海洋工程結(jié)構(gòu)焊材選用淺述

李玉鵬

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 天津 300452）

海洋工程結(jié)構(gòu)焊材選用淺述

李玉鵬

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 天津 300452）

結(jié)合工作中所積累的一些經(jīng)驗，對海洋工程中，結(jié)構(gòu)焊材的選用作了一些簡要分析，希望能為同行業(yè)提供參考借鑒。

海洋工程；結(jié)構(gòu)焊材

1 海洋工程關(guān)鍵材料焊接現(xiàn)狀

鋼鐵材料的焊接技術(shù)：

（1）焊接方法及工藝現(xiàn)狀

海洋工程用鋼鐵主要分為：海洋平臺、海底油氣管線、艦船制造、海洋風(fēng)力發(fā)電用鋼鐵材料等，如海洋平臺樁腿齒條鋼使用的Q690、海底油氣管線使用的X65/70鋼、艦船制造使用的EQ56/70鋼、LNG船使用的殷瓦鋼等?，F(xiàn)階段，歐美、韓國、新加坡等海洋工程裝備制造強國已經(jīng)掌握鋼鐵材料的先進焊接制造技術(shù)，也是世界范圍內(nèi)相關(guān)技術(shù)的引領(lǐng)者。國內(nèi)海洋工程裝備制造中的普通鋼結(jié)構(gòu)件焊接工藝已較為成熟，但重要結(jié)構(gòu)件的特殊鋼材的焊接工藝整體水平還有待提升。國內(nèi)針對海洋工程裝備用鋼鐵材料的焊接方法依然以傳統(tǒng)焊接方法為主，包括手工電弧焊（SMAW）、藥芯焊絲電弧焊（FCW）、鎢極氬弧焊（GTAW）、埋弧自動焊（SAW）、氣電立焊（EGW）、焊劑銅襯墊單面焊（FCB）等，其中手工電弧焊、埋弧自動焊、藥芯焊絲電弧焊是現(xiàn)階段海工裝備制造企業(yè)廣泛使用的焊接方法。隨著海洋平臺用鋼材強度和厚度的增加，高強度鋼板在海洋工程裝備制造中的應(yīng)用比例逐漸升高。目前國內(nèi)大厚板高強鋼的焊接仍采用手工電弧焊或半自動藥芯焊絲電弧焊方法，自升式平臺樁腿齒條板Q690鋼的焊接仍以手工電弧焊為主。因海工裝備制造用高強度鋼板均有一定厚度，手工電弧焊的工藝復(fù)雜，同時厚板的清根亦十分繁瑣，使得整體焊接效率不高。在勞動力成本高企不下的情況下，促使企業(yè)尋求更為高效的焊接方法和工藝。窄間隙焊接技術(shù)因其能顯著提高焊接效率，節(jié)省焊接材料，近年來成為海洋工程裝備大厚板焊接技術(shù)的熱點和發(fā)展趨勢。此外，復(fù)合焊接方法（激光電弧復(fù)合，等離子電弧復(fù)合等）因可集中利用各種焊接方法的優(yōu)點，提高海洋平臺用鋼的焊接效率，且隨著自動化程度的提高，也日益受到海洋平臺用鋼鐵材料焊接制造的青睞。

