海洋工程用高強鋼焊接技術研究現狀及發展趨勢

李風波，潘川，楊文華，梅飛強

1.鋼鐵研究總院 北京 100081

2.中遠海運重工有限公司 上海 200086

1 序言

世界海洋油氣資源數量約占全球油氣資源總量的34%，主要分布在“三灣、兩海及兩湖”[1]。海洋油氣資源勘探開發的歷程比較曲折，主要經歷了由陸地到海洋、由淺海到深海、由簡單到復雜的歷程。隨著全球能源短缺狀況的日益嚴重，人類把目光轉向海洋，致力于海上油氣資源的開發，21世紀海洋油氣資源的開發勘探對于各國的經濟發展乃至對全球的經濟發展都有著重要的意義。

世界海洋油氣資源的勘探主要形成了由南美洲巴西、中美墨西哥灣和西非三個地區構成的深海油氣勘探的“金三角”，特別是在巴西近海、美國墨西哥灣、安哥拉和尼日利亞近海，幾乎集中了世界全部深海鉆探井和新發現儲量[2]。

在建設海洋強國的國家戰略下，隨著“21世紀海上絲綢之路”建設的日漸深入，我國加快了海洋開發的步伐，加大了海洋工程的研發力度，使海洋工程進入了快速發展的黃金時期，促進了我國淺海、深海、超深海油氣的均衡發展。

海洋工程是海洋資源開發工程中的標志性裝備，作為超大的焊接鋼結構，由于高強鋼所占比例高達 60%～90%，因此高強鋼焊接接頭的可靠性是保證海洋裝備安全的關鍵因素。本文對目前國內外海洋平臺用高強鋼的焊接現狀進行了綜述，分析了海洋平臺用高強鋼焊接的發展趨勢，為我國海洋工程用高強鋼焊接技術的發展提供參考。

2 海洋工程用高強鋼的發展

2.1 海洋工程用高強鋼的歷史

海洋工程用高強鋼按化學成分劃分屬于低合金高強度鋼，其發展經歷了三個階段。20世紀20年代以前，低合金高強度鋼主要應用于橋梁和船舶。鋼結構制造主要采用鉚接，以抗拉強度為其主要設計參數，很少注意鋼材的韌性、可成形性和焊接性，具有較高的碳含量。鋼的強化主要靠碳以及加入單一合金元素，如Cr、Ni、Si等，總質量分數達到2%～3%，甚至更高。20世紀20～60年代，伴隨著焊接技術的推廣和使用，鋼結構制造中逐步采取了焊接技術，低合金高強度鋼主要以屈服強度、韌性和焊接性為設計準則。為了防止焊接裂紋，鋼的化學成分向低碳多合金元素方向發展，一般wc≤0.2%，含2～4個有利于焊接性的合金元素。20世紀70年代以后，低合金高強度鋼得到快速發展，鋼中wc≤0.1%，采用Ti、V、Ni等合金元素進行強化，并且正向多元素復合合金化方向發展。我國低合金鋼的開發起步于20世紀50年代、60年代初，正處于國際上低合金高強鋼新的發展階段。

2.2 海洋工程用高強鋼的現狀

當今海洋工程用高強鋼，受輕量化及降低成本等因素的推動，同時精煉技術、微合金化技術、控軋控冷技術和形變熱處理（TMCP）技術的推廣應用，高強鋼性能不斷提高，使其在海洋領域的應用逐漸加大[3]。

世界海洋工程用高強度鋼的主要級別為屈服強度為355MPa、420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa，低溫性能一般要求－40℃時的沖擊韌度，F級最低要求－60℃，抗層狀撕裂性能達Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨狀態為TMCP、正火、調質。其中對海洋平臺的樁腿、懸臂梁、升降電動齒輪、齒條機構等要求更加苛刻，需要690MPa以上鋼級的高強度、大厚度專用鋼，并要有優良的低溫韌性、焊接性能、耐腐蝕性、抗開裂性能，厚度規格一般在100mm以上，最大達254mm。

