UIT在改善海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能中的應(yīng)用

姚國欣

摘 要：海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)疲勞日趨突出，結(jié)構(gòu)疲勞將大大降低鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，影響平臺(tái)使用壽命。而鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致疲勞斷裂的最主要因素。超聲波沖擊技術(shù)（UTI）是一種新穎的焊后應(yīng)力消除技術(shù)，該技術(shù)可以有效地改善鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

關(guān)鍵詞：超聲波沖擊 海洋平臺(tái) 鋼結(jié)構(gòu)疲勞

海洋平臺(tái)是最主要的海洋油氣資源開采設(shè)施，平臺(tái)自身的安全將直接關(guān)系到平臺(tái)上工作人員的人身安全以及海洋環(huán)境的清潔，而結(jié)構(gòu)安全是海洋平臺(tái)安全的基礎(chǔ)。隨著世界范圍內(nèi)海洋平臺(tái)數(shù)量的迅速增加，海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)疲勞的問題日趨突出。統(tǒng)計(jì)資料表明疲勞斷裂是海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)最常見的結(jié)構(gòu)失效型式，約60%的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效是由疲勞引起的，其中90%的疲勞斷裂發(fā)生在焊接位置。這是由于焊接過程中材料內(nèi)部溫度的時(shí)間梯度過大，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在焊后存在殘余應(yīng)力。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)承載后，與結(jié)構(gòu)所承受的外力方向一致的殘余應(yīng)力會(huì)與鋼結(jié)構(gòu)所承受的交變載荷相疊加，使得焊接區(qū)域承受的交變載荷遠(yuǎn)大于母材。因此，焊接位置承受交變載荷的能力遠(yuǎn)不及母材。由此可見，在海洋平臺(tái)建造階段采取有效的工藝措施減小焊接接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能是非常重要的。

海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的特點(diǎn)及傳統(tǒng)船舶工業(yè)應(yīng)力消除法的局限性

對(duì)傳統(tǒng)的船舶而言，海洋平臺(tái)的焊接殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出很多新特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導(dǎo)致了處理海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力相對(duì)船舶而言更為困難。具體如下：

1、海洋工程鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的特點(diǎn)

相對(duì)傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)代海洋工程鋼結(jié)構(gòu)所使用材料厚度更大，通常船用鋼板厚度不會(huì)超過60mm，而現(xiàn)代導(dǎo)管架平臺(tái)平均管壁厚度都在60mm以上，某些深海導(dǎo)管架平臺(tái)甚至達(dá)到100mm。鋼材的尺寸越大連接時(shí)所需的電焊工作量也越大，這就導(dǎo)致了厚板焊接區(qū)域溫度變化不均勻的問題更加突出，結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余應(yīng)力也更大。

結(jié)構(gòu)約束程度較高是海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)顯著特點(diǎn)，例如平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中的K、T、Y型節(jié)點(diǎn)，半潛式平臺(tái)上下浮體連接位置都存在較大的剛性。由于周邊結(jié)構(gòu)的約束使得這些位置的鋼結(jié)構(gòu)焊后收縮的范圍有限，這都導(dǎo)致了海洋工程鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的船舶鋼結(jié)構(gòu)而言焊后殘余應(yīng)力的問題更為突出。

2、傳統(tǒng)消除殘余應(yīng)力方法在海洋平臺(tái)上的局限性

傳統(tǒng)的船舶工業(yè)中用來消除殘余應(yīng)力的方法主要有熱時(shí)效法、噴丸法、錘擊法、TIG融修法等，這些方法在船舶建造中廣泛地被用來減小焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力。然而由于海洋平臺(tái)多為復(fù)雜的立體鋼結(jié)構(gòu)，熱時(shí)效法所需的電熱板和電熱絲通常難以在焊接區(qū)域固定。大部分海洋平臺(tái)的組裝過程需要露天作業(yè)，如采用噴丸法噴出的鋼丸將難以回收，造成很大浪費(fèi)。正是由于海洋平臺(tái)的特殊性，導(dǎo)致了這些方法難以在海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)中被采用。

目前海洋平臺(tái)建造過程中普遍采用錘擊法消除殘余應(yīng)力。錘擊法雖然效果顯著而、操作方便，但效率低、噪音大、勞動(dòng)強(qiáng)度大且質(zhì)量不穩(wěn)定。目前錘擊法也只是與其他方法相結(jié)合后用于消除重要位置的殘余應(yīng)力，很難在海洋平臺(tái)的建造過程中大范圍采用。

