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      海洋石油平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接專用夾具

      2020-03-21 09:28:02
      石油工程建設(shè) 2020年1期
      關(guān)鍵詞:擋風墻氬氣薄板

      高 永

      中海油能源發(fā)展股份有限公司,天津 300452

      1 工程概況

      海洋石油SZ36-1CEP 平臺位于渤海灣,由于冬季北風強勁,氣溫極低,嚴重影響現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè),為此在海洋平臺上安裝了圍護擋風墻。擋風墻材料選用Q235 鋼,經(jīng)過一段時間海上鹽霧環(huán)境的腐蝕,碳鋼很快就銹跡斑斑,影響了使用效果。為此,項目組決定將平臺擋風墻材料更換為材質(zhì)0Cr18Ni9 的1 mm 厚不銹鋼薄板。

      2 海上平臺不銹鋼薄板的焊接施工

      按照擋風墻工程項目要求,利用海上拖輪將工程項目所需的機具、人員、材料自陸地運輸?shù)胶I掀脚_,在海上平臺現(xiàn)場進行1 mm 厚的不銹鋼薄板的焊接安裝施工[1]。此次焊接由具有多年海上焊接施工經(jīng)驗、擁有中國船級社CCS 認證資質(zhì)并取得焊工證書的焊接人員進行。焊接選用唐王脈沖式直流焊機、不銹鋼焊絲、氬氣瓶等;焊接方法為TIG 焊即不銹鋼焊絲氬氣保護電焊[2-3]。焊接時要求保持施焊小環(huán)境的風速不大于2 m/s,溫度大于5 ℃,相對濕度小于90%。

      施工人員在指定位置搭設(shè)焊工棚,連接好電氣焊設(shè)備,確定氬氣瓶的位置及氬氣輸送方式,做好施工前的各項準備工作后,開始進行不銹鋼薄板的焊接。不銹鋼薄板為1 m×2 m×1 mm 的瓦楞板,兩張薄板拼接后施焊的焊縫長度為2 m[4]。經(jīng)過焊接作業(yè),第一道焊縫完成。

      經(jīng)過無損探傷人員對焊縫進行檢驗發(fā)現(xiàn):焊縫發(fā)生收縮變形,從而引起拼接的兩張不銹鋼薄板焊縫附近出現(xiàn)凸凹不平波浪式變形;焊縫錯口較大,兩張拼接的不銹鋼板焊縫到最后無法平齊,成型極差,焊接質(zhì)量和外觀達不到要求;RT 拍片發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕嚴重。因此該焊縫的焊評結(jié)論為不合格。

      經(jīng)過討論研究,決定研制針對不銹鋼薄板焊接的專用夾具,以防止焊縫變形、錯口或晶間腐蝕。

      3 不銹鋼薄板焊接專用夾具設(shè)計

      3.1 設(shè)計思路

      (1) 由于選用的不銹鋼薄板厚度薄,自身拘束度小,導熱系數(shù)?。s為普通鋼的1/3),線膨脹系數(shù)較大,當焊接溫度變化較快時,產(chǎn)生的熱應(yīng)力大,很容易出現(xiàn)燒穿和焊接變形(大多為波浪變形) 等缺陷,必須將焊接時產(chǎn)生的大量熱量及時傳遞出去,因此優(yōu)選了導熱性能優(yōu)良的紫銅為夾具材質(zhì)。

      (2) 為防止不銹鋼薄板在焊接過程中因高溫而產(chǎn)生自身變形,焊接夾具必須能對焊縫附近不銹鋼薄板產(chǎn)生足夠大壓力以確保薄板焊接后不出現(xiàn)變形(大多為波浪變形)。

      (3) 在不銹鋼薄板焊縫成型過程中,焊接夾具要能避免環(huán)境空氣中部分氣體的氧化作用,因此需要確保焊縫背部可以充氬氣保護,以隔絕焊縫與空氣接觸,防止氧化。

      3.2 不銹鋼薄板焊接夾具的結(jié)構(gòu)

      不銹鋼薄板焊接夾具由五部分組成,分別為:門字架、千斤頂、上下壓胎、壓條,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

      圖1 不銹鋼薄板焊接夾具結(jié)構(gòu)示意

      其中門字架材質(zhì)為10#H 型鋼,長2.5 m,高0.6 m,焊接在平臺指定位置。

      2.5 t 螺旋千斤頂6 個,通過兩個長為2.3 m 的∠30×30×3 的角鐵對焊在H 型鋼下部,從而夾住螺旋千斤頂?shù)撞?,讓螺旋千斤頂?shù)狗旁贖 型鋼梁的下部,并可沿H 型鋼長度方向自由活動。焊接時6 個千斤頂均布在焊縫上部,同時要求每個千斤頂有10 ~15 kN 的預定頂力。

      上壓胎分為左右對稱的兩部分,規(guī)格為2100mm×100 mm×60 mm,材質(zhì)為紫銅,兩個上壓胎相對的側(cè)面加工一個45°的斜角,以利于焊接操作。

