海洋裝備用特種鋼材的加工

伴隨企業制造能力的增強，海洋裝備的性能與品質不斷提升，對特種鋼材的需求正在逐漸增大，特種鋼材的加工也就自然成為海洋裝備制造企業面臨的一大難題。為此，本期產業論壇特別邀請了來自海洋裝備制造企業，主要從事焊接與切割的專業技術人員，分享特種鋼材的焊接與切割經驗。

招商局重工有限公司 陳淑梅

深圳赤灣勝寶旺工程有限公司 賈義庚

江蘇金陵船廠設計公司 吉春正

海洋裝備用特種鋼材及其性能特點

陳淑梅：伴隨我國海洋裝備制造能力的日益增強，產品檔次不斷提升，不少海工裝備制造企業目前已對超高強度鋼、耐腐蝕鋼、殷瓦鋼、雙相不銹鋼、抗Z向沖擊鋼，以及水面和海底海工裝備所需等一系列特種鋼材產生了一定需求。

目前，我公司在建的各類型自升式鉆井平臺共有18座，包括CJ46.CJ50，JU2000E等一系列產品。由于海洋環境條件具有復雜性、隨機性和多樣性的特點，而且平臺的樁腿部分要在波浪、海潮、風暴及寒冷流冰等嚴峻的海洋工作環境中，支撐重量上千噸的平臺和鉆井設備，保證遠離陸地的操作人員的生存條件和安全，所以對材料性能和焊接制造要求非常苛刻。為了減輕海洋工程結構的質量，同時又增加結構整體的安全性，采用材料的強度級別也越來越高。現在我公司在建平臺樁腿上齒條板和主弦管大多采用屈服強度≥690MPa的超高強鋼，抗拉強度在770~940MPa之間，伸長率≥14%，橫向沖擊吸收能量在-40℃條件下≥47J，通常是調質狀態交貨，且齒條板厚度往往≥150mm；高壓泥漿管線用到4130等級的合金管，應符合ASTM—A519去應力狀態下力學性能要求，即屈服強度≥585MPa，抗拉強度≥724MPa，伸長率≥10%，硬度≤95HRB。

張劍利：近年來，我國海洋裝備發展迅速，已經成功設計和建造了浮式生產儲卸裝置、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺以及深水起重鋪管船等多種海洋工程船舶。在這些裝備的制造中，高強鋼、雙相不銹鋼、復合管、鎳基合金等特種鋼材都得到了廣泛的應用。

在有高耐腐蝕要求的油氣管線中，雙相不銹鋼得到廣泛應用。雙相不銹鋼由各約占50%的奧氏體相和鐵素體相組成，它在一定程度上兼有奧氏體與鐵素體鋼的特性。奧氏體相的存在，降低了高鉻鐵素體不銹鋼的脆性，防止了晶粒長大傾向，提高了韌性和焊接性；鐵素體相的存在，提高了奧氏體不銹鋼的室溫強度，尤其是屈服強度和導熱系數，降低線膨脹系數和焊接熱裂傾向，同時大大提高了鋼的耐應力腐蝕開裂性能，還改善了耐點蝕性能。但由于兩相的存在，也帶來了某些缺點，因鐵素體含量較高，保留了高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向。因鐵素體和奧氏體相的變形能力不同，故冷熱加工性能也較差。

此外，高腐蝕性油氣輸送普遍采用耐蝕合金管道，然而，普通耐蝕管材中用作抗腐蝕的部分僅占1/3左右，其余部分用作結構支撐，造成了資源的極大浪費。為滿足油氣管道的耐腐蝕性能并兼顧成本，雙金屬復合管應運而生。雙金屬復合管襯管采用薄壁耐蝕合金材料，可根據不同的腐蝕環境選用相應的材料（不銹鋼、鎳基合金等），以保證良好的耐腐蝕性能；基管采用碳鋼或其他合金鋼保證優異的力學性能。雙金屬復合管從根本上改變了傳統金屬管道的單一性和局限性。

賈義庚：在海洋工程領域，制管的應用很普遍。但由于鋼材本身的強度、厚度不斷增加，卷管的難度也一直增加。這尤其對卷管機的軸提出了更高的要求，包括高強度、高韌性、高耐磨性及高抗疲勞性等。目前卷管機軸應用最廣泛的材料就是42CrMo, 調質狀態供貨。42CrMo鋼屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，抗拉強度≥1080MPa，屈服強度≥930MPa，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。

吉春正：海洋工程用鋼主要種類可分為：海洋平臺、海洋風力發電以及海底油氣管線用鋼等三類。

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高強度、高韌性、抗疲勞、厚規格、耐腐蝕、抗層狀撕裂，以及焊接性良好；在冶金質量上要求采取低磷、低硫、低夾雜及細化晶粒等控制措施。

海洋裝備用特種鋼材的焊接與切割難點

陳淑梅：基于海洋裝備用特種鋼材的特殊性能，也使其加工難度要遠遠大于普通鋼材。下面以我公司承接項目中涉及到的特種鋼材為例，說明其焊接難點。

我公司承接新加坡BestFord OFFshore的 6條CJ—46鉆井船所用的樁腿材料：主弦管為A514—F，齒條為JFE—HITEN 780M—MOD—T，都屬于ABS EQ70系列的超高強鋼，加工過程中難點主要包括：①齒條接長對接厚度150mm，且焊接接頭為全熔透，焊接填充量大，內應力較大，易產生裂紋。②焊件厚，并處于調質狀態，預熱層間溫度要求高，預熱溫度為150℃，且注意加熱均勻并控制加熱冷卻速率。③焊接變形較難矯正，為了保證調質鋼的性能，熱矯正溫度不能太高并控制速率，火焰矯正常常需配合機械矯正。④焊后要立即進行消氫處理。

