海洋平臺(tái)樁腿用E690材料焊接工藝

趙瑞輝

（中船圣匯裝備有限公司，江蘇 張家港215632）

海洋平臺(tái)樁腿用E690材料焊接工藝

趙瑞輝

（中船圣匯裝備有限公司，江蘇 張家港215632）

針對(duì)海洋平臺(tái)樁腿常用的高強(qiáng)度低碳調(diào)質(zhì)鋼E690材料焊接時(shí)具有冷裂傾向，焊縫及熱影響區(qū)質(zhì)量難以保證的問題，分別以焊條電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）兩種焊接方法進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。結(jié)果表明，焊前進(jìn)行不低于100℃且不高于150℃的預(yù)熱，道間溫度控制在100～150℃，焊后進(jìn)行150～250℃熱處理，保溫2 h，焊接過程中控制熱輸入量，焊條電弧焊為10.5～16.3 kJ/cm，埋弧焊為16.1～26.4 kJ/cm，采用多層多道焊形式，可以保證焊接接頭的力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

焊接；E690；焊接工藝；焊接工藝評(píng)定

樁腿是海洋平臺(tái)中的重要部件，建造中對(duì)材料焊接和精度要求較高。海洋平臺(tái)樁腿常用的E690材料，為低碳調(diào)質(zhì)鋼，強(qiáng)度較高，焊接時(shí)具有冷裂傾向，熱影響區(qū)質(zhì)量難以保證。中船圣匯裝備有限公司為某海洋生活平臺(tái)項(xiàng)目加工制造的4根樁腿，直徑為3 000 mm，單根長(zhǎng)度約為79 m，壁厚為55 mm。樁腿采用E690材料，經(jīng)CCS中國(guó)船級(jí)社認(rèn)可，E690材料屬于高強(qiáng)度船板用鋼，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨。對(duì)于該材料焊接，分別進(jìn)行了焊條電弧焊和埋弧焊兩種焊接方法的工藝評(píng)定試驗(yàn)，制定了合理的焊接工藝，并應(yīng)用于產(chǎn)品焊接，取得了較好的效果。

1 焊接性分析

E690材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。供貨狀態(tài)為淬火加回火，屬于低碳調(diào)質(zhì)鋼，主要合金元素為Si-Mn-Cr-Ni-Mo-Cu，同時(shí)添加V、Nb、Al和Ti等微合金化元素，經(jīng)計(jì)算，Ceq為0.55%，Pcm為0.28%。低碳調(diào)質(zhì)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過0.21%，在合金強(qiáng)化作用下，焊縫及熱影響區(qū)的淬硬傾向大，焊后組織為馬氏體，該馬氏體組織的Ms轉(zhuǎn)變溫度較高，在焊接冷卻過程中，所形成的馬氏體可發(fā)生自回火，降低了冷裂紋出現(xiàn)的幾率。但焊接過程中如果熱輸入過于集中或冷卻速度過慢，在焊接熱影響區(qū)易發(fā)生軟化或脆化現(xiàn)象，若冷卻速度較快，焊接熱影響區(qū)易發(fā)生淬硬組織，有出現(xiàn)冷裂和韌性下降的傾向，制定焊接工藝時(shí)應(yīng)注意預(yù)熱溫度及層間溫度的控制，注意焊接熱輸入量。低碳調(diào)質(zhì)鋼因?yàn)殇撝械腃和S含量較低，Mn含量和Mn/S較高，所以熱裂傾向較小，焊接時(shí)注意保證焊縫區(qū)域的清潔，焊前應(yīng)清理坡口內(nèi)的油污、氧化物等雜質(zhì)。

表1 E690材料的化學(xué)成分%

表2 E690材料的力學(xué)性能

2 焊接工藝制定

2.1 焊接方法

樁腿焊接方法主要有焊條電弧焊和埋弧焊兩種，埋弧焊（SAW）用于樁腿殼體縱環(huán)縫的焊接，焊條電弧焊（SMAW）用于殼體卷制成型后的組對(duì)定位焊和焊縫出現(xiàn)缺陷后的返修補(bǔ)焊。

2.2 焊接材料

選用新日鐵住金焊接材料，焊條電弧焊選用L-80SN焊條，規(guī)格為Φ4.0 mm，埋弧焊選用Y-80J焊絲和NB-250J焊劑，規(guī)格為Φ4.0 mm。經(jīng)CCS中國(guó)船級(jí)社認(rèn)可，兩種焊接接頭熔敷金屬的化學(xué)成分與母材基本相同，力學(xué)性能及沖擊韌性符合CCS標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 坡口形式

工藝評(píng)定試驗(yàn)選用與產(chǎn)品相同規(guī)格板材，同一批次入廠，經(jīng)CCS中國(guó)船級(jí)社認(rèn)可，焊接坡口形式及尺寸如圖1所示，與產(chǎn)品坡口形式一致。