      下壓胎尺寸為 2 200 mm × 800 mm × 100 mm,材質(zhì)為紫銅,沿長度方向在中上部開出2 000 mm×20 mm×20 mm 的溝槽,并在溝槽20 mm×20 mm一面的中間鉆出直徑10 mm 的圓孔,作為充氬氣的通道。

      鋼質(zhì)壓條尺寸為200 mm×10 mm×20 mm,用于傳遞螺旋千斤頂與上壓胎之間的壓力。

      4 焊接夾具在平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接中的應(yīng)用

      4.1 焊接工藝的確定

      焊接采用充絲焊接,焊接參數(shù)見表1。

      表1 厚1 mm 不銹鋼薄板的焊接參數(shù)

      在焊接時,必須嚴格控制焊接電流(在保證焊透的情況下應(yīng)盡量使用小的焊接電流,電弧長度不能過長,焊接部位在焊前清除鐵銹等贓物) 和焊接順序(焊前還要檢查坡口的錯邊情況,錯邊量合適后才能施焊)。焊接設(shè)備選用唐王脈沖式直流焊機,該焊機具有熱輸入低、熱量集中、熱影響區(qū)小、焊接變形小、熱輸入均勻、能較好地控制線能量等優(yōu)點。焊接采用氬氣保護,保護氣流具有冷卻作用,可降低熔池表面溫度,提高熔池表面張力等。焊接過程采用上述焊接夾具,該夾具的應(yīng)用保證了焊縫兩側(cè)受力均勻,避免焊縫開裂、變形,減小了熱量輸入,從而減少焊接熱影響區(qū)[5-7];同時減少了組對點焊工序,使施工效率大幅提高。

      4.2 不銹鋼薄板焊接試驗評價

      采用上述工藝對平臺擋風墻用不銹鋼薄板進行焊接,不銹鋼薄板焊接完畢后,待焊縫冷卻,而后撤除千斤頂,取出上壓胎,并抬出焊接完成的不銹鋼薄板放在平整的地方,由專業(yè)人員對焊縫進行檢驗,結(jié)果表明:焊縫平滑,焊紋均勻,焊縫背部無氧化、變形、錯口,不銹鋼板平整,無波浪彎曲出現(xiàn),RT 拍片發(fā)現(xiàn)基本無晶間腐蝕。不銹鋼薄板焊后焊縫成型效果如圖2 所示。

      圖2 焊縫成型圖片

      4.3 夾具結(jié)構(gòu)的進一步改進及工程應(yīng)用效果

      隨著不銹鋼薄板焊接作業(yè)的進行,發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)了上面微凹、背面微凸的現(xiàn)象,通過仔細察看焊接處的不銹鋼薄板邊緣,發(fā)現(xiàn)不銹鋼薄板邊緣本就存在由于工業(yè)剪裁而造成的微小弧面差異。由于不銹鋼薄板板材邊緣的兩個面不是齊平的,一面是圓邊的,另一面是有毛刺不光滑的,因此造成焊接自熔時熔池受到的作用力(包括電弧作用力、熔池金屬重力和熔池金屬表面張力) 不平衡。在焊接過程中隨著熔池和焊接熱量的增大,熔池金屬表面張力逐漸不能平衡電弧作用力和熔池金屬重力,這時熔池會下塌,弧面向下,因而出現(xiàn)上面微凹、背面微凸現(xiàn)象,所以焊接時一定要把有毛刺不光滑的表面作為焊接面[8]。

      由于焊接的不銹鋼薄板是瓦楞板,所以無法將不銹鋼薄板翻個面,使有毛刺不光滑的表面作為焊接面,于是設(shè)計增加了一個縮小的下壓胎,長寬高為 2 200 mm × 200 mm × 60 mm,中間部分留出與下壓胎一樣的氬氣進口,遇見鋼板毛刺在背面時,就可以在下壓胎上放上這個縮小的下壓胎,然后把不銹鋼瓦楞板鋼板翻過來,再用上壓胎壓實,這樣就達到了毛刺面作為焊接面的效果。通過試驗,不光滑面作為焊接面,焊完后表面飽滿圓滑,焊縫沒有下凹現(xiàn)象,而另一面焊縫在電弧作用力和熔池金屬重力的作用下,焊縫向外凸起正好填平不銹鋼瓦楞板板材邊緣的圓邊,從而變平。通過試驗,按此方法焊接終于得到了飽滿圓滑、均勻一致的焊縫,焊縫美觀并呈金黃色。

      采用上述焊接工藝和進一步改進的焊接夾具對海洋石油SZ36-1CEP 平臺擋風墻項目1 mm 厚的不銹鋼薄板進行焊接,焊后效果見圖3,實踐證明上述焊接夾具和焊接工藝實施效果良好。

      圖3 海上平臺擋風墻

      5 結(jié)束語

      此套不銹鋼薄板焊接夾具的設(shè)計及應(yīng)用保證了1 mm 厚的平臺擋風墻不銹鋼薄板焊接的質(zhì)量。由于該焊接夾具具有結(jié)構(gòu)簡單、容易操作等優(yōu)點,目前在類似工程項目的焊接中廣泛使用。

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