海洋工程用鋼的焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

鄒家仁，錢建民，李華其

(1.寧波奧凱鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，浙江 寧波 315400;2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

世界上70%的油氣資源蘊(yùn)藏于海洋，目前已探明的海洋油氣資源的80%以上在水深500 m范圍內(nèi)。海洋油氣資源開發(fā)中的海洋平臺(tái)的建造已經(jīng)成為世界各國(guó)的焦點(diǎn)。海洋平臺(tái)用鋼板一般具有高強(qiáng)度、高韌性，良好的抗層狀撕裂、焊接性和耐腐蝕性等性能。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)、科技的發(fā)展，大型的海洋平臺(tái)得到了迅速的發(fā)展，我國(guó)的海洋油氣開采正從大陸架走向深海，海洋平臺(tái)的建造需要更高強(qiáng)度的平臺(tái)用鋼。對(duì)于高強(qiáng)度、大厚度的海洋平臺(tái)用鋼，合理的焊接技術(shù)不僅可以保證平臺(tái)的質(zhì)量，還可以有效地提高平臺(tái)的建造效率。

1 海洋平臺(tái)用鋼

1.1 海洋平臺(tái)用鋼分類

目前，我國(guó)沒(méi)有具體的海洋平臺(tái)用鋼標(biāo)準(zhǔn)，主要使用的海洋平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)有EN10225、API、BS7191以及船舶標(biāo)準(zhǔn)，主要交貨方式為TMCP(熱機(jī)械軋制)、正火及調(diào)質(zhì)態(tài)。

國(guó)際海洋平臺(tái)用鋼主要級(jí)別為355、420、460 MPa。主要牌號(hào)為355 MPa級(jí)的EN10225的S355、API的 API2H250、API2w250、BS7191 的 350EM，船標(biāo)的 E36;420 MPa級(jí)的 EN10225的 S420、API的API2Y260、API2w260，船標(biāo)的 E40、E420;460 MPa級(jí)的EN10225的S460，船標(biāo)的E460。

國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)用鋼主要牌號(hào)為A、B、D、E(Z15，Z25，Z35)、AH322 －FH32(Z15，Z25，Z35)、AH362－FH36(Z15，Z25，Z35)、AH402 － FH40(Z15，Z25，Z35)、API2H、Cr42、Cr50 等。

1.2 海洋平臺(tái)用鋼的特性及成分

1.2.1 海洋平臺(tái)用鋼的特性

海洋平臺(tái)是開發(fā)海洋資源的超大型焊接鋼結(jié)構(gòu)，支撐著數(shù)百噸的平臺(tái)和鉆井設(shè)備。海洋平臺(tái)處在復(fù)雜、多變的海上，應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，要考慮到風(fēng)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(tái)用鋼擁有更高的強(qiáng)度，更厚的規(guī)格，更好的抗層狀撕裂、耐腐蝕性以及低溫韌性。

(1)高強(qiáng)度

隨著深海油氣資源開發(fā)進(jìn)一步加強(qiáng)，普通的355 MPa級(jí)和420 MPa級(jí)的平臺(tái)用鋼已經(jīng)不能滿足建造的要求，這就必然要求平臺(tái)用鋼具有更高的強(qiáng)度。我國(guó)首座3000 m深水半潛式鉆井平臺(tái)所用的平臺(tái)用鋼的強(qiáng)度達(dá)到了700 MPa。

(2)厚規(guī)格

隨著海洋平臺(tái)大型化，設(shè)備日益增多，使得平臺(tái)用鋼的厚度也逐漸在加厚。某鋼集團(tuán)生產(chǎn)出的海洋平臺(tái)用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼A514CrQ的厚度達(dá)到了215 mm。

(3)良好的抗層狀撕裂性能

海洋平臺(tái)用鋼不同于一般的船用鋼，其要求具有良好的抗層狀撕裂性能。

(4)良好的耐腐蝕性

海洋平臺(tái)長(zhǎng)期服役于海上，易受到海水及海洋生物的侵蝕而產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)腐蝕。這些腐蝕降低了結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，縮短了其使用壽命。平臺(tái)服役周期長(zhǎng)，遠(yuǎn)離海岸，不能像船舶那樣進(jìn)行定期的維修和保養(yǎng)，這就要求海洋平臺(tái)用鋼具有良好的耐腐蝕性能。

