海工鋼構(gòu)Z向裂紋的成因及控制

陳曉宇

摘 要：Z向裂紋是一種危害極大的鋼結(jié)構(gòu)裂紋。隨著近年來我國船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，船舶與海洋工程鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中的Z向

裂紋問題日益突出。本文結(jié)合現(xiàn)代船舶工業(yè)的特點，分析現(xiàn)代船舶與海洋工程鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中Z向裂紋產(chǎn)生的原因，并

介紹該類裂紋的預(yù)防措施及常規(guī)檢測方法。

關(guān)鍵詞：海洋工程 Z向裂紋 質(zhì)量控制

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的日趨繁榮世界范圍內(nèi)船舶工業(yè)迅速發(fā)展，各種海洋結(jié)構(gòu)物的種類和數(shù)量迅速增加，船舶建造工藝和生產(chǎn)管理模式也針對性地進(jìn)行了革新。隨著這些新型船舶陸續(xù)投入營運(yùn)，很多傳統(tǒng)船舶中并不突出的問題開始涌現(xiàn)出來。船舶與海洋工程鋼結(jié)構(gòu)中的Z向裂紋就是現(xiàn)代造船中需要重點關(guān)注的新問題之一。

Z向裂紋的定義、成因及常見位置

1、Z向裂紋的定義

Z向裂紋也稱層間撕裂（Lamellar Tearing）是指板厚方向（垂直于鋼板平面方面）的鋼板及焊縫內(nèi)部裂紋。這種裂紋通常表現(xiàn)為冷裂紋，在某些結(jié)構(gòu)剛性大焊接工藝不良的位置也可能表現(xiàn)為熱裂紋。Z向裂紋常見于大型船舶厚板的角接接頭，海洋平臺管節(jié)點位置全熔透的K型、T型、Y型接頭以及船舶、海洋平臺組塊的吊耳、頂撐點等集中受力位置。與其他方向裂紋不同的是，Z向裂紋經(jīng)常出現(xiàn)于關(guān)鍵節(jié)點位置，一旦發(fā)生將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)迅速失效。更為嚴(yán)重的是相對其他類型的裂紋而言，Z向裂紋在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的破壞面很大，且很難采用常規(guī)方法檢出，修理這類損壞所耗費的時間和資源也非?？捎^。

2、Z向裂紋的成因及常見位置

鋼材Z向裂紋的原因可以概括為內(nèi)因和外因兩個方面。鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)材質(zhì)的不均勻是導(dǎo)致Z向裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因。通常軋制鋼材中都不可避免地存在一定數(shù)量的雜質(zhì)，主要成分是硫化物和硅酸鹽。如果這些雜質(zhì)在某一個區(qū)域上過于集中，就容易在鋼材內(nèi)部形成一種脆弱的夾層。通常鋼板厚度越大，在軋制的過程中越容易形成夾層。也就是說相對而言厚板更容易產(chǎn)生Z向裂紋。鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部材質(zhì)不均勻的另一個原因是母材與焊材的化學(xué)成分本身存在一定的差異，這種差異必然會導(dǎo)致焊道位置及其附近的材質(zhì)不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致剛才內(nèi)部出現(xiàn)Z向裂紋。這也就是Z向裂紋多發(fā)生在焊縫與母材熔合線位置附近的原因。

焊接接頭在Z向產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)變是引發(fā)Z向裂紋的外因。引起這種應(yīng)變的主要是焊接導(dǎo)致的材料殘余應(yīng)力。對于厚度較大的板材以及海洋工程導(dǎo)管架中的T、K、Y型管節(jié)點，不可避免地存在焊接過程中熱量梯度較大的問題，因此而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也相對較大。同時，這些位置對材料變形的約束較大（即通常所說的剛性較大），如果殘余應(yīng)力得不到有效的釋放，這些位置的材料就會在Z向上產(chǎn)生一個較大的應(yīng)變。而常規(guī)鋼材抵抗Z向應(yīng)變的能力比另外兩個方向要弱很多，一旦鋼材無法抵抗這種應(yīng)變就會導(dǎo)致材料內(nèi)部發(fā)生Z向裂紋。另外，施加在鋼結(jié)構(gòu)上較大的Z向外力也會導(dǎo)致鋼材局部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致Z向裂紋。所以Z向裂紋多發(fā)生在海洋平臺導(dǎo)管架、大型起重機(jī)基座、吊耳及其基座等結(jié)構(gòu)剛性較大且主要承受Z向外力的位置。