而高壓泥漿系統用的4130管，主要難點是保證焊后力學性能及防應力腐蝕性能良好，只有通過嚴格的焊后熱處理，才可保證以上性能，特別是焊縫及熱影響區的硬度要求。因為常常為了降低硬度不得不進行較長時間的熱處理，而熱處理又會影響到母材的整體性能，所以熱處理保溫時間和保溫溫度是重要的因素，需通過焊接工藝評定來確定。

張劍利：我公司鉆井船齒條使用的S690鋼是最小屈服強度為690MPa的低合金超高強度鋼，它是低碳調質鋼的一種。在焊接時要注意馬氏體轉變時的冷卻速度不能太快，使生成的馬氏體進行“自回火”處理，以防止冷裂紋；合理控制熱輸入和預熱溫度，使獲得最佳的800~500℃之間的冷卻速度，提高熱影響區韌性。因此確定焊前合適的預熱溫度，嚴格控制熱輸入及最大層間溫度，焊后保溫緩冷是S690鋼焊接的關鍵。

實際焊接中，需保證：①預熱溫度至少150℃，最大層間溫度200℃。②焊條電弧焊熱輸入控制在1.0~2.5kJ/mm，氣體保護焊熱輸入控制在0.9~1.5kJ/mm。③焊接結束后，采用電阻加熱器在焊縫兩側各150mm的范圍內進行后熱處理，溫度控制在200~300℃，保溫2h，以減小焊接接頭的擴散氫含量，并改善焊接接頭的綜合性能。④焊接過程中要注意焊道的布置，由坡口的兩邊向中間焊接，蓋面焊道采用回火焊道。

同時，由于S690本身的高碳當量，在使用火焰切割時，需要先用電加熱片進行加熱，然后才能進行切割作業，以防止切口處發生淬硬或產生裂紋。切割時，為保證預熱溫度，距離切割處一定長度的未切鋼板上的電加熱器要繼續放置不能撤離，電加熱器的撤離要根據切割所進行到的位置，按區域順序成批地進行。對于切割完畢的切割路線，要使用保溫棉進行保溫緩冷。

賈義庚：在卷管過程中，由于卷管軸存在截面突變，導致軸的斷裂破壞時有發生。在這種情況下，一般都要采取焊接修復的手段重新利用。但42CrMo的高碳當量造成了它在焊接時易產生冷裂紋，并且隨著軸徑的增大，焊接難度增大。此外，焊材的選擇、層間溫度的控制、污染物的清洗也是焊接中必須面對的難題。

針對以上焊接難點，在焊接42CrMo過程中需注意以下要點：①由于軸的抗拉強度＞1000MPa，故焊材的選擇宜采用低匹配原則，適當犧牲部分強度，提高韌性。②選用超低氫焊材。因為此類材料的冷裂傾向比較嚴重，必須控制氫的來源，超低氫焊材是必然的選擇。③焊前預熱。因為預熱能夠較大程度的降低冷卻速度和有益于擴散氫的溢出，對預防冷裂紋是十分必要的。預熱溫度至少要提高到250℃，并且加熱速度要緩慢，不能造成外熱內冷的假象。④焊接過程中，采用對稱焊接，最大程度的減小殘余應力。⑤焊后熱處理。焊接完成后，立即采取焊后熱處理。溫度約650℃保溫5h，延長擴散氫的逸出，然后緩冷至室溫。

海洋裝備用特種鋼材對焊接設備與材料、切割設備的需求

陳淑梅：超高強度鋼由于焊接困難，焊接過程中需預熱、后熱及打磨等工序，自動化程度不高，效率低。如何提高焊接的自動化程度，保證焊接質量穩定可靠，是目前企業關注的主要問題。大力發展機器人等智能焊接，已成為目前提高節能減排、降本增效的一個新發展方向，這樣對焊材也提出了更高的要求，特別是MIG、MAG焊絲，要求性能穩定，送絲順暢均勻。目前國內焊材仍有待于提高，特別在超高強的焊接方面，仍無法取代進口焊材。

吉春正：在海洋工程制造中常會采用大厚度（177.8 mm）低合金高強度鋼板（如Dillimax690E）作為平臺升降齒條鋼，該鋼經切割后可直接應用于升降齒條無需再加工，該齒條有CJ46、JU200E 兩種規格，為此對切割技術提出了極高的要求。

首先切割的火焰必須要長，其切割嘴的風線要高速、高壓，這樣才能切出光潔的斷面；在切割中還要防止鋼板變形，可以采用雙頭對稱的切割技術，大厚度鋼板切割時首先要預先考慮增大進氣管直徑，選用專用減壓器割鋸，采用大罐液氧作為助燃和切割氣體，在選用丙烷和氧氣切割時要適當降低切割速度，最好在切割前對大厚度鋼板進行預熱，以便清除鋼板表面水分進一步提高切割質量，切割的中心焰要調節切割氧的壓力為0.6MPa，丙烷壓力為0.06 MPa。

海洋平臺用鋼的焊接方法主要有焊條電弧焊、CO2氣體保護焊和藥芯焊絲氣體保護焊等，部分使用埋弧焊。對于焊接材料的選擇，要求焊縫金屬力學性能應接近母材性能，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”。在不影響其整體力學性能的情況下，通過犧牲一定的強度，來獲得比較好的焊縫韌性。