海洋結(jié)構(gòu)物樁腿制造中的焊接問題

趙 松， 郝恩喜， 周 宜， 劉巖巖

(1.煙臺中集來福士海洋工程有限公司詳細(xì)設(shè)計部，山東煙臺 264000; 2.沈陽科金特種金屬材料有限公司，遼寧沈陽 110101; 3.煙臺中集來福士海洋工程有限公司游艇部，山東煙臺 264000)

0 引 言

海洋石油開發(fā)逐漸由淺海向深海區(qū)域發(fā)展，由溫暖海區(qū)域向低溫寒冷海區(qū)域發(fā)展。海洋平臺往往要經(jīng)受各種氣候條件和風(fēng)浪的襲擊，遭受海水的腐蝕，工作環(huán)境非常苛刻。其次，海洋工程結(jié)構(gòu)大型化趨勢顯著，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大，節(jié)點焊接本來就很困難，加之應(yīng)力集中程度高，其結(jié)構(gòu)處于更危險的狀態(tài)，且隨著結(jié)構(gòu)大型化，導(dǎo)致構(gòu)件厚度增加，其破壞的危險性也就愈來愈大，因此在海洋平臺焊接時，其要求也越來越高，海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強度要求焊縫保證一定的強度，能承受強風(fēng)浪的沖擊，如果焊接接頭存在嚴(yán)重的焊接缺陷，在惡劣的環(huán)境下，就有可能造成部分結(jié)構(gòu)斷裂。

通常海洋結(jié)構(gòu)物中的樁腿結(jié)構(gòu)(JACK-LEG)如圖1所示。

圖1 樁腿

樁靴結(jié)構(gòu)(SPUD CAN)如圖2所示。

圖2 樁靴

所用的材料很多為屈服強度500 MPa以上級別的超高強鋼，見表1和表2。

這些材料不僅屈服強度高，而且要確保0～60℃，甚至更低的低溫沖擊性能[1]，這給焊接帶來很大的困難，焊接過程中會產(chǎn)生很多問題。

表1 超高強度鋼(EHS)的機械性能

表2 超高強度鋼(EHS)的化學(xué)成分和脫氧法

1 論 述

在焊接工藝認(rèn)可的前提下，通常為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼廠供貨狀態(tài)，文中分析了超高強鋼焊接時易出現(xiàn)的一些問題。

1.1 裂紋

1)碳當(dāng)量:

碳當(dāng)量是判斷構(gòu)件產(chǎn)生裂紋的主要數(shù)據(jù)。500 MPa級超高強鋼的CE值平均在 0.6左右[2]，這說明存在著很強的淬硬傾向，鋼中的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋。這樣情況下，鋼在淬硬以后形成脆硬的馬氏體組織，而金屬的強度理論表明，馬氏體是一種脆硬的金屬組織，自身的特性決定發(fā)生斷裂時只需消耗較低的能量，因此，焊接節(jié)點處有馬氏體的存在，裂紋便形成和擴(kuò)展，造成損失。另外，鋼淬硬后產(chǎn)生很多的晶格缺陷，主要是空位和位錯。在應(yīng)力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯都會發(fā)生移動和聚集，當(dāng)它們的濃度達(dá)到一定的臨界值后，就會形成裂紋源。在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，就會不斷地發(fā)生擴(kuò)展而形成宏觀的裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)報廢。

2)氫作為引起焊接冷裂紋的重要因素之一，具有延遲的特性。在M s點以下會產(chǎn)生致裂作用。而當(dāng)焊縫中氫的濃度升高到一定數(shù)值時，應(yīng)力的作用促使產(chǎn)生裂紋。這種裂紋具有滯后性，所以產(chǎn)生的破壞性也就更大。一般在熱影響區(qū)氫致裂紋出現(xiàn)比較多，而超高強度鋼焊縫的合金成分復(fù)雜，焊接時熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變先于焊縫，氫從熱影響區(qū)擴(kuò)散到焊縫，延遲裂紋就此產(chǎn)生在焊縫上。

3)超高強鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的另一個決定因素是焊接節(jié)點處的應(yīng)力狀態(tài)，在某些特定狀態(tài)時，還起決定性的作用。焊接節(jié)點處所承受的拘束應(yīng)力還有不同溫度加熱和冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和金屬進(jìn)行相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力。

1.2 沖擊韌性的下降

高強度鋼都存在一個沖擊韌性最佳的冷卻時間t8/5，t8/5過小或過大都會使沖擊韌性下降。t8/5過小時，沖擊韌性下降的原因是由于全部獲得了馬氏體，而當(dāng)t8/5增加時，引起脆化的原因除了奧氏體晶粒粗化引起的脆化外，主要原因是由于上貝氏體和塊狀的M-A組元。同時，鋼材對線能量是非常敏感的，也就是說，線能量也是使沖擊韌性下降的一個重要因素[3]。

1.3 熱影響區(qū)的軟化

一般調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的高強度鋼普遍存在熱影響區(qū)軟化的問題，這種影響對焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的低碳鋼來說尤為重要。鋼材屈服強度級別越高，這類問題越突出，尤其是500 MPa以上級別的超高強度鋼[4-5]。

2 解決方法

針對上述問題進(jìn)行綜合分析，提出如下解決方法。

2.1 焊前預(yù)熱

可以通過預(yù)熱來降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，同時也是通過馬氏體的“自回火”作用來提高抗裂性。但是預(yù)熱溫度不能過高，一般控制在200℃以內(nèi)，否則不僅對防止裂紋起不到作用，相反還會使800～500℃的冷卻速度低于出現(xiàn)脆性混合組織的臨界冷卻速度，使焊接熱影響區(qū)的韌性大大降低[6]。

