海洋平臺(tái)用E36鋼焊接工藝評(píng)定

王品毅

遼河石油勘探局油田建設(shè)工程二公司，遼寧盤錦 124012

0 引言

隨著我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展，海洋平臺(tái)用鋼的需求量不斷擴(kuò)大，E36鋼作為我國(guó)最主要的船用結(jié)構(gòu)鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂及耐海水腐蝕等優(yōu)良性能，已被廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的建造。焊接是平臺(tái)建造的關(guān)鍵技術(shù)，焊接接頭性能的好壞直接影響整個(gè)平臺(tái)的質(zhì)量。因此，本文對(duì)E36鋼的焊接工藝進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了接頭力學(xué)性能試驗(yàn)和殘余應(yīng)力測(cè)試，以便為保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、安全服役提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 焊接工藝試驗(yàn)

1.1 E36鋼的可焊性分析

E36鋼為含有微量合金元素Nb和V的低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼[1]。研究表明，微量合金元素Nb和V在鋼中可以起到強(qiáng)化和韌化作用。E36鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 E36鋼化學(xué)成分/（×10-3%）

表2 E36鋼力學(xué)性能

國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）和國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）的碳當(dāng)量計(jì)算公式為：

式中的C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu為鋼中該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

由計(jì)算結(jié)果可知，E36鋼碳當(dāng)量（0.432%） 較高，淬硬傾向大，焊接性較差，對(duì)焊接氫致裂紋的敏感性較高，因此，在環(huán)境溫度不高的情況下施焊時(shí)必須預(yù)熱。

坡口的確定原則是既要保證充分的熔透，又要盡可能減少熔敷量，并力求使接頭變形為最小。根據(jù)工程實(shí)際情況，考慮到平臺(tái)建造過(guò)程中管節(jié)點(diǎn)的各種連接形式，設(shè)計(jì)了如圖1所示的坡口型式。

圖1 坡口型式

為了保證焊接接頭的強(qiáng)度、韌性、塑性等力學(xué)性能與母材相匹配，在選擇焊接材料時(shí)應(yīng)從母材的力學(xué)性能出發(fā)，而不是從化學(xué)成分出發(fā)選擇與母材成分完全一樣的焊接材料。本試驗(yàn)選用LB-52U打底，CHE58-1填充，TWE-711Ni填充、蓋面。

1.2 焊接方法及工藝規(guī)范

焊接工藝試驗(yàn)用試板尺寸為400mm×400mm×40 mm，焊接方法采用手工電弧焊（SMAW）打底，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW-G）填充、蓋面[2]。

焊前要預(yù)熱100～150℃，層間溫度控制在100～200℃之間。預(yù)熱范圍是在焊道所有方向上不得小于焊件最大厚度值，且至少為75mm。當(dāng)母材溫度低于0℃時(shí)，預(yù)熱溫度至少為210℃。加熱方法必須保證能將母材預(yù)熱透徹。焊接區(qū)域兩邊至少15 mm范圍內(nèi)應(yīng)通過(guò)打磨或其他適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ謇砀蓛?。?dāng)焊完一層后，應(yīng)用鋼絲刷和角向磨光機(jī)清理焊道表面，而后才能進(jìn)行下一層焊接，注意合理運(yùn)條，防止在層間邊緣出現(xiàn)未熔合、咬邊、氣孔等缺陷。

按照上述方法及有關(guān)規(guī)范規(guī)定，分別開(kāi)展了板試件1G位置和管試件6G位置的焊接工藝試驗(yàn)研究，得到了典型的焊接工藝參數(shù)，見(jiàn)表3。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

試件全部焊接完成后，進(jìn)行了X射線和超聲波探傷，焊縫探傷結(jié)果均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，之后進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。焊接工藝評(píng)定中的力學(xué)性能試驗(yàn)包括拉伸、彎曲、缺口沖擊和表面硬度等[3]。在SHT5106-P微機(jī)控制電流伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了拉伸、彎曲試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)在ZBC2602-C低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。焊接接頭試驗(yàn)的取樣、加工及試驗(yàn)方法均按美國(guó)焊接協(xié)會(huì)AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[4]。

2.1 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，彎曲角為180°。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果符合AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，即單一裂紋長(zhǎng)度小于3mm，裂紋長(zhǎng)度總和小于10mm。

2.2 拉伸試驗(yàn)

焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。斷裂位置均在母材，試驗(yàn)結(jié)果符合AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試樣缺口位置按AWSD1.1要求分別開(kāi)在焊縫中心、距熔合區(qū)1mm和距熔合區(qū)5mm處，試樣缺口軸線垂直焊縫表面，沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃[5-6]。板試樣試驗(yàn)后照片如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2 板試樣焊接接頭沖擊照片

表6 對(duì)接焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 硬度試驗(yàn)

板材和管材各取兩件進(jìn)行測(cè)試。對(duì)接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置如圖3所示，限于篇幅的原因，本文僅列出板試樣的維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果，如表7所示。

圖3 對(duì)接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置

試驗(yàn)結(jié)果表明，HV10值均小于280，硬度試驗(yàn)符合AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表7 對(duì)接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果（HV10）

2.5 宏觀腐蝕試驗(yàn)

焊接接頭試樣的宏觀腐蝕照片見(jiàn)圖4，宏觀腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣編號(hào)1～4的樣品，其對(duì)接接頭焊縫均無(wú)缺陷。

圖4 3號(hào)試樣的宏觀腐蝕照片

3 殘余應(yīng)力測(cè)試

試件焊接完成后，采用X射線衍射法對(duì)試件的焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試。使用的設(shè)備是日本理學(xué)X射線應(yīng)力儀（MSF-3M）。由于試件中心線和焊縫中心對(duì)稱，只測(cè)量了1/4位置，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 沿著焊縫方向的殘余應(yīng)力分布

圖6 垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力分布

從圖中可以看出，無(wú)論是沿著焊縫方向還是垂直于焊縫方向，縱向殘余應(yīng)力在焊縫附近均為壓應(yīng)力；而在遠(yuǎn)離焊縫的位置，沿著焊縫方向的應(yīng)力仍保持壓應(yīng)力，垂直于焊縫方向變?yōu)槔瓚?yīng)力。壓應(yīng)力有利于提高焊縫的抗疲勞性能和抗腐蝕性能，因此，選擇的焊接工藝方法在焊縫及附近區(qū)域形成了壓應(yīng)力分布，這對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能是有益的。

[1]劉年富，何礦年，李樺，等.E36級(jí)海洋平臺(tái)用鋼的試制[J].鋼鐵，2011，46（5）：97-100.

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[3]王建利.高強(qiáng)鋼的焊接工藝評(píng)定[J].云南水力發(fā)電，2007，23（2）：111-114.

[4]AWSD1.1/D1.1M:2008，Structural Welding Code-Steel[S].

[5]曲占元.埋弧焊線能量對(duì)船用E36鋼焊縫低溫沖擊韌性的影響[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2010，25（4）：7-9.

[6]張建護(hù)，唐德渝，馮標(biāo)，等.海洋平臺(tái)導(dǎo)管架樁管自動(dòng)焊工藝及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2011，（3）：21-24.