(5)良好的低溫韌性

隨著海洋平臺(tái)建造技術(shù)的提高，油氣資源開發(fā)的區(qū)域日益擴(kuò)大，海上環(huán)境日益復(fù)雜多變，這就對(duì)平臺(tái)用鋼的低溫韌性提出了更高的要求。迪林根開發(fā)的用于北極圈庫(kù)頁(yè)島的S450鋼在－60℃時(shí)沖擊功超過(guò)300 J。

1.2.2 海洋平臺(tái)用鋼的成分設(shè)計(jì)

目前，海洋平臺(tái)已經(jīng)使用了TMCP鋼，這是由安全性和焊接成本所決定的。使用TMCP技術(shù)生產(chǎn)的海洋平臺(tái)用鋼可以有效地降低其碳當(dāng)量，提高平臺(tái)用鋼的焊接性。但是，較低的碳當(dāng)量又會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度不足。一般平臺(tái)用鋼會(huì)加入鈮、釩、鈦進(jìn)行微合金化，充分發(fā)揮微合金元素細(xì)化晶粒、沉淀強(qiáng)化的作用，保證鋼板具有足夠的強(qiáng)度和良好的韌性。平臺(tái)用鋼對(duì)低溫韌性有著很高的要求，加入適量鎳元素可以有效地提高其低溫韌性。平臺(tái)用鋼具有很高的純凈度，在其冶金的過(guò)程中大大降低了硫、磷元素及一些雜質(zhì)，使其獲得了良好的抗層狀撕裂的性能。

1.3 海洋平臺(tái)用鋼的焊接性

金屬焊接性是指金屬能否適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。金屬焊接性包括兩個(gè)方面:一是金屬在經(jīng)受焊接加工時(shí)對(duì)缺陷的敏感性;二是焊成的接頭在一定的使用條件下可靠運(yùn)行的能力。也可以認(rèn)為，焊接性不僅要考慮到金屬的結(jié)合性能，而且還要考慮到焊接后的使用性能。一般情況在分析焊接性的時(shí)候，十分重視具體工藝條件，也就是說(shuō)要著重于分析“工藝焊接性”。

采用什么樣的方法對(duì)焊接性進(jìn)行評(píng)定取決于實(shí)際的使用情況，其中最常用的方法是用碳當(dāng)量來(lái)確定。碳當(dāng)量是衡量淬硬性的指標(biāo)，可由鋼中的化學(xué)成分算出來(lái)。另一個(gè)重要參數(shù)是裂紋敏感指數(shù)，這可以確定鋼的預(yù)熱溫度及層間溫度。海洋平臺(tái)用鋼大部分是TMCP鋼，其碳含量很低，但是其含有一定量的合金元素，這些合金元素在焊接接頭中會(huì)導(dǎo)致過(guò)度硬化，從而增加冷裂紋敏感性。

1.3.1 焊接冷裂紋

冷裂紋分為延遲裂紋、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化裂紋。一般所講的冷裂紋大部分是指延遲裂紋。延遲裂紋又與鋼材的淬硬組織、接頭中的含氫量以及接頭所處的拘束應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。在進(jìn)行海洋平臺(tái)用鋼焊接時(shí)，由于這些高強(qiáng)鋼都是大厚度的，所以焊接時(shí)拘束比較大，而且這種鋼大部分都是經(jīng)過(guò)TMCP處理的。經(jīng)過(guò)TMCP處理后，氫在高強(qiáng)鋼母材、熱影響區(qū)、焊縫中的溶解度依次加大。在母材中，氫擴(kuò)散的主要路徑為等軸鐵素體，鐵素體滲碳體(珠光體)等區(qū)表面的晶粒邊界上;在熱影響區(qū)，氫擴(kuò)散的主要路徑為針狀或板條狀貝氏體區(qū)表面的晶界上;在焊縫中，氫擴(kuò)散的主要路徑為鐵素體，針狀鐵素體邊界區(qū)的斷晶邊界上?？梢?jiàn)在稍有缺陷的焊接接頭上，氫極易聚集，誘發(fā)氫致裂紋，所以這種鋼的焊接易產(chǎn)生冷裂紋。