2.2 選擇適當(dāng)?shù)暮附硬牧?/h3>

氫除了來源于焊接材料中的水、焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等因素以外，主要是來自焊接材料。而超高強度鋼的焊接是需要使用低氫焊接材料的。低氫型焊條在發(fā)放之前必須進(jìn)行烘干。符合AWSA 5.1規(guī)格的低氫型焊條必須在260～430℃環(huán)境下烘焙至少2 h，或按制造商建議進(jìn)行烘焙。符合AWSA 5.5規(guī)格的低氫型焊條必須在370～430℃環(huán)境下烘焙至少1 h，或按制造商建議進(jìn)行烘焙。SAW焊劑必須干燥且未受污物、氧化皮或其它外來物的污染。焊劑必須在使用前以不低于260℃烘干1 h，并在手感溫?zé)岬臅r候使用。

2.3 線能量的控制

為了確保立焊位置沖擊值在33 J以上，其它位置在50 J以上，可以選用小線能量的方法，也就是多層小焊道焊縫，根據(jù)焊接材料厚度127 mm或154mm樁腿焊接焊道層數(shù)約為30層以上，這樣不僅可以使焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬有較好的韌性，而且還可以減小焊接變形。t8/5對于焊接接頭熔合線處最薄弱的粗晶區(qū)沖擊韌性的影響很大，如果控制在10～30 s之間，則熔合線處粗晶區(qū)能保證很好的沖擊韌性，甚至比母材還好。

2.4 嚴(yán)格控制層間溫度

層間溫度起著與預(yù)熱同樣的作用。最小層間溫度為75℃，最大為200℃，也就是說，層間溫度最小控制在預(yù)熱溫度的下限，而最大層間溫度也不能過高。

2.5 焊后熱處理

超高強鋼的合金化原理就是在低碳的基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素來保證獲得強度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。低碳貝氏體組織比相同含碳量的鐵素體-珠光體具有更高的強度，因此，低碳貝氏體組織的屈服強度可以達(dá)到為450～800 MPa[7]。冷卻速度不能過快。這樣做的目的是有利于氫的逸出，防止冷裂紋，保證焊接強度。

2.6 施焊工藝控制

分別采用手工電弧焊、埋弧自動焊及藥芯焊絲電弧焊相結(jié)合的方式進(jìn)行焊接。并采取多層多焊道的焊接方式。對于對接焊和全焊透的角焊縫，在焊接之前要進(jìn)行50～100℃預(yù)熱，且在多層多道焊時，每道焊縫層間溫度要控制在100～150℃之間，每條焊縫要盡量一次性連接不斷地焊完，不能因為外界因素影響而間歇進(jìn)行操作，這樣才能保證層間溫度。在多層多道焊時，下一道焊縫焊接之前要對前一道焊縫進(jìn)行敲渣和適量的打磨，并進(jìn)行100%目檢，在確保沒有任何缺陷后才能進(jìn)行下一道焊縫的焊接工作，否則要及時消除缺陷才能繼續(xù)焊接[9]。

2.7 檢驗

對于焊接質(zhì)量的檢驗方法一般分無損檢驗和破壞檢驗兩大類，根據(jù)技術(shù)要求和有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，無損檢驗方法需對產(chǎn)品進(jìn)行外觀檢查、密性試驗和無損探傷等。主要針對焊縫表面咬口、氣孔、夾渣、焊接裂紋、弧坑、焊瘤以及焊縫的外形尺寸和形狀不符合要求等外部缺陷。進(jìn)行無損探傷分滲透檢驗、磁粉探傷、超聲波探傷和射線照相探傷。破壞檢驗方法是用機械方法在焊接接頭(或焊縫)上截取一部分金屬，加工成規(guī)定的形狀和尺寸，然后在專門的設(shè)備和儀器上進(jìn)行破壞試驗，依據(jù)試驗結(jié)果，可以了解焊接接頭性能及內(nèi)部缺陷情況，判斷焊接工藝正確與否。如果結(jié)構(gòu)焊縫超過質(zhì)量允許限值時，需要查明產(chǎn)生缺陷的原因，確定缺陷在工件上的部位，在確認(rèn)允許修補時，再按規(guī)定對焊縫進(jìn)行修正。

3 結(jié) 語

以上在論述中出現(xiàn)的問題，在海洋結(jié)構(gòu)物樁腿及樁靴的超高強鋼焊接過程中極其容易出現(xiàn)，并且危害極大，在未來生產(chǎn)過程中的工藝制定及操作時需要給以足夠的重視。

[1] DNV.Metal Materials[S].[S.l.]:Det Norske Veritas，2005.

[2] CCS船舶入級規(guī)范《材料焊接與規(guī)范》[S].北京:人民交通出版社，2009.

[3] 李鳳波，楊文華.ASTM A 514 G r.Q鋼焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2010，39(3):35-38.

[4] Navy Man.Tech Pro ject Book[M].[S.l.]:The United States Navy M anTech Program.O ffice o f Naval Research，2007.

[5] Navy Man.Tech Pro ject Book[M].[S.l.]:The United States Navy ManTech Program.O ffice of Naval Research，2008.

[6] 趙連春.鉆井平臺中新材料的焊接工藝研究[J].船舶物資與市場，2009(1):34-36.

[7] 陳忠偉.低碳貝氏體鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].材料導(dǎo)報，2006，20(10):84-86.

[8] 趙立玉.海洋平臺結(jié)構(gòu)的焊接修理[J].廣東造船，2006(1):49-52.