海洋平臺樁腿用E690材料焊接工藝

趙瑞輝

（中船圣匯裝備有限公司，江蘇 張家港215632）

海洋平臺樁腿用E690材料焊接工藝

趙瑞輝

（中船圣匯裝備有限公司，江蘇 張家港215632）

針對海洋平臺樁腿常用的高強度低碳調質鋼E690材料焊接時具有冷裂傾向，焊縫及熱影響區質量難以保證的問題，分別以焊條電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）兩種焊接方法進行了焊接工藝評定試驗。結果表明，焊前進行不低于100℃且不高于150℃的預熱，道間溫度控制在100～150℃，焊后進行150～250℃熱處理，保溫2 h，焊接過程中控制熱輸入量，焊條電弧焊為10.5～16.3 kJ/cm，埋弧焊為16.1～26.4 kJ/cm，采用多層多道焊形式，可以保證焊接接頭的力學性能滿足相關標準的要求。

焊接；E690；焊接工藝；焊接工藝評定

樁腿是海洋平臺中的重要部件，建造中對材料焊接和精度要求較高。海洋平臺樁腿常用的E690材料，為低碳調質鋼，強度較高，焊接時具有冷裂傾向，熱影響區質量難以保證。中船圣匯裝備有限公司為某海洋生活平臺項目加工制造的4根樁腿，直徑為3 000 mm，單根長度約為79 m，壁厚為55 mm。樁腿采用E690材料，經CCS中國船級社認可，E690材料屬于高強度船板用鋼，調質狀態供貨。對于該材料焊接，分別進行了焊條電弧焊和埋弧焊兩種焊接方法的工藝評定試驗，制定了合理的焊接工藝，并應用于產品焊接，取得了較好的效果。

1 焊接性分析

E690材料的化學成分及力學性能見表1和表2。供貨狀態為淬火加回火，屬于低碳調質鋼，主要合金元素為Si-Mn-Cr-Ni-Mo-Cu，同時添加V、Nb、Al和Ti等微合金化元素，經計算，Ceq為0.55%，Pcm為0.28%。低碳調質鋼中碳的質量分數一般不超過0.21%，在合金強化作用下，焊縫及熱影響區的淬硬傾向大，焊后組織為馬氏體，該馬氏體組織的Ms轉變溫度較高，在焊接冷卻過程中，所形成的馬氏體可發生自回火，降低了冷裂紋出現的幾率。但焊接過程中如果熱輸入過于集中或冷卻速度過慢，在焊接熱影響區易發生軟化或脆化現象，若冷卻速度較快，焊接熱影響區易發生淬硬組織，有出現冷裂和韌性下降的傾向，制定焊接工藝時應注意預熱溫度及層間溫度的控制，注意焊接熱輸入量。低碳調質鋼因為鋼中的C和S含量較低，Mn含量和Mn/S較高，所以熱裂傾向較小，焊接時注意保證焊縫區域的清潔，焊前應清理坡口內的油污、氧化物等雜質。

表1 E690材料的化學成分%

表2 E690材料的力學性能

2 焊接工藝制定

2.1 焊接方法

樁腿焊接方法主要有焊條電弧焊和埋弧焊兩種，埋弧焊（SAW）用于樁腿殼體縱環縫的焊接，焊條電弧焊（SMAW）用于殼體卷制成型后的組對定位焊和焊縫出現缺陷后的返修補焊。

2.2 焊接材料

選用新日鐵住金焊接材料，焊條電弧焊選用L-80SN焊條，規格為Φ4.0 mm，埋弧焊選用Y-80J焊絲和NB-250J焊劑，規格為Φ4.0 mm。經CCS中國船級社認可，兩種焊接接頭熔敷金屬的化學成分與母材基本相同，力學性能及沖擊韌性符合CCS標準要求。

2.3 坡口形式

工藝評定試驗選用與產品相同規格板材，同一批次入廠，經CCS中國船級社認可，焊接坡口形式及尺寸如圖1所示，與產品坡口形式一致。

圖1 焊接坡口形式及尺寸

2.4 預熱和道間溫度

為防止冷裂紋的產生，常采用預熱措施，但應注意的是，低碳調質鋼若預熱溫度過高，會導致焊接熱影響區的冷卻速度過于緩慢而產生M/A組元和粗大的貝氏體組織，這會降低焊接熱影響區的強度和沖擊韌性。根據板材厚度和焊材廠家的推薦，規定焊前應該進行不低于100℃且不高于150℃的預熱，焊接過程中道間溫度范圍為100～150℃。

2.5 焊后熱處理

為了降低焊接接頭中氫的含量，焊接結束后立即進行150～250℃的焊后熱處理，保溫2 h，加速焊接接頭中氫的擴散逸出，以防止冷裂紋的出現。

2.6 焊接工藝參數

產品焊接接頭要求滿足－40℃的低溫沖擊韌性，焊接過程中應嚴格控制熱輸入量，采用多層多道焊的形式，埋弧焊采用不擺動直焊道，焊條電弧焊擺動寬度不超過3倍焊芯直徑，制定的焊接工藝參數見表3和表4。

表3 焊條電弧焊（SMAW）焊接工藝參數

表4 埋弧焊（SAW）焊接工藝參數

3 焊接工藝評定

按照CCS材料與焊接規范要求，根據以上制定的焊接工藝，選用厚度為55 mm的E690板材，分別進行了兩組焊接工藝評定試驗。一組采用埋弧焊，評定編號為PQR1503S；另一組采用焊條電弧焊，評定編號為PQR1504S。

