海洋平臺焊接缺陷分析與解決對策

楊明明

摘要：海洋石油開發逐漸由淺海向深海區域發展，由溫暖海區域向低溫寒冷海區域發展。海洋鉆井平臺（drilling phtform）是主要用于鉆探井的海上結構物。平臺上裝鉆井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施是海上油氣勘探開發不可缺少的手段。海洋平臺往往要經受各種氣候條件和風浪的襲擊，遭受海水的腐蝕，工作環境非常苛刻。其次，海洋工程結構大型化趨勢顯著，結構復雜，焊接工作量大，節點焊接本來就很困難，加之應力集中程度高，其結構處于更危險的狀態，且隨著結構大型化，導致構件厚度增加，在海洋平臺焊接時，其要求也越來越高，海洋結構物的結構強度要求焊縫保證一定的強度，能承受強風浪的沖擊，如果焊接接頭存在嚴重的焊接缺陷，在惡劣的環境下，就有可能造成部分結構斷裂。

關鍵詞：海洋鉆井平臺；移動式平臺；固定式平臺；固定式平臺；焊接缺陷

海洋鉆井平臺（drilling platform）是主要用于鉆探井的海上結構物：平臺上裝鉆井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施，是海上油氣勘探開發不可缺少的手段。海洋平臺包括：（1）移動式平臺：坐底式平臺、自升式平臺、鉆井船、半潛式平臺、張力腿式平臺、牽索塔式平臺；（2）固定式平臺：導管架式平臺、重力式平臺。本文針對海工高強度鋼在焊接時易出現的缺陷。本文分析了海洋平臺樁腿固定式平臺制造中焊接問題，重點對裂紋、晶粒長大引起的沖擊韌性下降，熱影響區軟化等缺陷問題進行分析并提出解決對策。

1施工焊接工藝

1.1裂紋。（1）碳當量。碳當量是判斷構件產生裂紋的主要數據。500MPa級超高強鋼的CE值平均在0.6左右，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，自身的特性決定發生斷裂時只需消耗較低的能量，因此，焊接節點處有馬氏體的存在，裂紋便形成和擴展，造成損失。另外，鋼淬硬后產生很多的晶格缺陷，主要是空位和位錯。在應力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯都會發生移動和聚集，當它們的濃度達到一定的臨界值后，就會形成裂紋源。在應力的繼續作用下，會不斷地發生擴展而形成宏觀的裂紋，導致結構報廢。（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。當焊縫中氫的濃度升高到一定數值時，應力的作用促使產生裂紋。這種裂紋具有滯后性，所以產生的破壞性也就更大。一般在熱影響區氫致裂紋出現比較多，而超高強度鋼焊縫的合金成分復雜，焊接時熱影響區的組織轉變先于焊縫，氫從熱影響區擴散到焊縫，延遲裂紋就此產生在焊縫上。（3）超高強鋼焊接時產生冷裂紋的另一個決定。焊接節點處的應力狀態，在某些特定狀態時，還起決定性的作用。焊接節點處所承受的拘束應力還有不同溫度加熱和冷卻過程中所產生的熱應力和金屬進行相變時產生的組織應力。

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過小或過大都會使沖擊韌性下降。沖擊韌性下降原因是由于全部獲得馬氏體，引起脆化原因除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組元也是使沖擊韌性下降的一個重要因素。

1_3熱影響區的軟化。高強度鋼普遍存在熱影響區軟化問題，這種影響對焊后不再進行調質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。

2解決對策

2.1焊前預熱。可通過預熱來降低馬氏體轉變時的冷卻速度，同時也是通過馬氏體的回火作用來提高抗裂性。預熱溫度一般控制在2000以內，否則不僅對防止裂紋起不到作用，相反還會使冷卻速度低于出現脆性混合組織的臨界冷卻速度，使焊接熱影響區韌性大大降低。

2.2選擇適當的焊接材料。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。低氫型焊條在發放之前必須進行烘干。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度烘干1 h，并在手感溫熱的時候使用。

2.3線能量的控制。選用小線能量方法，就是多層小焊道焊縫，根據焊接材料厚度127mm或154mm樁腿焊接焊道層數約為30層以上，不僅可使焊接熱影響區和焊縫金屬有較好的韌性，還可以減小焊接變形。對于焊接接頭熔合線處最薄弱的粗晶區沖擊韌性的影響很大，如果控制在10～30 s之間，則熔合線處粗晶區能保證很好的沖擊韌性，甚至比母材還好。

2.4嚴格控制層間溫度。層間溫度起著與預熱同樣的作用。最小層問溫度為75度，最大為200度也就是說，層問溫度最小控制在預熱溫度的下限，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一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到為450～800MPa。冷卻速度不能過快。目的有利于氫的逸出，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合的方式進行焊接。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，在焊接之前要進行50～100度預熱，且在多層多道焊時，每道焊縫層問溫度要控制在100～150度之間，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行操作，這樣才能保證層問溫度。在多層多道焊時，下一道焊縫焊接之前要對前一道焊縫進行敲渣和適量的打磨，并進行100%目檢，在確保沒有任何缺陷后才能進行下一道焊縫的焊接工作，否則要及時消除缺陷才能繼續焊接。

2.7檢驗。對于焊接質量的檢驗方法一般分無損檢驗和破壞檢驗兩大類，根據技術要求和有關規范的規定，無損檢驗方法需對產品進行外觀檢查、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上截取一部分金屬，加工成規定的形狀和尺寸，然后在專門的設備和儀器上進行破壞試驗，依據試驗結果，可以了解焊接接頭性能及內部缺陷情況，判斷焊接工藝正確與否。