海洋平台焊接技术现状及未来发展方向研究

海洋平台焊接技术现状及未来发展方向研究

陈博 ,韩明 ,洪泰

大连鸿鑫达钢结构工程有限公司，辽宁大连  116200

摘要：进入21世纪，中国提出“建设海洋强国”的战略目标，大力推进海洋油气资源开发关键技术的研究。海洋平台是勘探开发海洋油气资源的主要工程装备。本文在阐述海洋平台发展历史的基础上，介绍了未来海洋平台用钢的发展大趋势，并针对海洋钢结构焊接存在的问题进行了分析，重点介绍了适合应用在海洋工程钢结构焊接中的几种新型高效高质量焊接技术，为新型焊接技术在海洋工程钢结构焊接中的应用推广奠定了基础。

关键词：海洋平台；用钢趋势；焊接问题；高效焊接技术

引言

对于海洋工程钢结构全生命周期来说，其最核心的两个阶段是设计与建造。而在建造阶段中最核心的环节是结构焊接，是指将独立的金属材料有机连接统一为多种功能结构体的技术。因此，焊接质量是决定钢结构使用寿命的关键参数。一般来说，钢结构焊接质量是由焊工技能水平和熟练程度所决定的，但母材和焊材的各项参数以及外部环境也都会影响焊接质量，导致出现各类焊接缺陷，如：裂纹、气孔等。这些焊接缺陷对钢结构的危害性主要体现在焊道与母材结合不完美，致使结合处出现错位、间隙等情况，造成缺陷处应力集中，影响钢结构连接强度，致使其极易因外力、自重等作用后出现结构失效的严重安全事故。

1海洋平台发展简述

（1）固定式平台

固定式平台主要包括钢结构固定平台、水重力平台、导管架平台等。钢结构固定平台根据作业水深又可分为极浅水钢混结构固定平台、浅水钢结构固定平台和深水钢结构固定平台。极浅水钢混结构固定平台作业水深一般小于15m，采用钢结构加混凝土结构或钢沉箱加砂土的结构，通过打桩方式在海底固定。浅水钢结构固定平台作业水深通常在50m以下，采用单立柱结构支撑上部甲板平台，底部采取三支腿或四支腿的形式固定。深水钢结构固定平台最大作业水深可达450m，采用打桩或拉索锚定形式固定，在导管架平台出现之前是应用最多的近海平台。水重力平台一般采用钢筋混凝土结构或钢筋混凝土与钢结构的复合体结构，靠自身重力(必要时灌水)在海底固定，无需打桩，作业水深可达300m以上。导管架平台是目前应力不足时可以通过灌水来增加重力，水重力平台的作业深度可达300m以上。用最多的近海固定式平台，最大作业水深可达411m。导管架平台由上部结构、导管架和桩组成，导管架在陆地预制好后，拖运至海上安装，顺着导管打桩，桩与导管之间灌入混凝土，使桩与导管连成一体固定于海底。（2）半固定式平台。半固定式海洋平台的作业水深通常在300~2000m之间，其结构形式主要包括张力腿、立柱式两种。其中张力腿平台主要由张拉钢索、下沉箱以及底部基座构成，张力钢索一段固定在海底基座上，另一端与平台和下沉箱连接，通过张拉钢索的拉力来抵消平台和下沉箱所受到的海水浮力；立柱式平台的支撑结构由直径长达几十米的桶形结构来完成，桶形结构下方通常采用底部吸力锚与张力钢索垂直拉伸形式固定。（3）移动式海洋平台。移动式海洋平台包括接地式平台和浮式平台两种。接地式平台按照结构的不同又分为坐底和自升两种形式。其中坐底形式平台工作范围内水深通常不超过15m，由于作业平台区域在近海，平台下沉是通过注水增加重力下沉，待施工作业完毕后，可将水排除平台上浮，牵引至其他区域继续作业。根据是否配备动力系统，将自升样式平台分为拖航式自升式平台、自航式自升式平台。

