海洋工程钢结构预制变形控制要点

海洋工程钢结构预制变形控制要点

彭淑平,李海良,陈廷彬,晋宝俊,彭灿

海洋石油工程（青岛）有限公司，山东省青岛市 266520

摘要：为保证国家能源安全，随着对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地逐步转入海洋。海洋工程面对的环境比较恶劣，海洋平台具有高度集成化，对海洋工程钢结构施工质量提出了苛刻的要求。本文重点介绍了海洋工程钢结构预制过程中的变形控制要点。保证了海洋工程钢结构预制的尺寸要求。

关键词：海洋工程；钢结构；变形；措施

引言

随着我国经济和社会在不断的发展，对能源的依赖程度也越来越高，海洋石油受到了全社会的广泛关注。海洋工程钢结构预制主要是钢管的卷制，组合梁预制等。

一、钢管卷制过程中的变形控制

冷弯是指在常温下利用外力（人力或机械力）作用于构件上，使构件产生不可恢复的塑性变形，从而达到弯曲的目的。通常钢板的冷弯半径不得小于该钢板四倍的板厚。三辊弯板机用来处理简单曲度板的冷弯成形，因为该机的两根下轴辊不仅可以驱动，还可以单独或同时进行升降调节。海洋工程钢管卷制常采用三辊弯板机进行卷制。

放样划线须根据加工设计图纸进行。图纸所标尺寸一般为理论尺寸不含切割余量，所有的划线须基于理论尺寸另外考虑切割余量、卷边尺寸或者预弯尺寸。参照以往施工经验，卷制直径越大卷制过程中发生的延展长度越大，根据施工经验需要在板材下料阶段完成压头、卷制工序延展量的切除以保证最终成型尺寸。具体延展尺寸计算可参考《海洋工程高强度结构钢管制管工艺优化及应用》相关表述进行估算确定。如果板材经过火焰切割，所有的残余金属都必须认真清除，需使用砂轮打磨直到所有板边缘都很好地清理和磨平为止。清理板材的整个表面，清除所有的焊接残渣、铁锈和其它可能损坏压辊表面的突出物。板材应完全平直，不能成波浪形，在其表面的任何部分不能有弯曲，在任何方向不能有变形。卷/压制前按照规定的半径对板材端头压边。首先按照预制管的内径选择满足施工要求的胎具，然后将板吊到压板机上进行压弧，在压弧过程中要不断用弧度检验样板检验所压弧的曲率，直到达到要求；再将板旋转180°重复上述压制另一端的圆弧。这样可以很好地控制钢管卷制过程中的尺寸变形。

在坡口加工工序中需要尽可能保持坡口平整一致，坡口精度和一致性便于提高组对质量。如果能保证整条焊缝坡口的间隙、钝边、坡口角度几乎相同，那么能一定程度上保证不同位置有相同的金属填充量，因而减少因焊接收缩不同引起的焊接变形。对称性坡口形式能够有效地减小和控制焊接变形，因此可根据板材厚度适当采用Ｘ型坡口优于Ｖ型坡口形式，Ｘ型坡口可实现两边施焊[1]。

二、组合梁预制过程中的变形控制

组合梁产生变形的原因主要是焊接产生的应力。焊缝热影响区金属在焊接电弧作用下因热膨胀受到制约而产生塑性挤压变形，在随后的冷却过程中因收缩受到制约又产生了塑性拉伸变形。通常，焊缝区金属在加热过程中产生的塑性挤压变形大于冷却阶段的塑性拉伸变形，那么焊后必然有残余压缩变形的存在，从而导致冷却后的焊缝金属将承受拉伸应变，以致使得焊接钢结构在焊后出现较高的残余应力和变形。残余应力根据应力大小及构件的结构形式、约束程度的不同，产生的变形方向也不相同，因而产生变形结果也不相同。

虽然合理的组焊工艺能减小焊接变形，但组合梁的焊接变形仍然存在。其主要的变形有：角变形和弯曲变形。翼缘板角变形主要是由于翼板一面施焊时，焊接的一面温度较高，另一面温度较低，因此施焊的一面受膨胀较大，另一面较小，使得施焊面膨胀受阻而产生压缩塑性变形。这样，翼板冷却时在厚度方向上的收缩不均匀，焊接面收缩较大，另一面收缩小，即产生角变形。焊接线能量越大，角变形越大。在焊接组合梁时，主要采用的是埋弧自动焊焊接成形，因埋弧自动焊焊接电流大，线能量输入也跟随增大，焊接角变形同时也显著增加。角变形一般可以通过火焰矫正或机械校正达到相应标准，火焰矫正法需要一定经验，且难以控制，所以目前主要通过机械校正法来矫正角变形。

