UIT在改善海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能中的應用

姚國欣

摘 要：海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)疲勞日趨突出，結(jié)構(gòu)疲勞將大大降低鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，影響平臺使用壽命。而鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中產(chǎn)生的殘余應力是導致疲勞斷裂的最主要因素。超聲波沖擊技術（UTI）是一種新穎的焊后應力消除技術，該技術可以有效地改善鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

關鍵詞：超聲波沖擊 海洋平臺 鋼結(jié)構(gòu)疲勞

海洋平臺是最主要的海洋油氣資源開采設施，平臺自身的安全將直接關系到平臺上工作人員的人身安全以及海洋環(huán)境的清潔，而結(jié)構(gòu)安全是海洋平臺安全的基礎。隨著世界范圍內(nèi)海洋平臺數(shù)量的迅速增加，海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)疲勞的問題日趨突出。統(tǒng)計資料表明疲勞斷裂是海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)最常見的結(jié)構(gòu)失效型式，約60%的海洋平臺結(jié)構(gòu)失效是由疲勞引起的，其中90%的疲勞斷裂發(fā)生在焊接位置。這是由于焊接過程中材料內(nèi)部溫度的時間梯度過大，從而導致鋼結(jié)構(gòu)在焊后存在殘余應力。當鋼結(jié)構(gòu)承載后，與結(jié)構(gòu)所承受的外力方向一致的殘余應力會與鋼結(jié)構(gòu)所承受的交變載荷相疊加，使得焊接區(qū)域承受的交變載荷遠大于母材。因此，焊接位置承受交變載荷的能力遠不及母材。由此可見，在海洋平臺建造階段采取有效的工藝措施減小焊接接頭內(nèi)部的殘余應力，提高平臺結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能是非常重要的。

海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)中殘余應力的特點及傳統(tǒng)船舶工業(yè)應力消除法的局限性

對傳統(tǒng)的船舶而言，海洋平臺的焊接殘余應力呈現(xiàn)出很多新特點，這些特點導致了處理海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應力相對船舶而言更為困難。具體如下：

1、海洋工程鋼結(jié)構(gòu)中殘余應力的特點

相對傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)代海洋工程鋼結(jié)構(gòu)所使用材料厚度更大，通常船用鋼板厚度不會超過60mm，而現(xiàn)代導管架平臺平均管壁厚度都在60mm以上，某些深海導管架平臺甚至達到100mm。鋼材的尺寸越大連接時所需的電焊工作量也越大，這就導致了厚板焊接區(qū)域溫度變化不均勻的問題更加突出，結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余應力也更大。

結(jié)構(gòu)約束程度較高是海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的另一個顯著特點，例如平臺導管架結(jié)構(gòu)中的K、T、Y型節(jié)點，半潛式平臺上下浮體連接位置都存在較大的剛性。由于周邊結(jié)構(gòu)的約束使得這些位置的鋼結(jié)構(gòu)焊后收縮的范圍有限，這都導致了海洋工程鋼結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的船舶鋼結(jié)構(gòu)而言焊后殘余應力的問題更為突出。

2、傳統(tǒng)消除殘余應力方法在海洋平臺上的局限性

傳統(tǒng)的船舶工業(yè)中用來消除殘余應力的方法主要有熱時效法、噴丸法、錘擊法、TIG融修法等，這些方法在船舶建造中廣泛地被用來減小焊接區(qū)域的殘余應力。然而由于海洋平臺多為復雜的立體鋼結(jié)構(gòu)，熱時效法所需的電熱板和電熱絲通常難以在焊接區(qū)域固定。大部分海洋平臺的組裝過程需要露天作業(yè)，如采用噴丸法噴出的鋼丸將難以回收，造成很大浪費。正是由于海洋平臺的特殊性，導致了這些方法難以在海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)中被采用。

目前海洋平臺建造過程中普遍采用錘擊法消除殘余應力。錘擊法雖然效果顯著而、操作方便，但效率低、噪音大、勞動強度大且質(zhì)量不穩(wěn)定。目前錘擊法也只是與其他方法相結(jié)合后用于消除重要位置的殘余應力，很難在海洋平臺的建造過程中大范圍采用。