2海洋平台用钢的基本趋势分析

高强度钢在增加海洋工程平台载重能力的同时，又降低了海洋工程平台的总吨位，继而降低了海洋平台的总造价，将高强度钢轻量化是海洋工程用钢的主要发展趋势，轻量化高强度钢可以将海洋工程经济性目标和建造安全性目标进行完美的结合。海洋平台钢结构总重量与高强度钢的屈服强度成反比，相关研究表明，当高强度钢的屈服强度由420MPa增加到500MPa时，海洋工程钢结构总重量降低20%的有效办法就是将高强度钢的的屈服强度从原来的420MPa提升到500MPa，海洋工程钢结构总重量降低20%，每年可为我国节约海洋工程高强度钢约15万t。

3海洋平台焊接技术现状及问题

现阶段，国内海洋平台建造过程中采用的焊接技术以电弧焊、埋弧焊以及气体保护焊等传统焊接技术为主。传统焊接技术的自动化水平较低，而且焊接过程中容易出现变形、裂缝等质量缺陷。电弧焊、埋弧焊以及气体保护焊等传统焊接技术在焊接过程中会输入大量的焊接热，导致焊接结束后构件产生较大的残余应力，容易出现钢结构变形。此外，传统焊接技术下的焊接热影响区域晶粒粗大容易导致结构出现硬脆现象。与此同时，在传统焊接技术下焊接成型的海洋平台因受到风的侵袭、海水的侵蚀等容易出现冷裂纹或者层状撕裂现象，如果情况严重现场无法修理，只能托运上岸进行修整，消耗了大量的人力物力财力。

对于此类焊接出现的质量问题以及后续一系列维修方面的问题，现阶段采取的解决办法就是通过提前施加预应力或者使构件预变形来控制构件焊接的变形，并没有对因焊接输入热较大而产生的残余应力这个问题进行系统性和根本性的改变，在海洋平台后续的使用过程中仍然会出现构件开裂的问题。海洋平台使用的钢板厚度较大，刚性也较大，这种钢板在焊接过程采用传统焊接技术施焊很难控制焊接质量，焊件或者构件在焊接结束后出现变形或者开裂的问题时有发生。这就导致海洋平台在最后的合拢作业过程中，因为前期焊接存在的种种问题导致最后构件没有达到合拢规定的精度要求，不得不重新返工处理。

4高效焊接技术

粗放式的传统焊接技术已经无法满足特种材料和新型材料的焊接工艺，为了改变现状，新型的高效焊接技术不断被研发出来，最具代表性的前沿高效焊接技术主要有狭窄间隙焊接技术、TIME焊接技术、激光电弧复合焊技术以及深熔氩弧焊技术等。其中，狭窄间隙焊接技术因只需要较小的坡口断面，可以大幅度减少焊接实践和降低焊材填充数量，继而有效提高了焊接效率。此外，由于狭窄间隙焊接技术焊接作业面积小，所以其传递的热量小，热影响范围就小，继而出现焊接变形的概率就小。

激光电弧复合焊技术现阶段可以一次性焊透钢板厚度在20mm以下，未来一次性焊透厚度在30mm以下的钢板在技术上完全可以实现。基于激光电弧复合焊技术超强的焊接深度，在中厚度钢结构焊接中具有广泛的应用前景。而海洋平台钢结构焊接中最为常用的就是中厚度钢板，而且激光电弧复合焊技术可大幅度降低焊丝填充量，可以大幅度减少焊接残余应力继而降低了焊接变形的概率，所以激光电弧复合焊技术在海洋工程钢结构焊接领域的应用前景相当广泛。

结束语

随着深海油气资源的勘探开发，海洋平台用钢向着高强度、大厚度、良好的低温韧性等方向发展。国内海洋平台焊接仍以传统焊接方法为主，存在焊接效率低下、自动化程度低、焊接质量波动大等问题。如何提高海洋平台焊接效率，降低海洋平台焊接结构残余应力，改善焊接变形，提高焊缝质量是现阶段海洋平台焊接面临的问题。

参考文献

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