虽然经过机械矫正后翼缘板是平的，但翼板与腹板却不一定是垂直的。这时就需要采用火焰矫正的方法进行矫正。火焰矫正时，对大于90°一侧的腹板进行加热。加热的温度不能超过程序文件允许的温度，否则需经业主同意才可进行。加热的范围和时间要根据变形大小而定，需要一定的经验。被加热的一侧腹板冷却后，由于收缩，与腹板的角度逐渐趋于90°，进而达到垂直。加热的同时也可以在小于90°一侧加装若干支柱，以通过机械力的方式加快矫正速度。值得指出的是，火焰矫正往往一次并不能完全达到矫正目的。每次矫正后，均需测量腹板和翼板是否垂直，如不垂直，还需要再次进行矫正，但火焰矫正的次数不能超过三次。

弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝收缩不均匀而引起，同时，如果焊缝对称布置，焊接顺序不一样，也会产生不同的焊接变形。当腹板发生变形时，可以采用在背向弯曲一侧的腹板处加热的方式来进行矫正。

下料加工前原材料要进行平直矫正，然后进行划线，划线必须检验纵横线的垂直。切割时采用自动切割机，并据板材厚度匹配相应地割嘴。对一个零件来讲，要两边对称切割，使两边受热相同，变形相同。多个零件在一块板上下料，采用多嘴头切割，既可提高切割速度，又可减小切割变形，从而保证零件尺寸加工精度。在此基础条件下，使用组对机组对组合梁，提高组对质量，从而达到减小应力集中和变形的目的。

组合梁焊接中，翼缘倾斜(角变形)有时无法校正，虽然强制校正，但产生内应力较大，局部有死角，外观质量差。虽校正了翼缘边缘，但腹板与翼缘连接处形成折弯状，不能再校正。还有一种情况，箱型梁通常有多个腹板，所以两侧的腹板无法通过机械矫正机矫正，只能采用火焰矫正的方法进行矫正。而火焰矫正速度慢，影响了组合梁预制速度。所以，可以采用将翼缘板预做反变形的方法，即根据翼缘板宽度、厚度不同预制相应的反变形来控制组合梁预制过程中变形的产生[2]。

三、火焰矫正的技术要点

火工矫正的加热方式按加热区形状的不同，主要分为点状加热、线状加热、三角形加热。进行火焰加热以前，应根据构件的成形要求，在钢板上预先定出加热线的位置，以便加热时正确掌握。各加热线的起点不宜在一条直线上，应相互错开。

点状加热多适用于板材在构架焊完后产生的波浪变形，其过程是用火焰在工件上做圆环状游动，均匀地成圆点状加热。根据需要可加热一点或多点。多点加热时，在板材的加热点宜呈梅花状分布，型材和圆管的加热点多呈直线排列。加热点的直径d随板厚变化而变化，一般为d≤4δ+10mm（δ为板厚），且不应小于15mm，点间距a随变形增大而减小，一般在50~100mm之间。

线状加热多适用于矫正刚性和变形较大的结构，其过程是火焰沿一定方向直线移动并同时做横摆，以形成具有一定宽度的条状加热区。线状加热时，横向收缩大于纵向收缩，其收缩量随加热区宽度的增加而增加。加热区宽度b通常取板厚的2倍左右，一般约15~25mm。加热区的长度及间距视工件尺寸和变形状况而定。线状加热的加热方向应由变形小的部位向变形较大的部位过渡。加热温度从低到高逐渐提高，使变形较大的部位产生较大的拉伸应力。

三角形加热多适用于矫正厚度和刚性大的构件变形，如型钢和组合梁的变形等，其过程是将火焰摆动，使加热区呈三角形状，三角形的底边在矫正型钢或钢板的边缘，顶角向内。三角形的顶角约30°，宽度约20~30mm，矫正型材时，三角形的高度应为腹板高度的1/3~1/2。

总结：在海洋工程钢结构预制过程中，施工单位应注重对存在的变形问题、带来的危害做好充足的准备，采取有必要的措施与解决方案。在施工前期阶段，做好反变形及其它预防措施，尽可能避免出现一定的风险；变形出现后，在熟悉施工图纸以及相关的规则、技术要求的基础上，进行变形的调整与控制，保证整体的尺寸要求，满足海洋工程钢结构预制规范，促进我国的经济与社会发展。

参考文献：

[1]杨超等.海洋工程超大管径结构预制过程控制[J].山东化工,2022,51(18):158-159.

[2]魏永佳等.海洋工程组合梁预制变形控制技术浅析[J].科技视界,2013,45(06):38-39.