超聲波沖擊法（UIT）的基本原理及實踐效果

超聲波沖擊法（Ultrasonic Impact Treatment）是烏克蘭巴頓焊接研究所提出的一種消除焊接應力的方法，最初主要用于軍工產(chǎn)品，后被推廣到民用工業(yè)。UIT是目前國際上公認最有效、最便捷的消除焊接殘余應力、改善接頭疲勞性能的工藝方法。目前該方法已在軍事、建筑、機械等工業(yè)領域中廣泛使用。但在船舶領域目前尚無采用該方法提高結(jié)構(gòu)疲勞性能的文獻記錄。要研究該方案是否可用于船舶工業(yè)，首先要了解其基本原理。

1、UIT方法的基本原理及特點

從本質(zhì)上來說，殘余應力是物體發(fā)生塑性變形后微觀晶粒錯位的結(jié)果。從熱力學的角度分析，晶粒之間的錯位導致物體內(nèi)部彈性勢能較大，這是一種不穩(wěn)定的高能量狀態(tài)。此時，當外場作用于物體時，如果這種外場所提供的能量足以克服晶粒間的勢能，晶粒就會發(fā)生相對運動。撤去外力后晶粒就回到原先低勢能的平衡位置，殘余應力得到釋放。文中所述的消除殘余應力的方法從本質(zhì)上說都是通過外場向結(jié)構(gòu)輸入能量，其區(qū)別主要在于能量輸入的數(shù)值、方式以及頻率上的差異。從理論上說，高頻的能量輸入更有利于物體內(nèi)應力的釋放，超聲波沖擊法就是基于這個理論提出的。

超聲波沖擊法的基本工作原理是采用大功率超聲波推動的沖擊頭以每秒20000次以上的頻率撞擊焊縫及熱影響區(qū)，這種沖擊一方面可以使焊接接頭表面產(chǎn)生足夠深度的塑性變形層，從而有效地改善焊縫與母材過渡區(qū)域的外表形狀，降低焊接接頭的應力集中程度。另一方面，這種集中發(fā)射的高頻率能量可以使結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一定程度的壓應力，這種壓應力可以平衡部分以拉應力為主的焊接殘余應力。從這個角度來看，超聲波沖擊可以調(diào)整焊接區(qū)域殘余應力場，減少焊接殘余拉應力，改善接頭的疲勞性能。

相對于傳統(tǒng)的消除殘余應力的方法而言，超聲波沖擊法具有無可比擬的優(yōu)勢。超聲波沖擊設備體積小、重量輕單人即可攜帶，工作時不受工件形狀、施工場地、施工環(huán)境等條件限制。設備采用電力驅(qū)動，通常的工業(yè)供電即可滿足要求。工作時的不會產(chǎn)生很大的振動和噪音，污染狀況不顯著，勞動強度大大改善。最主要的是，UIT高頻的能量輸入可以使鋼材內(nèi)部的晶粒最大程度地回歸到原先的低勢能位置，消除殘余應力的效果非常顯著。

2、UIT方法提高低碳鋼疲勞強度的效果及影響UIT處理效果的因素

低碳鋼是指含碳量0.1%-0.3%的不含合金元素的鋼材，這類鋼材具有良好的工藝性能，是建造船舶及海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的主要材料。實踐證明，采用UIT方法可以有效地降低低碳鋼內(nèi)焊接殘余應力，提高整體結(jié)構(gòu)的疲勞強度。

EH36型鋼材角接試樣標準疲勞試驗的結(jié)果見表1。EH36型鋼材常用于船舶與海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的重要位置。從試驗室實際測試情況來看，采用UIT方法可有效提高焊縫的抗疲勞性能，某些經(jīng)過UIT處理后的焊縫疲勞強度甚至優(yōu)于母材。

