导管架焊接变形和优化

导管架焊接变形和优化
摘要：焊接是导管架建造的主要方式，焊接会导致钢结构尺寸的变形，如何有效控制导管架在建造过程中变形是人们关心的问题。

本文阐述了导管架建造方法和特点，以及焊接变形量的计算方法，使用焊接变形理论分析了导管架建造过程中变形的主要因素，结合传统方法优化了焊接方式，从而良好的控制了焊接变形。

关键词：导管架；焊接；尺寸变形；焊接优化
1导管架简介
平台由海底钢桩来支撑，分为腿柱式、桩基式和群桩式。

桩基式平台的重要组成部分是导管架，是整个平台的支撑部分。

在陆地上通过钢板的卷制，管件的组对焊接来形成框架结构。

导管架根据支撑腿数不同分为1腿结构，3腿结构，4腿结构，6腿结构，8腿结构导管架。

导管架还有立管，电缆护管靠船件等其他附件构成。

导管架的建造方式主要是焊接[1]。

2导管架建造
2.1导管架建造的两种方法
导管架建造分为立式建造和卧式建造。

两种方法的特点如下：
（1）立式建造方式特点：
①导管架建造完成后托运简单方便；
②附件可在地面和导管平面组装，可以减少尺寸误差并且也可以预防高空作业危险；
③施工地点灵活，可以几处同时作业。

（2）卧式建造方式特点：
①托运，下水安装难度大。

②焊接操作简单，吊装方便，安装精度高；
③施工作业集中。

不管采用哪种方式进行导管架建造，都要首先进行分体建造，之后再吊装焊接安装。

2.2导管架建造结构过程
3导管架焊接
3.1焊接概念
（1）焊接定义
国标对焊接的定义是：焊接是通过加热或加压、或两者并用，并且用或不用填充金属，使焊件间达到原子结合的一种加工方法。

我们日常所见的焊接，实质是一种冶金过程，通过加热使填充金属和局部母材变为为一体。

焊接过程中焊道液态金属冷却会使焊缝金属产生收缩，这样会使焊缝尺寸发生变化，因此会引起焊接结构件尺寸的变化[2]。

（2）钢结构焊接作业中的变形
焊接钢结构时，在焊道两侧温度很高，材料在不均匀受热状态下出现的变形称之为焊接变形[3]。

变形将引起钢结构件的外形变化。

焊接变形的种类有纵向、横向、弯曲、角、波浪和扭曲变形等多种形式[4]。

导管架管件焊接变形一直是一个复杂的问题。

破口形式、组对间隙、钢板厚度和焊缝横截面积是影响钢结构焊接收缩的主要因素[5] [6]。

由行业内相关标准确定的在焊接过程中材料变形计算公式汇总，如下所示：[7]。

由以上公式可以算出理论收缩变形量，为实际提供理论依据。

3.2导管架管件焊接
由施工流程图可知，导管架按焊缝位置不同由卷管纵缝焊接、管件接长环缝焊接、TKY组对焊接、拉筋组对焊接，导管架焊接方式如下：
（1）导管架卷管纵缝焊接
导管架卷管纵缝焊接是控制的重点之一，占总焊接量的30%。

导管架纵缝焊接常采用埋弧焊、气体保护焊和药心焊丝保护焊，焊接坡口的形式主要有单V 或双V。

（2）卷管接长环缝的焊接
导管架焊接质量控制的重中之重是环焊缝接长焊接，占到了焊接总量的50%。

其焊接方法由卷管直径，卷管壁厚，坡口角度等焊接方法决定。

常用的焊接方法有埋弧焊，手工电弧焊和药芯焊丝保护焊，
（3）TKY口组对焊接
TKY组对时有管径相同，也有管径不同的。

单个管完成接长后，就要进行花片，水平片，立片的预制，这时就是TKY口的组对焊接。

使用手工电弧焊进行打底焊接，气体保护焊进行盖面焊接。

导管架整体尺寸变形的主要原因是由TKY组对焊接引起的。

4、导管架焊接变形与结构尺寸
只要焊接加工就一定会产生变形。

从导管架建造流程我们可以看到，焊接是导管架建造的主要工艺，相应的焊接变形伴随着各道工序存在，单片焊接，片焊接和整体焊接都会影响导管架尺寸，其建造流程有单件、片焊接，卷管纵缝、卷管接长环缝焊接、TKY接头焊接等[8]。