現(xiàn)代船舶工業(yè)的特點及其與Z向裂紋的關(guān)系

船體結(jié)構(gòu)Z向裂紋的問題的日益突出與現(xiàn)代船舶結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)變以及造船工藝的進(jìn)步有著非常密切的關(guān)系?，F(xiàn)代船舶的大型化、工作環(huán)境的復(fù)雜化、造船焊接工藝的進(jìn)步以及起重能力的大幅提升共同導(dǎo)致了在當(dāng)代船舶工業(yè)中，Z向裂紋的問題不容忽視。

1、現(xiàn)代船舶的特點與Z向裂紋的關(guān)系

與傳統(tǒng)運(yùn)輸船舶相比，現(xiàn)代船舶呈現(xiàn)出明顯的大型化趨勢，現(xiàn)代大型船舶的船長普遍超過150m，超大型集裝箱船的船長已超過366m。船長的增加必然導(dǎo)致船舶總縱強(qiáng)度問題的突出，這就使得在甲板等需承受總縱強(qiáng)度的關(guān)鍵位置的船殼板厚度大大增加?，F(xiàn)代大型集裝箱船的甲板板厚已經(jīng)達(dá)到80mm，大型散貨船船中區(qū)域甲板厚度也在30mm以上，這對船用鋼材以及焊接的質(zhì)量提出了更高的要求。厚板在軋制的過程中更容易產(chǎn)生薄弱夾層，也就更容易發(fā)生Z向裂紋。

隨著陸地資源的日益枯竭，人們開始將目光轉(zhuǎn)向海洋，海洋工程配套裝備的需求量開始大幅增加。海洋工程類產(chǎn)品所工作的環(huán)境更為惡劣，其鋼結(jié)構(gòu)承受載荷的情況也與傳統(tǒng)意義上的船舶有很大的區(qū)別。特別是平臺導(dǎo)管架部分以及下浮體部分結(jié)構(gòu)剛性大，且需要承受較大的Z向力。所以相對船舶而言，海洋工程項目更容易產(chǎn)生Z向裂紋。

2、現(xiàn)代造船技術(shù)的特點與Z向裂紋的關(guān)系

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步與船廠生產(chǎn)條件的日趨改善，現(xiàn)代船舶建造模式與傳統(tǒng)模式相比有了很大的變化，其中最大的特點之一就是建造速度的明顯加快。隨著船用鋼材及焊材質(zhì)量的日益改善，F(xiàn)CB等快速焊接方法在造船也中普遍推廣。這些焊接方法雖然效率很高，但是極易引起焊接過程中線能量輸入過大，這將導(dǎo)致焊接結(jié)束后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力。當(dāng)采用這類工藝施焊的結(jié)構(gòu)受約束程度較高時，Z向裂紋的可能性就會大大增加。

隨著起重設(shè)備的迅速發(fā)展，現(xiàn)代船廠的起重能力普遍得到了很大的提高。為節(jié)約起運(yùn)成本，現(xiàn)代造船模式下合攏階段起重量普遍在500t以上，海洋工程海上安裝組塊的重量甚至可達(dá)到4000t，這就導(dǎo)致船舶的部分結(jié)構(gòu)在起運(yùn)過程中需要承受更多的Z向載荷。相對而言吊耳或頂升支撐座位置的結(jié)構(gòu)剛性都很大，一旦結(jié)構(gòu)承受較大的Z向載荷將在很大程度上增加發(fā)生Z向裂紋的可能性。如果母材或焊道內(nèi)已經(jīng)存在細(xì)微的缺陷，則發(fā)生Z向裂紋是必然的。

常用的Z向裂紋預(yù)防方法

從前文的分析中可以看出，當(dāng)代船舶與海洋工程產(chǎn)品Z向裂紋問題的日益突出與現(xiàn)代船舶以及造船技術(shù)的發(fā)展有著不可分割的聯(lián)系。如何既能充分發(fā)揮當(dāng)代先進(jìn)造船技術(shù)的優(yōu)勢又能夠有效地避免Z向裂紋就成了現(xiàn)代船舶工業(yè)中亟待解決的問題。導(dǎo)致Z向裂紋的因素主要有內(nèi)因和外因兩個方面，只要消除其中一個因素即可有效地避免Z向裂紋。在工程實踐中可以采取的措施如下：

1、適當(dāng)?shù)夭捎肸向原材料

普通鋼抵抗Z向應(yīng)變的能力較差是導(dǎo)致Z向裂紋的內(nèi)因。通常鋼材中的含硫量越高Z向延展性越差，拉斷后斷面收縮百分比（ΦZ）較小。工業(yè)上將ΦZ>15%的鋼材稱為Z向鋼。Z向鋼通常根據(jù)鋼材含還硫量進(jìn)行分類，具體如下：