（2）焊接材料現(xiàn)狀

海洋工程結(jié)構(gòu)對焊接材料的選用要求苛刻，不僅需取得相關(guān)船級社的認(rèn)可，還必須滿足海洋工程的特殊性能要求，在具有優(yōu)良的焊接操作工藝性能前提下，在大厚度板拘束度高的情況下，應(yīng)具有良好的抗裂性能，并保證焊縫金屬具有優(yōu)良的低溫韌性及斷裂韌性（CTOD）。目前，國內(nèi)海工裝備普通結(jié)構(gòu)的焊接主要使用國產(chǎn)焊材，重要特殊結(jié)構(gòu)材料的焊材仍依賴進口。如船體普通結(jié)構(gòu)件的EH36/DH/36等鋼的焊接主要使用國產(chǎn)焊材，40kg級以上船體結(jié)構(gòu)鋼、海洋平臺樁腿齒條鋼Q690、海工半潛船的E690鋼、LNG船的雙向不銹鋼、殷瓦鋼及焊劑銅襯墊埋弧自動單面焊（FCB）、氣電自動立焊等焊接均使用國外品牌焊材。主要是因為國產(chǎn)海工配套焊材整體質(zhì)量穩(wěn)定性不足，品種不齊全，更缺乏海工結(jié)構(gòu)所需要的接頭斷裂韌性、熱處理后的接頭性能和完整的焊接工藝參數(shù)。歐美、日韓等國在海洋工程建設(shè)方面起步早，鋼材、焊材等方面研發(fā)投入較深，因此產(chǎn)品線齊全，有各級別的配套焊材。海洋工程用鋼一般需要采用低氫焊材進行焊接，因此采用無縫藥芯焊絲焊接是發(fā)展趨勢，其氫含量＜5mL/100g，抗吸濕性好，即使長期存放在潮濕環(huán)境下，無需烘干即可使用，但目前國內(nèi)還很少生產(chǎn)無縫藥芯焊絲。

2 焊材選用分析

2.1 焊接材料

海洋工程用國產(chǎn)高端焊接材料缺乏，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性隨著國內(nèi)焊接材料的不斷發(fā)展，市場已有滿足海洋工程使用的普通焊接材料，但其在質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接操作工藝性能上與進口焊接材料仍存在一定差距。此外，國產(chǎn)海工焊接材料還存著產(chǎn)品種類不全，高端焊接材料匱乏的問題，如缺乏與EQ47以上等級鋼材、特殊材料（殷瓦鋼、鋁合金、鈦合金等）相匹配的焊接材料。分析其原因，一方面是海洋工程在建造質(zhì)量的控制程序上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通船舶的建造，對焊接材料要求比普通船舶更為苛刻，使得國內(nèi)高端海工焊接材料研發(fā)難度較高：另一方面國內(nèi)焊材企業(yè)進入海工領(lǐng)域時間不長，技術(shù)積累與產(chǎn)品知名度與國外大廠商有一定差距，導(dǎo)致國產(chǎn)焊接材料市場推廣應(yīng)用困難，阻礙產(chǎn)品質(zhì)量進一步提升。

國產(chǎn)高效焊接工藝配套用焊接材料發(fā)展相對滯后目前國內(nèi)海工裝備制造企業(yè)為提高焊接效率，已逐漸開始使用多種高效焊接工藝，如氣電自動立焊（單絲/雙絲）、FCB（焊劑銅襯墊）埋弧自動單面焊平面分段流水線、雙絲/多絲MAG（熔化極活性氣體保護電弧焊）焊等，此類高效焊接設(shè)備多從國外引進，其配套焊接材料亦使用進口焊材。國產(chǎn)配套焊材廠商需在吸收和消化焊接工藝后，再進行產(chǎn)品研發(fā)，導(dǎo)致國產(chǎn)配套焊材發(fā)展相對滯后，無法及時滿足配套焊材國產(chǎn)化需求，阻礙高效焊接工藝在海工裝備制造中的大規(guī)模應(yīng)用。

鋁合金、鈦合金等有色金屬焊材缺乏隨著有色金屬材料在海洋工程領(lǐng)域的大量應(yīng)用，對有色金屬焊材的需求與日俱增，但國內(nèi)有色金屬焊材的研發(fā)還處于起步階段，尤其缺乏目前海工裝備制造急需的鋁合金、鈦合金焊材。如鋁合金船舶大量使用的5083鋁合金、在國內(nèi)潛艦、鉆井管等使用的TC4鈦合金焊接均需使用大量進口焊材，價格昂貴，且國內(nèi)尚無替代性產(chǎn)品，制約高性能有色金屬在海工裝備制造中的推廣應(yīng)用。