1.3.2 熱裂紋

海洋平臺(tái)用鋼一般含碳量較低，含錳量較高，且含磷、硫雜質(zhì)控制較嚴(yán)，因此熱裂紋的傾向較小。

1.3.3 焊接熱影響區(qū)HAZ的韌性

HAZ中韌性的惡化是由于在較大的焊接線能量下HAZ晶粒粗化導(dǎo)致的。從1983年開始就一直有人關(guān)心用高強(qiáng)度厚鋼板制造的海洋采油平臺(tái)鋼中焊縫的HAZ韌性。海洋平臺(tái)用鋼常使用鈮、釩作為合金元素進(jìn)行微合金化，但是鈮、釩曾被許多專家認(rèn)定是對(duì)HAZ韌性有害的元素，這就使得平臺(tái)用鋼在高熱輸入焊接時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的焊接HAZ韌性成為問(wèn)題。在海洋平臺(tái)用鋼的焊接過(guò)程中，規(guī)定最高HAZ許用硬度已經(jīng)非常普遍，約為300 HV10。

2 海洋平臺(tái)用鋼的焊接技術(shù)

2.1 海洋平臺(tái)用鋼的焊接現(xiàn)狀

2.1.1 焊接方法

目前，在我國(guó)船廠，海洋平臺(tái)用鋼常用的焊接方法主要有手工電弧焊，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，保護(hù)藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，部分使用埋弧焊。

2.1.2 焊接材料

對(duì)于焊接材料的選擇，要求所得焊縫金屬的機(jī)械性能應(yīng)接近于母材的機(jī)械性能，一般采用“等強(qiáng)匹配”。但是對(duì)于一些大厚度，強(qiáng)度級(jí)別更高的海洋平臺(tái)用鋼，往往會(huì)采用“低強(qiáng)匹配”。在不影響其整體機(jī)械性能的情況下，通過(guò)犧牲一定的強(qiáng)度，來(lái)獲得比較好的焊縫韌性。焊條電弧焊進(jìn)行焊接時(shí)，經(jīng)過(guò)TMCP處理的海洋平臺(tái)用鋼對(duì)延遲裂紋有一定的敏感性，一般選用低氫焊條。藥芯焊絲是焊接海洋平臺(tái)用鋼理想的材料，通過(guò)混合氣體的保護(hù)，一方面降低了氣體保護(hù)焊所帶來(lái)的飛濺問(wèn)題，另一方面又提高了焊接的效率。

2.2 海洋平臺(tái)用鋼焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著深海油氣資源的開發(fā)，我國(guó)海洋平臺(tái)的建造技術(shù)必然會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展，進(jìn)而海洋平臺(tái)用鋼的焊接技術(shù)也必然會(huì)快速的發(fā)展。

焊條電弧焊在工藝和應(yīng)用上可以滿足海洋平臺(tái)用鋼的焊接要求。但是，焊條電弧焊存在著耗能大、污染嚴(yán)重、工作環(huán)境惡劣、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，制約了海洋平臺(tái)的建造周期。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊熱輸入集中，效率高，熔池保護(hù)好，易于實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)階段船廠廣泛使用的一種焊接方法。隨著海洋平臺(tái)用鋼厚度的不斷增加，埋弧焊和氣電立焊可以快速提高生產(chǎn)效率，可以有效改善海洋平臺(tái)用鋼的焊接現(xiàn)狀。由于海洋平臺(tái)用鋼都是大厚度鋼板的焊接，窄間隙焊接能量集中，可以減少海洋平臺(tái)用鋼坡口的處理，是未來(lái)海洋平臺(tái)用鋼焊接的發(fā)展方向。復(fù)合焊接方法可以集中利用各種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)，提高海洋平臺(tái)用鋼的焊接效率。隨著船廠自動(dòng)化設(shè)備的普及，激光焊接和機(jī)器人焊接也可以應(yīng)用到海洋平臺(tái)用鋼的焊接。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)海洋平臺(tái)用鋼具有高強(qiáng)度、大厚度等特點(diǎn)，不易于焊接，需要制定合理的焊接工藝。

(2)我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼的焊接材料還很不完善，與國(guó)外的焊接材料相比存在著一定的差距，一些關(guān)鍵的海洋平臺(tái)用鋼的焊接材料還依賴于進(jìn)口。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中，最常用的海洋平臺(tái)用鋼焊接方法還是焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊，其他先進(jìn)的焊接方法應(yīng)用很少。