在大型起重機(jī)座、大型結(jié)構(gòu)起吊點、海洋平臺導(dǎo)管架中的K、T、Y節(jié)點等需要承受Z向拉伸力又在焊接過程中受約束程度較高的位置采用Z向鋼并在焊接時選用與之相對應(yīng)的焊材可以有效地避免Z向開裂。需要注意的是Z向鋼材與普通鋼材在外觀上幾乎沒有差別，在結(jié)構(gòu)建造過程中應(yīng)特別關(guān)注原材料的使用以免用錯。

2、改善承受Z向力位置的結(jié)構(gòu)型式

鋼結(jié)構(gòu)約束程度過大，焊后材料中的殘余應(yīng)力難以釋放是導(dǎo)致Z向裂紋的主要外因，所以在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)型式以及施工方案設(shè)計時要盡可能減小結(jié)構(gòu)鋼性以避免局部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。對容易產(chǎn)生Z向裂紋的位置采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)要特別慎重，因為這些加強(qiáng)都會增加焊縫區(qū)域的約束程度。在建造過程中將一個大模塊分成幾個部分分別焊接后再拼裝可以有效地減少鋼材焊接時受約束的程度，進(jìn)而降低焊后發(fā)生Z向裂紋的可能。

改善結(jié)構(gòu)型式的另一個方法是通過合理的結(jié)構(gòu)布局，避免出現(xiàn)集中承受Z向外力的位置，從而減少結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。例如，對于起重量較大的分段或組塊可以采用增加吊環(huán)數(shù)量的方法減少局部吊點的受力，降低出現(xiàn)Z向裂紋的可能。對于某些原本需要選用較厚板材的板架位置可適當(dāng)增加板架內(nèi)的骨材密度，從而達(dá)到減少板厚降低發(fā)生Z向裂紋可能性的目的。

3、調(diào)整焊接工藝必要時進(jìn)行焊后熱處理

適當(dāng)?shù)暮附庸に嚳梢源_保焊接質(zhì)量，有效減少焊后殘余應(yīng)力，進(jìn)而避免鋼材Z向裂紋。通常而言FCAW方式焊接線能量輸入相對SMAW而言較小，的冷裂紋傾向也小，對于容易產(chǎn)生Z向裂紋的位置可以考慮盡可能多地采用FCAW的焊接方法。在實踐中采用多層多道焊的方式進(jìn)行焊接可以有效地減少焊接區(qū)域的線能量輸入，進(jìn)而避免焊道位置附近產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。另外、在焊后采用錘擊或局部熱處理的方式也是除殘余應(yīng)力的有效方式。

對于厚板角接及管節(jié)點結(jié)構(gòu)采用合理的焊接結(jié)構(gòu)型式也可有效地減少焊后殘余應(yīng)力。嚴(yán)格地控制焊道裝配間隙可以減少不必要的電焊工作量，從而減少焊接線能量的輸入進(jìn)而減少收縮應(yīng)力。采用雙面坡口對稱施焊的焊接型式可以有效地平衡部分焊后收縮變形。是對于厚板角接以及海洋工程導(dǎo)管架中的K、T、Y型管節(jié)點，在確保連接強(qiáng)度的前提下可以采用部分融透焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全融透接頭，從而減少不必要的線能量輸入。這些辦法都可以有效地減少焊接焊后殘余應(yīng)力，避免Z向裂紋的產(chǎn)生。

4、針對性地選擇無損檢測方法

與常規(guī)的裂紋相比Z向裂紋存在較顯著的方向性，如果采用RT檢測時射線照射的方向與缺陷面垂直，或采用UT超聲波傳入材質(zhì)內(nèi)部的方向與缺陷方向平行該類缺陷很難被檢出。所以無論采用何種無損檢測方式，都應(yīng)當(dāng)選擇至少兩個相互垂直的方向進(jìn)行檢查從而有效地避免漏檢。考慮到Z向裂紋具有顯著的冷裂紋特點，檢測的時機(jī)也非常重要。在實踐中不僅應(yīng)在焊后48小時進(jìn)行檢測，還應(yīng)在焊后15天再進(jìn)行一次檢測，從而有效地杜絕安全隱患。

結(jié)語

綜上所述，Z向裂紋是現(xiàn)代船舶工業(yè)中必須面對的問題。內(nèi)因是決定矛盾的主要方面，所以預(yù)防Z向裂紋的關(guān)鍵是控制鋼材和焊材的質(zhì)量，在鋼材和焊材的使用上應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把關(guān)。同時在設(shè)計中采用合理的結(jié)構(gòu)型式，在施工中選用合適的焊接工藝并在完工后采用正確的質(zhì)量控制方法進(jìn)行檢測，就能有效地避免Z向裂紋對鋼結(jié)構(gòu)的影響。

（作者單位：中國船級社上海分社）