典型海洋工程高強鋼的使用情況見表1。

表1 典型海洋工程高強鋼的應用

2.3 海洋工程用高強鋼的發展趨勢

近年來，世界上取得的重大油氣發現大部分在海上，尤其是深海、極地區域。目前，海上油氣勘探開發向深海、極地轉移的趨勢十分明顯，深海、極地將是未來全球油氣戰略接替的主要區域，其油氣的勘探開發已成為全球各大石油公司的投資熱點。

為了適應深海、極地油氣勘探開發的需要，海洋工程用高強鋼的發展具有以下特點。

（1）高強度、高韌性 從海洋平臺結構設計角度出發，提高鋼的強度等級可以有效減輕平臺結構自重，增加平臺可變載荷和自持能力，提高總排水量與平臺鋼結構自重比。深海、極地區域海況復雜惡劣，要求海洋工程用高強鋼必須具有優良的低溫韌性。不同海洋工程類型目前所使用的高強鋼級別及未來所需的級別[4]，見表2。

表2 海洋工程結構類型、工作水深及使用鋼級

（2）優良的抗疲勞性、高止裂性 海洋工程在海上作業時受到風、浪、流等環境載荷以及作業動態載荷的反復作用，結構內部產生不斷變化的應力，從而引起結構發生疲勞破壞。針對海洋工程所發生的一系列的結構件斷裂災難事故，國際工程領域提出了生產和應用具有止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關的國際標準。隨著油氣勘探開發向深海、極地轉移，優良的抗疲勞性、高止裂性鋼板將成為未來海洋工程用高強鋼的又一發展趨勢。

（3）優良的焊接性能 隨著海洋工程的發展，結構大型化顯著，構件厚度增加，結構也變得復雜，焊接工作量也隨之增大，焊接最高占到建造總工時的40%。為了防止冷裂紋，確保接頭的韌性和抗脆斷性，傳統的海洋工程用高強鋼焊前需要進行預熱，焊接時也要采取較小的熱輸入進行施焊，必要時在焊接過程中也要進行加熱保溫處理。因此，為了提高焊接效率，降低制造成本，確保焊接質量，不需要預熱、能夠適應大熱輸入等具有優良焊接性能的海洋工程用高強鋼將是未來發展的重點。

3 海洋工程用高強鋼焊接的研究現狀

3.1 焊接材料

高強鋼焊接材料是伴隨著高強鋼的發展而一起成長的，經過近半個世紀的發展，現已經形成手工焊、氣保焊、埋弧焊等門類齊全的焊接材料。隨著高強鋼強度級別的不斷提高，制約其進一步應用的焊接問題卻日益突出，對焊接材料的性能要求也日漸苛刻。海洋工程設計要求焊接材料采用等強匹配，目前強度級別E550以上的高強鋼焊接仍然以焊條和埋弧焊絲作為主要焊接材料。在礦山機械行業，隨著屈服強度690MPa高強鋼的應用，該級別的實芯焊絲得到一定應用，但由于工藝性及低溫韌性的制約，所以無法滿足海洋工程的焊接要求[5]。

3.2 焊接方法及裝備

隨著焊接技術的發展，新的焊接方法不斷在海洋工程的建造中得到推廣和應用。焊條電弧焊、氬弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧焊成為目前海洋工程建造的主要焊接方法，對于E420以下級別的高強鋼氣電焊、多絲埋弧焊等高效焊接方法也得到了部分使用。隨著母材強度的提高，導致韌性儲備較低，冷裂傾向大，軟化、脆化明顯，焊接方法也常常局限于焊條電弧焊、埋弧焊。盡管近年來隨著焊接技術的發展，CO2氣體保護焊也在E620及以上級別的高強鋼得到了部分應用，但目前海洋工程制造還是以傳統焊接工藝方法為主，存在自動化水平低、焊接效率低、焊接質量波動大等問題。焊接設備仍然以手工焊機、氣保護焊機、氬弧焊機、埋弧焊機單機為主體，雖然部分企業配置T排焊接機、法蘭焊接機等專用焊機，但專用焊機、自動化焊接設備、焊接機器人的比例和數量還是很低[6，7]。

3.3 焊接技術

焊接技術伴隨著材料的應用而產生，并隨著材料的發展不斷進步。近年來，隨著船舶及海洋工程制造業的蓬勃發展，提高焊接生產效率，保證產品質量，實現焊接生產的自動化和智能化越來越受到焊接生產企業的重視。