2.2 焊接工藝

高強鋼焊接工藝復(fù)雜，焊接效率較低海洋石油平臺高強鋼的焊接多采用手工電弧焊，尤其在管子節(jié)點等關(guān)鍵部件焊接上使用。此類節(jié)點多為拘束度大、應(yīng)力集中的重要結(jié)構(gòu)，因其構(gòu)件密集、狹小和焊接位置多樣化，導(dǎo)致焊接施工困難，焊接的機械化程度也受到一定限制。另一方面，高強鋼對焊接熱影響區(qū)的淬硬性和焊接裂縫敏感性較高，要求對預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入和焊后冷卻速度等進行嚴(yán)格控制，使得高強鋼焊接工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)高效率的焊接自動化。大厚度高強鋼焊接結(jié)構(gòu)件剛性大，焊后殘余應(yīng)力高，變形難以控制大厚度高強鋼焊接時采用手工電弧多層多道焊，其焊接熱輸入量大，且海洋工程焊接件的結(jié)構(gòu)尺寸大，使得焊后殘余應(yīng)力高，變形難以控制?；诤９ぱb備服役的特殊環(huán)境，其對焊接接頭性能要求較高，若結(jié)構(gòu)件尺寸變形較大，會導(dǎo)致不能滿足尺寸要求及裝配精度，增加復(fù)雜的后續(xù)加工，甚至致使整個結(jié)構(gòu)件報廢。此外，焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力峰值及分布情況將直接影響結(jié)構(gòu)件的性能及服役時間。鋁合金焊接易產(chǎn)生氣孔，變形控制比鋼結(jié)構(gòu)難度大和鋼材相比，鋁合金在焊接過程中，凝固點的溶解度會急劇下降，且由于鋁的導(dǎo)熱性強，導(dǎo)致冷卻速度快，不利于氣泡的浮出，導(dǎo)致焊縫容易產(chǎn)生氣孔。此外，由于鋁合金的導(dǎo)熱率大，使得在焊接過程中工件熱量分布不均勻，易產(chǎn)生不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力（縱向內(nèi)應(yīng)力和橫向內(nèi)應(yīng)力），致使焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種變形，加大變形控制難度。

2.3 焊接設(shè)備及生產(chǎn)

焊接自動化水平較低，機器人焊接設(shè)備匱乏目前海工裝備制造使用的焊接設(shè)備仍以手工電弧焊、CO2半自動焊和埋弧焊機為主，專用的機器人焊接設(shè)備缺乏，且對大厚板高強鋼的加工裝配能力欠缺，整體自動化水平較低。

缺乏對焊接設(shè)備與焊接質(zhì)量的信息化、智能化控制，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性不足普遍缺乏對生產(chǎn)線焊接設(shè)備信息化、智能化控制，各焊接部件信息量的傳遞十分有限，難以實現(xiàn)復(fù)雜的焊接工藝協(xié)調(diào)控制。且在焊接生產(chǎn)中主要對焊后的焊縫質(zhì)量進行檢測，缺乏對焊接過程的在線質(zhì)量監(jiān)控，難以保證焊縫質(zhì)量的重現(xiàn)性，也無法實現(xiàn)在焊接過程中實時優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得最優(yōu)的焊縫質(zhì)量。

3 結(jié)束語

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接已和電子技術(shù)、自動控制及信息化等多學(xué)科緊密結(jié)合。對未來海洋工程領(lǐng)域焊接技術(shù)的發(fā)展，主要集中在多學(xué)科協(xié)同合作的焊接智能化、自動化焊接系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)高效焊接工藝、高效焊接材料的選用與開發(fā)等方向。

[1]李獻(xiàn)軍，馮軍寧，羊玉蘭．鈦在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．世界有色金屬，2014（9）：30～32．

[2]焦向東，朱加雷．海洋工程水下焊接自動化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]．金屬加工－熱加工，2013（2）：24～27．

TG42

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1004-7344（2016）24-0337-02

2016-8-5