓為21～24 V，焊接速度為140～220 mm/min，焊接線能量為1.0～1.5 kJ/mm。

1）先焊內(nèi)側(cè)，打底焊一層后，對橢圓度、平整度、內(nèi)傾度、垂直度等精度測量1次，打底2層(焊縫厚度為8～10 mm)后，松開法蘭固定工裝，精度測量1次。

2）內(nèi)側(cè)焊接4層，焊縫厚度為28～30 mm，法蘭內(nèi)傾度為1.5～2.5 mm，內(nèi)側(cè)焊縫停止焊接，對焊縫外側(cè)根部碳刨。

3）背面碳刨前將調(diào)節(jié)工裝再次固定好，碳刨深度為30～35 mm，碳刨凹槽根部打磨成最小半徑約為10 mm的弧度，碳刨坡口角度≥50°。

4）碳刨后，對橢圓度、平整度、內(nèi)傾度、垂直度等精度測量1次，以保證法蘭有內(nèi)傾余量。

5）碳弧氣刨后凹槽表面滲碳層打磨至見白，其表面打磨光滑圓順[8]。

6）對外側(cè)焊接3層，焊接厚度為15～20 mm，法蘭內(nèi)傾度≤0 mm時，外側(cè)焊縫停止焊接，交替至內(nèi)側(cè)焊縫焊接。

整個焊縫采用內(nèi)外側(cè)交替焊接，焊接過程中隨時檢測法蘭變形情況，結(jié)合精度測量實際尺寸對兩側(cè)焊縫厚度進(jìn)行實時調(diào)整，如圖7所示。

圖7 板厚方向焊接順序示意圖

焊縫采用多層多道焊，焊接過程中及時做好清渣工作，對焊縫進(jìn)行錘擊消除局部焊接應(yīng)力[9]，檢查確認(rèn)焊縫質(zhì)量合格后再開始下一道焊縫的焊接。在多層多道焊的焊接過程中，各層焊縫的接頭錯開30～50 mm，單道焊焊縫寬度為12～14 mm。焊道端部打磨平滑過渡，無突變。

2.7 焊后處理

由于防止焊縫冷卻過快，焊縫中的擴(kuò)散氫來不及逸出，在焊接工作完成后應(yīng)立即采用保溫棉覆蓋緩冷，降低焊縫冷卻速率，減少裂紋產(chǎn)生[10]。

當(dāng)法蘭與過渡段連接部位冷卻至常溫后，可用激光平面儀進(jìn)行整體測量，測得法蘭平整度為0～1.5 mm，法蘭內(nèi)傾度為0～1.5 mm，法蘭橢圓度≤4 mm，符合法蘭建造精度尺寸要求。

3 無損檢測

在焊接完成后，待焊縫冷卻至室溫后對焊縫目檢（VT），焊縫表面需成形良好，無弧坑、咬邊和焊瘤等缺陷。根據(jù)鋼板材質(zhì)、厚度及熱輸入，焊后48 h對焊縫進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測，檢測方法采用超聲波檢測（UT），確認(rèn)內(nèi)部焊縫合格即對焊縫表面質(zhì)量進(jìn)行磁粉檢測（MT），探傷結(jié)果合格。

4 結(jié)論

1）法蘭與過渡段筒體裝配前，過渡段筒體的圓度、上口平面度對法蘭焊接尺寸影響較大，上口平面度差，與法蘭間隙不均勻，法蘭平面度較難控制。

2）法蘭為整體鍛造帶頸式，與過渡段裝配整體加熱至150℃～230℃后，法蘭整體會出現(xiàn)外翻1～1.5 mm，該外翻量是后續(xù)焊接過程中法蘭帶熱量測量不可忽略的基礎(chǔ)。

3）焊縫填充量較大，需要內(nèi)外交替焊接量，需要根據(jù)焊接過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過焊接收縮控制整體內(nèi)傾量，首次焊接填充，一定進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫的填充。

4）在法蘭焊接過程中，需要整體考慮工人的焊接速度以及焊接量，劃分焊接區(qū)域，每個區(qū)域焊接量相同，且每次填充時間控制在人員最佳工作時間段。

綜上所述，法蘭的正態(tài)安裝焊接，可減少過渡段結(jié)構(gòu)的翻身以及大型設(shè)備使用次數(shù)，提高安全指數(shù)，降低成本，同時還可推廣至類似項目借鑒實施。