海洋工程用鋼的焊接技術現狀及發展

鄒家仁，錢建民，李華其

(1.寧波奧凱鋼結構工程有限公司，浙江 寧波 315400;2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

世界上70%的油氣資源蘊藏于海洋，目前已探明的海洋油氣資源的80%以上在水深500 m范圍內。海洋油氣資源開發中的海洋平臺的建造已經成為世界各國的焦點。海洋平臺用鋼板一般具有高強度、高韌性，良好的抗層狀撕裂、焊接性和耐腐蝕性等性能。近年來，隨著我國國力的增強、科技的發展，大型的海洋平臺得到了迅速的發展，我國的海洋油氣開采正從大陸架走向深海，海洋平臺的建造需要更高強度的平臺用鋼。對于高強度、大厚度的海洋平臺用鋼，合理的焊接技術不僅可以保證平臺的質量，還可以有效地提高平臺的建造效率。

1 海洋平臺用鋼

1.1 海洋平臺用鋼分類

目前，我國沒有具體的海洋平臺用鋼標準，主要使用的海洋平臺標準有EN10225、API、BS7191以及船舶標準，主要交貨方式為TMCP(熱機械軋制)、正火及調質態。

國際海洋平臺用鋼主要級別為355、420、460 MPa。主要牌號為355 MPa級的EN10225的S355、API的 API2H250、API2w250、BS7191 的 350EM，船標的 E36;420 MPa級的 EN10225的 S420、API的API2Y260、API2w260，船標的 E40、E420;460 MPa級的EN10225的S460，船標的E460。

國內海洋平臺用鋼主要牌號為A、B、D、E(Z15，Z25，Z35)、AH322 －FH32(Z15，Z25，Z35)、AH362－FH36(Z15，Z25，Z35)、AH402 － FH40(Z15，Z25，Z35)、API2H、Cr42、Cr50 等。

1.2 海洋平臺用鋼的特性及成分

1.2.1 海洋平臺用鋼的特性

海洋平臺是開發海洋資源的超大型焊接鋼結構，支撐著數百噸的平臺和鉆井設備。海洋平臺處在復雜、多變的海上，應用環境比較惡劣，要考慮到風載荷、波浪載荷、海流載荷、地震載荷等影響。這些特性要求海洋平臺用鋼擁有更高的強度，更厚的規格，更好的抗層狀撕裂、耐腐蝕性以及低溫韌性。

(1)高強度

隨著深海油氣資源開發進一步加強，普通的355 MPa級和420 MPa級的平臺用鋼已經不能滿足建造的要求，這就必然要求平臺用鋼具有更高的強度。我國首座3000 m深水半潛式鉆井平臺所用的平臺用鋼的強度達到了700 MPa。

(2)厚規格

隨著海洋平臺大型化，設備日益增多，使得平臺用鋼的厚度也逐漸在加厚。某鋼集團生產出的海洋平臺用調質高強鋼A514CrQ的厚度達到了215 mm。

(3)良好的抗層狀撕裂性能

海洋平臺用鋼不同于一般的船用鋼，其要求具有良好的抗層狀撕裂性能。

(4)良好的耐腐蝕性

海洋平臺長期服役于海上，易受到海水及海洋生物的侵蝕而產生劇烈的電化學腐蝕。這些腐蝕降低了結構材料的力學性能，縮短了其使用壽命。平臺服役周期長，遠離海岸，不能像船舶那樣進行定期的維修和保養，這就要求海洋平臺用鋼具有良好的耐腐蝕性能。

(5)良好的低溫韌性

隨著海洋平臺建造技術的提高，油氣資源開發的區域日益擴大，海上環境日益復雜多變，這就對平臺用鋼的低溫韌性提出了更高的要求。迪林根開發的用于北極圈庫頁島的S450鋼在－60℃時沖擊功超過300 J。

1.2.2 海洋平臺用鋼的成分設計

目前，海洋平臺已經使用了TMCP鋼，這是由安全性和焊接成本所決定的。使用TMCP技術生產的海洋平臺用鋼可以有效地降低其碳當量，提高平臺用鋼的焊接性。但是，較低的碳當量又會導致其強度不足。一般平臺用鋼會加入鈮、釩、鈦進行微合金化，充分發揮微合金元素細化晶粒、沉淀強化的作用，保證鋼板具有足夠的強度和良好的韌性。平臺用鋼對低溫韌性有著很高的要求，加入適量鎳元素可以有效地提高其低溫韌性。平臺用鋼具有很高的純凈度，在其冶金的過程中大大降低了硫、磷元素及一些雜質，使其獲得了良好的抗層狀撕裂的性能。

1.3 海洋平臺用鋼的焊接性

金屬焊接性是指金屬能否適應焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。金屬焊接性包括兩個方面:一是金屬在經受焊接加工時對缺陷的敏感性;二是焊成的接頭在一定的使用條件下可靠運行的能力。也可以認為，焊接性不僅要考慮到金屬的結合性能，而且還要考慮到焊接后的使用性能。一般情況在分析焊接性的時候，十分重視具體工藝條件，也就是說要著重于分析“工藝焊接性”。