在导管架建造过程中主要考虑的是管件焊接对导管架整体尺寸的影响。

（1）卷管纵缝焊接与结构尺寸
有单V坡口焊缝横向变形公式：，双V对接焊缝横向收缩近似值及公式：，可以得到焊缝横向变形理论值y。

由导管架建造程序可知，要对导管架的管件周长、错皮度及圆度进行控制，错皮度和圆度在卷制钢管的过程中己经得到了有效的控制，管件的周长主要由焊接横向收缩变形引起的
（2）导管架环缝的焊接与结构尺寸
单V焊缝横向变形公式为：，双V焊缝横向变形公式为：，可以得到焊缝横向收缩变形的理论值y。

5、导管架焊接优化
焊接过程中的基本尺寸和要求规定的长度焊接公差都可以得到基本保证，但是随着卷管的不断接长，焊接时是我偏差将会不断增大，这时按照TKY与卷管尺寸进行正常焊接，会导致对接环缝和TKY焊道的重叠，这将违背建造标准。

5、导管架焊接优化
焊接时第一个卷管环焊缝的焊接变形量为，第二个为，依次类推第个为，第处的累计变形就是，这样累计变形长度将会大于允许的公差，焊缝错位的现象就会出现，最后会出现焊缝重叠情况。

5.1卷管接长焊接优化
方法如下：
（1）根据卷管壁厚和所开坡口计算横向变形量为y；
（2）由横向变形量y，焊接时每一段卷管都留出补偿量Y，Y的大小通常为2mm到10mm。

（3）管件接长顺序优化，每两个管节接长为一节，再把两个管节接长后看成一节，之后再按照两个管节对接，直到接长完成。

如果要进行管件的接长，按照如下方法进行：先将1、2接长，3、4接长；1、2接长的管段再与3、4接长的管段进行接长，依次焊接形成一个完整长度的管段。

5.2立式建造和卧式建造对施工的影响
为保证焊缝位置正确，所有管件接长采用双节法，每两段进行焊接，计算焊缝收缩量，并且预留出补偿量，保证其焊接变形量和管件长度尺寸。

以达到卷管环缝和TKY组对接口不会重叠。

使用传统方法建造导管架：，变形总量与经验补偿量差值不为零；使用双节法建造导管架：，变形总量与经验补偿量差值为零。

工期：单根管件长102m导管架，单根管长为3m，则由34节单节组成，有33道环焊缝。

如果单节管件的焊接工期为T，则卧式工期为33T，立式工期为5T，立式导管架将节约工期为33T-5T=18T，假如焊接一个环焊缝时间为1天，则可以节约工期为18天。

6、结论
通过对焊接理论收缩量的计算分析，在此基础上对焊接施工进行优化，有效的保证了导管架尺寸，以及焊缝位置，并且节约了工期，有效的控制了成本并提高了施工质量。

参考文献：
[1]娄敏.海洋工程施工与安全[M] . 中国石油大学（华东）
[2]王国凡. 钢结构焊接制造[M] . 北京：化学工业出版社，2004.
[3]侯兆欣，何奋韬等. GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S] . 北京：中国计划出版社，2002.
[4]张启文，夏志斌，黄友明等. GB 50017-2003 钢结构设计规范[S] . 北京：中国计划出版社，2003
[5]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：焊接结构[M].北京：机械工业出版社，2008.1.
[6] 程中鹏，马妮娜.钢结构的焊接[J] .建筑工程，2003（9）：73-75
[7] 上田幸雄.焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序[M].成都：四川大学出版社，2009.
[8]赵小慧，赵明华.浅析防治钢结构建筑焊接变形的施工工艺[J].Value Engineering，2010（205）：23-24。