大量研究結(jié)果表明，UIT處理的效果與材料自身的性質(zhì)有密不可分的關系。通常材料內(nèi)部晶粒越細，UIT處理后疲勞強度的提高程度越顯著。這是因為焊縫內(nèi)結(jié)晶是一個晶粒長大的過程，所以焊接對細晶粒材料的機械性能影響更大。具體地說，采用UIT進行處理后，高強度鋼的疲勞強度提高更為顯著（見表2）。

從實踐結(jié)果來看，超聲波沖擊的頻率、振幅以及沖頭移動速度等參數(shù)對材料疲勞強度的提高能力是有限的。因為UIT方法的基本原理是通過一個外加的能量場使材料內(nèi)部的晶粒運動起來，從而回復到勢能相對較低的狀態(tài)，這種低勢能狀態(tài)時的晶粒排列取決于材料本身的特性而非外加能量場。所以只要沖擊所輸入能量足以驅(qū)動晶粒運動，就能顯著降低材料內(nèi)部的殘余應力，而增加能量輸入不會有更好的效果。

UIT方法在海洋平臺建造中的應用

超聲波沖擊法已經(jīng)在橋梁建設中廣泛采用，武漢長江二橋、重慶觀音巖長江大橋鋼梁均采用了UIT方法進行處理，結(jié)構(gòu)內(nèi)殘余應力都能顯著減小。海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)中所采用的鋼材與橋梁工程中所用的材料性能相似，可見UIT方法完全可以用于海洋平臺結(jié)構(gòu)中殘余應力的消除，具體的工藝方案可以參照相關的工業(yè)領域。

1、UIT應用于海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的工藝流程

通常UIT方法的工藝流程分為：處理前應力測試、沖擊處理、處理后應力測試及效果評估四個階段，在處理海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)時可參照這個流程。在沖擊前首先采用應力測試儀測定結(jié)構(gòu)內(nèi)殘余應力，根據(jù)內(nèi)應力狀態(tài)選定合適的沖擊能量。沖擊結(jié)束后再次測定結(jié)構(gòu)內(nèi)應力，并對處理效果進行評估。由于UIT處理結(jié)果主要取決于材料本身的性質(zhì)，所以不同類型的材料應力下降的標準不同。對普通鋼而言內(nèi)應力消降率大于50%即可接受，而高強度鋼則要求達到75%以上。

2、影響UIT處理質(zhì)量的因素

從上面的分析來看，只有在進行UIT處理時對結(jié)構(gòu)輸入足夠大的能量才能起到顯著提高結(jié)構(gòu)疲勞強度的效果，可見沖擊能量是UIT方法工藝參數(shù)的關鍵。沖擊能量主要由沖頭質(zhì)量、沖頭振幅以及沖擊頻率決定。通常沖頭質(zhì)量和沖擊振幅數(shù)量級與沖擊頻率相比較可以忽略不計，所以決定沖擊能量的主要是沖擊頻率。對于低碳鋼而言，20kHz的沖擊頻率足以滿足要求。

決定UIT處理質(zhì)量的另一個工藝參數(shù)是處理速度，即沖擊頭在結(jié)構(gòu)上移動的速度。處理速度過快會導致外場作用于結(jié)構(gòu)的時間過短，以致結(jié)構(gòu)內(nèi)晶粒還未運動到低能位置時外場的作用已經(jīng)消失了，直接影響處理質(zhì)量。通常普通鋼接頭UIT處理速度不宜超過200mm/分鐘，高強度鋼晶粒較細運動到位的時間相對較長，處理速度不宜超過150mm/分鐘。

結(jié)論

UIT是一種新興的工藝措施，這種工藝措施可以大幅度降低結(jié)構(gòu)內(nèi)的焊接殘余應力，改善結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)疲勞強度，對保證結(jié)構(gòu)的安全與只用壽命有著非常重要的作用。然而，該方法在海洋工程領域的應用尚不普及，究竟采用什么樣的工藝參數(shù)更為合理還有待在將來實踐中的不斷探索。

（作者單位：中國船級社上海分社）