超聲波沖擊法（UIT）的基本原理及實(shí)踐效果

超聲波沖擊法（Ultrasonic Impact Treatment）是烏克蘭巴頓焊接研究所提出的一種消除焊接應(yīng)力的方法，最初主要用于軍工產(chǎn)品，后被推廣到民用工業(yè)。UIT是目前國際上公認(rèn)最有效、最便捷的消除焊接殘余應(yīng)力、改善接頭疲勞性能的工藝方法。目前該方法已在軍事、建筑、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用。但在船舶領(lǐng)域目前尚無采用該方法提高結(jié)構(gòu)疲勞性能的文獻(xiàn)記錄。要研究該方案是否可用于船舶工業(yè)，首先要了解其基本原理。

1、UIT方法的基本原理及特點(diǎn)

從本質(zhì)上來說，殘余應(yīng)力是物體發(fā)生塑性變形后微觀晶粒錯(cuò)位的結(jié)果。從熱力學(xué)的角度分析，晶粒之間的錯(cuò)位導(dǎo)致物體內(nèi)部彈性勢(shì)能較大，這是一種不穩(wěn)定的高能量狀態(tài)。此時(shí)，當(dāng)外場(chǎng)作用于物體時(shí)，如果這種外場(chǎng)所提供的能量足以克服晶粒間的勢(shì)能，晶粒就會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。撤去外力后晶粒就回到原先低勢(shì)能的平衡位置，殘余應(yīng)力得到釋放。文中所述的消除殘余應(yīng)力的方法從本質(zhì)上說都是通過外場(chǎng)向結(jié)構(gòu)輸入能量，其區(qū)別主要在于能量輸入的數(shù)值、方式以及頻率上的差異。從理論上說，高頻的能量輸入更有利于物體內(nèi)應(yīng)力的釋放，超聲波沖擊法就是基于這個(gè)理論提出的。

超聲波沖擊法的基本工作原理是采用大功率超聲波推動(dòng)的沖擊頭以每秒20000次以上的頻率撞擊焊縫及熱影響區(qū)，這種沖擊一方面可以使焊接接頭表面產(chǎn)生足夠深度的塑性變形層，從而有效地改善焊縫與母材過渡區(qū)域的外表形狀，降低焊接接頭的應(yīng)力集中程度。另一方面，這種集中發(fā)射的高頻率能量可以使結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一定程度的壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力可以平衡部分以拉應(yīng)力為主的焊接殘余應(yīng)力。從這個(gè)角度來看，超聲波沖擊可以調(diào)整焊接區(qū)域殘余應(yīng)力場(chǎng)，減少焊接殘余拉應(yīng)力，改善接頭的疲勞性能。

相對(duì)于傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力的方法而言，超聲波沖擊法具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。超聲波沖擊設(shè)備體積小、重量輕單人即可攜帶，工作時(shí)不受工件形狀、施工場(chǎng)地、施工環(huán)境等條件限制。設(shè)備采用電力驅(qū)動(dòng)，通常的工業(yè)供電即可滿足要求。工作時(shí)的不會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪音，污染狀況不顯著，勞動(dòng)強(qiáng)度大大改善。最主要的是，UIT高頻的能量輸入可以使鋼材內(nèi)部的晶粒最大程度地回歸到原先的低勢(shì)能位置，消除殘余應(yīng)力的效果非常顯著。

2、UIT方法提高低碳鋼疲勞強(qiáng)度的效果及影響UIT處理效果的因素

低碳鋼是指含碳量0.1%-0.3%的不含合金元素的鋼材，這類鋼材具有良好的工藝性能，是建造船舶及海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的主要材料。實(shí)踐證明，采用UIT方法可以有效地降低低碳鋼內(nèi)焊接殘余應(yīng)力，提高整體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

EH36型鋼材角接試樣標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果見表1。EH36型鋼材常用于船舶與海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的重要位置。從試驗(yàn)室實(shí)際測(cè)試情況來看，采用UIT方法可有效提高焊縫的抗疲勞性能，某些經(jīng)過UIT處理后的焊縫疲勞強(qiáng)度甚至優(yōu)于母材。