試件焊接完48 h后，經100%RT+100%UT+100%MT檢測無缺陷后，取樣進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度、宏觀等試驗。試驗結果見表5～表8。硬度檢測位置如圖2所示，宏觀檢測試樣如圖3所示。

表5 拉伸試驗結果

表6 彎曲試驗結果

表7 －40℃橫向試樣沖擊試驗結果

表8 硬度檢測結果

圖2 硬度檢測位置示意圖

圖3 宏觀檢測試樣

從試驗結果可以看到，兩組評定試驗抗拉強度均高于母材E690標準規定最小抗拉強度值770 MPa；彎曲試樣受拉表面無缺陷；沖擊試樣平均沖擊功均大于標準規定的最小值46 J；硬度均小于標準規定的最大值HV 420；宏觀檢測顯示焊縫成形良好，完全焊透，無裂紋、未熔合等缺陷，試驗結果符合CCS材料與焊接規范要求[7]。證明制定的焊接工藝可以保證焊接接頭的力學性能滿足標準規范要求。

4 焊接工藝應用

在產品焊接過程中，嚴格執行焊接工藝參數，加強焊接熱過程的控制，是保證焊接質量的前提。但由于焊接工藝評定試驗和實際產品焊接條件有一定的區別，在產品焊接工藝應用中，應當注意以下問題。

4.1 定位固定點焊

筒體卷制后的定位固定點焊位置如圖4所示。在預熱過程中發現筒體外側有部分焊縫發生開裂，經分析認為，筒體卷制采用冷卷，接頭處應力較高，加上部分焊縫點焊時焊縫厚度較薄或焊縫存在氣孔裂紋等缺陷，預熱時，加熱速度較快，應力突然釋放，焊縫在拉應力作用下就會開裂。因此，在定位固定點焊時，應保證點焊焊縫無缺陷，當發現缺陷后應及時清除，并增加點焊焊縫厚度，必要時可在筒體內側增加一層焊條電弧焊的打底焊。

圖4 定位固定點焊位置示意圖

4.2 產品焊前預熱

在工藝評定試驗中，采用圖5所示的火焰加熱方式進行焊前預熱。火焰加熱時，試板前端和后端的溫度差別較大，最大可達20℃。當試板長度為1 200 mm，預熱溫度會不很均勻，這是因為火焰加熱為點狀形式加熱，氣體在加熱裝置不同位置的流量不同，火焰大小不同，加熱量也就不同，從而導致火焰加熱裝置前端和后端的溫度差別較大。如果在產品實際焊接過程中也采用火焰加熱，就會導致局部溫度過高或過低，有時甚至會超過工藝規定的預熱或層間溫度。為保證產品焊接過程中溫度的均衡控制，應優先采用電加熱板對接頭整體加熱，或采用其他先進的整體加熱方法，如果采用火焰加熱，應將加熱裝置中火焰之間的距離減小，增加火焰加熱點的數量，并在加熱過程中及時監控測量各個位置的溫度，避免超過工藝要求的溫度。

圖5 火焰加熱裝置示意圖

5 結 語

焊條電弧焊和埋弧焊用于海洋平臺樁腿用E690材料焊接，選用L-80SN焊條和Y-80J+NB-250J焊絲焊劑，焊前進行不低于100℃且不高于150℃的預熱，道間溫度范圍為100～150℃，焊后進行150～250℃熱處理，保溫2 h，焊接過程中控制熱輸入量，焊條電弧焊的取值為10.5～16.3 kJ/cm，埋弧焊的取值為16.1～26.4 kJ/cm，采用多層多道焊形式，經工藝評定試驗驗證，可以保證焊接接頭力學性能滿足標準規范要求。

焊接工藝在產品焊接應用中，應注意筒體卷制后定位固定點焊焊縫的質量，確保無缺陷，焊前預熱優先采用對焊接接頭整體加熱的電加熱方法，保證加熱部位在整個長度內溫度均勻，不超過工藝要求的溫度范圍。

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Research on Welding Process of E690 Used for Offshore Platform Pile Legs

ZHAO Ruihui
（CSSC Shenghui Equipment Co.,Ltd.,Zhangjiagang 215632,Jiangsu,China）

The high strength,low-carbon quenched and tempered alloy steel E690 was commonly used in offshore platform pile legs,it possesses the tendency of cold crack during welding,the quality of weld and HAZ was difficult to guarantee.In this article,it adopted shielded metal arc welding（SMAW） and submerged arc welding（SAW） to conduct welding procedure qualification（WPQ）test.The results indicated that some methods can ensure the mechanical properties of welded joint meet the requirements of relevant standards,such as preheating before welding not lower than 100℃ and not higher than 150℃,interpass temperature is controlled between 100～150℃,150～250℃heat treatment after welding,heat preservation 2 h,control heat input in welding process,SWAW is within the scope of 10.5～16.3 kJ/cm,adopting the multilayer multi-channel welding.

welding;E690;welding process;welding procedure qualification（WPQ）

TG44

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.009

趙瑞輝（1984—），男，工程師，主要從事壓力容器和船配產品焊接工藝工作。

2015-09-24

謝淑霞