1）目前，海洋工程制造領域仍以傳統焊接工藝方法為主，自動化水平低，焊接效率低。

2）焊接變形、裂紋、接熱影響區的脆化及韌性降低等，仍然是目前高強鋼焊接所面臨的主要問題。

3）隨著數字化、信息化的發展，焊接數據庫、焊接專家系統已經開始得到應用，但由于焊接生產的自動化、網絡化、智能化程度還比較低，所以焊接數據庫、焊接專家系統的應用僅局限于焊接單機上。

4 海洋工程用高強鋼焊接的發展

焊接作為海洋工程制造中的關鍵技術，直接制約甚至決定海洋工程的應用及服役壽命。

4.1 焊接材料

隨著海洋工程結構趨于大型化、復雜化，服役環境越來越惡劣，焊接材料的發展將呈現以下趨勢[8]。

1）高強韌、超低氫、高抗疲勞將是海洋工程用焊材的研發重點。

2）增強焊接材料的自動化、數字化焊接的適應性。

3）改進焊材的材料配方設計，開發低碳環保的綠色焊材。

4.2 焊接方法及設備

未來，激光電弧復合焊、熱絲TIG、窄間隙焊等自動化程度高、焊接效率高、質量可靠的焊接方法將是海洋工程焊接的發展方向[8]。對海洋工程建造而言，要提高競爭優勢就需要提高焊接效率，而成本效益的改善往往是通過高效可靠的焊接設備、提高焊接自動化水平來實現。

隨著電子技術、計算機技術、自動化技術及通信技術的發展，焊接裝備將呈現以下特點[9]。

1）焊接裝備的節能化、環保化、人性化。

2）焊接裝備的高精度、高質量、高效率、高可靠性。

3）焊接裝備的自動化、智能化、柔性化。

4.3 焊接技術

智能控制技術、數字化信息處理技術、圖像處理及傳感器技術、高性能CPU芯片等高新技術的融入，將會使未來的焊接技術產生新的重大飛躍。

1）焊接接頭組織、性能的均一。傳統的焊接技術由于熱場分布極不均勻，溫度梯度非常大，與擴散有關的過程極不充分，導致組織和性能極不均勻，使接頭成為一個最薄弱的環節，成為焊接結構最容易發生破壞事故的區域。未來，通過焊接技術的進步，鋼材、焊材、焊接設備的發展，組織、性能與母材一致的焊接接頭將是焊接技術未來發展的終極目標。

2）焊接數值模擬與虛擬制造的有機結合。焊接是一個涉及到傳熱學、電磁學、材料冶金學、固體和流體力學等多學科交叉的復雜過程。單純采用理論方法，很難準確地解決生產實際問題，往往采用試驗手段作為基本方法，按照“理論－試驗－生產”模式進行焊接生產技術的研究。將來隨著數值模擬及虛擬制造技術的快速發展，焊接研究將轉為“理論－虛擬－生產”的模式，推動焊接技術實現由經驗到科學、由定性到定量的飛躍[10]。

3）焊接技術與人工智能、傳感等新技術深度融合具有網絡化、智能化、柔性化特點。通過網絡通信技術將生產管理與焊接過程自動控制一體化；人工神經網絡、模糊控制等人工智能技術的應用，使焊接技術可以實現焊縫自動跟蹤、焊接參數自我調整、焊接質量實時監控等；傳感技術、自動化技術使焊接技術具有了柔性化，可滿足不同材質、不同工件的焊接要求[11]。

5 結束語

焊接作為一門古老而年輕的技術，到19世紀末，隨著電力、材料技術的發展，焊接開始進入高速發展期，經過一百多年的發展，焊接技術已經從過去的一種單純意義上的加工工藝逐漸發展成為集多種學科為一體的工程工藝科學，現已廣泛地應用于工業生產的各個部門，在推動工業的發展和產品的技術進步以及促進國民經濟的發展都發揮著重要作用。現代焊接技術自誕生以來一直受到諸學科最新發展的直接影響與引導，隨著材料、信息通信、傳感、計算機等學科發展，不僅促進了數十種焊接新工藝的問世，而且也使得焊接行業正經歷著從傳統的手工慢慢向自動化、智能化、柔性化的過渡，這已成為公認的發展趨勢。