大量研究結(jié)果表明，UIT處理的效果與材料自身的性質(zhì)有密不可分的關(guān)系。通常材料內(nèi)部晶粒越細(xì)，UIT處理后疲勞強(qiáng)度的提高程度越顯著。這是因?yàn)楹缚p內(nèi)結(jié)晶是一個(gè)晶粒長大的過程，所以焊接對(duì)細(xì)晶粒材料的機(jī)械性能影響更大。具體地說，采用UIT進(jìn)行處理后，高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度提高更為顯著（見表2）。

從實(shí)踐結(jié)果來看，超聲波沖擊的頻率、振幅以及沖頭移動(dòng)速度等參數(shù)對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的提高能力是有限的。因?yàn)閁IT方法的基本原理是通過一個(gè)外加的能量場(chǎng)使材料內(nèi)部的晶粒運(yùn)動(dòng)起來，從而回復(fù)到勢(shì)能相對(duì)較低的狀態(tài)，這種低勢(shì)能狀態(tài)時(shí)的晶粒排列取決于材料本身的特性而非外加能量場(chǎng)。所以只要沖擊所輸入能量足以驅(qū)動(dòng)晶粒運(yùn)動(dòng)，就能顯著降低材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，而增加能量輸入不會(huì)有更好的效果。

UIT方法在海洋平臺(tái)建造中的應(yīng)用

超聲波沖擊法已經(jīng)在橋梁建設(shè)中廣泛采用，武漢長江二橋、重慶觀音巖長江大橋鋼梁均采用了UIT方法進(jìn)行處理，結(jié)構(gòu)內(nèi)殘余應(yīng)力都能顯著減小。海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)中所采用的鋼材與橋梁工程中所用的材料性能相似，可見UIT方法完全可以用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的消除，具體的工藝方案可以參照相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域。

1、UIT應(yīng)用于海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的工藝流程

通常UIT方法的工藝流程分為：處理前應(yīng)力測(cè)試、沖擊處理、處理后應(yīng)力測(cè)試及效果評(píng)估四個(gè)階段，在處理海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)可參照這個(gè)流程。在沖擊前首先采用應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)定結(jié)構(gòu)內(nèi)殘余應(yīng)力，根據(jù)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)選定合適的沖擊能量。沖擊結(jié)束后再次測(cè)定結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，并對(duì)處理效果進(jìn)行評(píng)估。由于UIT處理結(jié)果主要取決于材料本身的性質(zhì)，所以不同類型的材料應(yīng)力下降的標(biāo)準(zhǔn)不同。對(duì)普通鋼而言內(nèi)應(yīng)力消降率大于50%即可接受，而高強(qiáng)度鋼則要求達(dá)到75%以上。

2、影響UIT處理質(zhì)量的因素

從上面的分析來看，只有在進(jìn)行UIT處理時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)輸入足夠大的能量才能起到顯著提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的效果，可見沖擊能量是UIT方法工藝參數(shù)的關(guān)鍵。沖擊能量主要由沖頭質(zhì)量、沖頭振幅以及沖擊頻率決定。通常沖頭質(zhì)量和沖擊振幅數(shù)量級(jí)與沖擊頻率相比較可以忽略不計(jì)，所以決定沖擊能量的主要是沖擊頻率。對(duì)于低碳鋼而言，20kHz的沖擊頻率足以滿足要求。

決定UIT處理質(zhì)量的另一個(gè)工藝參數(shù)是處理速度，即沖擊頭在結(jié)構(gòu)上移動(dòng)的速度。處理速度過快會(huì)導(dǎo)致外場(chǎng)作用于結(jié)構(gòu)的時(shí)間過短，以致結(jié)構(gòu)內(nèi)晶粒還未運(yùn)動(dòng)到低能位置時(shí)外場(chǎng)的作用已經(jīng)消失了，直接影響處理質(zhì)量。通常普通鋼接頭UIT處理速度不宜超過200mm/分鐘，高強(qiáng)度鋼晶粒較細(xì)運(yùn)動(dòng)到位的時(shí)間相對(duì)較長，處理速度不宜超過150mm/分鐘。

結(jié)論

UIT是一種新興的工藝措施，這種工藝措施可以大幅度降低結(jié)構(gòu)內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力，改善結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全與只用壽命有著非常重要的作用。然而，該方法在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚不普及，究竟采用什么樣的工藝參數(shù)更為合理還有待在將來實(shí)踐中的不斷探索。

（作者單位：中國船級(jí)社上海分社）