采用什么樣的方法對焊接性進行評定取決于實際的使用情況，其中最常用的方法是用碳當量來確定。碳當量是衡量淬硬性的指標，可由鋼中的化學成分算出來。另一個重要參數是裂紋敏感指數，這可以確定鋼的預熱溫度及層間溫度。海洋平臺用鋼大部分是TMCP鋼，其碳含量很低，但是其含有一定量的合金元素，這些合金元素在焊接接頭中會導致過度硬化，從而增加冷裂紋敏感性。

1.3.1 焊接冷裂紋

冷裂紋分為延遲裂紋、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化裂紋。一般所講的冷裂紋大部分是指延遲裂紋。延遲裂紋又與鋼材的淬硬組織、接頭中的含氫量以及接頭所處的拘束應力狀態有關。在進行海洋平臺用鋼焊接時，由于這些高強鋼都是大厚度的，所以焊接時拘束比較大，而且這種鋼大部分都是經過TMCP處理的。經過TMCP處理后，氫在高強鋼母材、熱影響區、焊縫中的溶解度依次加大。在母材中，氫擴散的主要路徑為等軸鐵素體，鐵素體滲碳體(珠光體)等區表面的晶粒邊界上;在熱影響區，氫擴散的主要路徑為針狀或板條狀貝氏體區表面的晶界上;在焊縫中，氫擴散的主要路徑為鐵素體，針狀鐵素體邊界區的斷晶邊界上。可見在稍有缺陷的焊接接頭上，氫極易聚集，誘發氫致裂紋，所以這種鋼的焊接易產生冷裂紋。

1.3.2 熱裂紋

海洋平臺用鋼一般含碳量較低，含錳量較高，且含磷、硫雜質控制較嚴，因此熱裂紋的傾向較小。

1.3.3 焊接熱影響區HAZ的韌性

HAZ中韌性的惡化是由于在較大的焊接線能量下HAZ晶粒粗化導致的。從1983年開始就一直有人關心用高強度厚鋼板制造的海洋采油平臺鋼中焊縫的HAZ韌性。海洋平臺用鋼常使用鈮、釩作為合金元素進行微合金化，但是鈮、釩曾被許多專家認定是對HAZ韌性有害的元素，這就使得平臺用鋼在高熱輸入焊接時實現良好的焊接HAZ韌性成為問題。在海洋平臺用鋼的焊接過程中，規定最高HAZ許用硬度已經非常普遍，約為300 HV10。

2 海洋平臺用鋼的焊接技術

2.1 海洋平臺用鋼的焊接現狀

2.1.1 焊接方法

目前，在我國船廠，海洋平臺用鋼常用的焊接方法主要有手工電弧焊，二氧化碳氣體保護焊，保護藥芯焊絲氣體保護焊，部分使用埋弧焊。

2.1.2 焊接材料

對于焊接材料的選擇，要求所得焊縫金屬的機械性能應接近于母材的機械性能，一般采用“等強匹配”。但是對于一些大厚度，強度級別更高的海洋平臺用鋼，往往會采用“低強匹配”。在不影響其整體機械性能的情況下，通過犧牲一定的強度，來獲得比較好的焊縫韌性。焊條電弧焊進行焊接時，經過TMCP處理的海洋平臺用鋼對延遲裂紋有一定的敏感性，一般選用低氫焊條。藥芯焊絲是焊接海洋平臺用鋼理想的材料，通過混合氣體的保護，一方面降低了氣體保護焊所帶來的飛濺問題，另一方面又提高了焊接的效率。

2.2 海洋平臺用鋼焊接技術的發展趨勢

隨著深海油氣資源的開發，我國海洋平臺的建造技術必然會有長足的發展，進而海洋平臺用鋼的焊接技術也必然會快速的發展。

焊條電弧焊在工藝和應用上可以滿足海洋平臺用鋼的焊接要求。但是，焊條電弧焊存在著耗能大、污染嚴重、工作環境惡劣、生產效率低等缺點，制約了海洋平臺的建造周期。藥芯焊絲氣體保護焊熱輸入集中，效率高，熔池保護好，易于實現，是現階段船廠廣泛使用的一種焊接方法。隨著海洋平臺用鋼厚度的不斷增加，埋弧焊和氣電立焊可以快速提高生產效率，可以有效改善海洋平臺用鋼的焊接現狀。由于海洋平臺用鋼都是大厚度鋼板的焊接，窄間隙焊接能量集中，可以減少海洋平臺用鋼坡口的處理，是未來海洋平臺用鋼焊接的發展方向。復合焊接方法可以集中利用各種焊接方法的優點，提高海洋平臺用鋼的焊接效率。隨著船廠自動化設備的普及，激光焊接和機器人焊接也可以應用到海洋平臺用鋼的焊接。

3 結語

(1)海洋平臺用鋼具有高強度、大厚度等特點，不易于焊接，需要制定合理的焊接工藝。

(2)我國海洋平臺用鋼的焊接材料還很不完善，與國外的焊接材料相比存在著一定的差距，一些關鍵的海洋平臺用鋼的焊接材料還依賴于進口。

(3)在實際生產中，最常用的海洋平臺用鋼焊接方法還是焊條電弧焊和氣體保護焊，其他先進的焊接方法應用很少。