圖1 焊接坡口形式及尺寸

2.4 預(yù)熱和道間溫度

為防止冷裂紋的產(chǎn)生，常采用預(yù)熱措施，但應(yīng)注意的是，低碳調(diào)質(zhì)鋼若預(yù)熱溫度過高，會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的冷卻速度過于緩慢而產(chǎn)生M/A組元和粗大的貝氏體組織，這會(huì)降低焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度和沖擊韌性。根據(jù)板材厚度和焊材廠家的推薦，規(guī)定焊前應(yīng)該進(jìn)行不低于100℃且不高于150℃的預(yù)熱，焊接過程中道間溫度范圍為100～150℃。

2.5 焊后熱處理

為了降低焊接接頭中氫的含量，焊接結(jié)束后立即進(jìn)行150～250℃的焊后熱處理，保溫2 h，加速焊接接頭中氫的擴(kuò)散逸出，以防止冷裂紋的出現(xiàn)。

2.6 焊接工藝參數(shù)

產(chǎn)品焊接接頭要求滿足－40℃的低溫沖擊韌性，焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入量，采用多層多道焊的形式，埋弧焊采用不擺動(dòng)直焊道，焊條電弧焊擺動(dòng)寬度不超過3倍焊芯直徑，制定的焊接工藝參數(shù)見表3和表4。

表3 焊條電弧焊（SMAW）焊接工藝參數(shù)

表4 埋弧焊（SAW）焊接工藝參數(shù)

3 焊接工藝評(píng)定

按照CCS材料與焊接規(guī)范要求，根據(jù)以上制定的焊接工藝，選用厚度為55 mm的E690板材，分別進(jìn)行了兩組焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。一組采用埋弧焊，評(píng)定編號(hào)為PQR1503S；另一組采用焊條電弧焊，評(píng)定編號(hào)為PQR1504S。

試件焊接完48 h后，經(jīng)100%RT+100%UT+100%MT檢測(cè)無缺陷后，取樣進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、硬度、宏觀等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5～表8。硬度檢測(cè)位置如圖2所示，宏觀檢測(cè)試樣如圖3所示。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 －40℃橫向試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表8 硬度檢測(cè)結(jié)果

圖2 硬度檢測(cè)位置示意圖

圖3 宏觀檢測(cè)試樣

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，兩組評(píng)定試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度均高于母材E690標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值770 MPa；彎曲試樣受拉表面無缺陷；沖擊試樣平均沖擊功均大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值46 J；硬度均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值HV 420；宏觀檢測(cè)顯示焊縫成形良好，完全焊透，無裂紋、未熔合等缺陷，試驗(yàn)結(jié)果符合CCS材料與焊接規(guī)范要求[7]。證明制定的焊接工藝可以保證焊接接頭的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

4 焊接工藝應(yīng)用

在產(chǎn)品焊接過程中，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝參數(shù)，加強(qiáng)焊接熱過程的控制，是保證焊接質(zhì)量的前提。但由于焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和實(shí)際產(chǎn)品焊接條件有一定的區(qū)別，在產(chǎn)品焊接工藝應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)注意以下問題。

4.1 定位固定點(diǎn)焊

筒體卷制后的定位固定點(diǎn)焊位置如圖4所示。在預(yù)熱過程中發(fā)現(xiàn)筒體外側(cè)有部分焊縫發(fā)生開裂，經(jīng)分析認(rèn)為，筒體卷制采用冷卷，接頭處應(yīng)力較高，加上部分焊縫點(diǎn)焊時(shí)焊縫厚度較薄或焊縫存在氣孔裂紋等缺陷，預(yù)熱時(shí)，加熱速度較快，應(yīng)力突然釋放，焊縫在拉應(yīng)力作用下就會(huì)開裂。因此，在定位固定點(diǎn)焊時(shí)，應(yīng)保證點(diǎn)焊焊縫無缺陷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后應(yīng)及時(shí)清除，并增加點(diǎn)焊焊縫厚度，必要時(shí)可在筒體內(nèi)側(cè)增加一層焊條電弧焊的打底焊。

圖4 定位固定點(diǎn)焊位置示意圖

4.2 產(chǎn)品焊前預(yù)熱

在工藝評(píng)定試驗(yàn)中，采用圖5所示的火焰加熱方式進(jìn)行焊前預(yù)熱?；鹧婕訜釙r(shí)，試板前端和后端的溫度差別較大，最大可達(dá)20℃。當(dāng)試板長(zhǎng)度為1 200 mm，預(yù)熱溫度會(huì)不很均勻，這是因?yàn)榛鹧婕訜釣辄c(diǎn)狀形式加熱，氣體在加熱裝置不同位置的流量不同，火焰大小不同，加熱量也就不同，從而導(dǎo)致火焰加熱裝置前端和后端的溫度差別較大。如果在產(chǎn)品實(shí)際焊接過程中也采用火焰加熱，就會(huì)導(dǎo)致局部溫度過高或過低，有時(shí)甚至?xí)^工藝規(guī)定的預(yù)熱或?qū)娱g溫度。為保證產(chǎn)品焊接過程中溫度的均衡控制，應(yīng)優(yōu)先采用電加熱板對(duì)接頭整體加熱，或采用其他先進(jìn)的整體加熱方法，如果采用火焰加熱，應(yīng)將加熱裝置中火焰之間的距離減小，增加火焰加熱點(diǎn)的數(shù)量，并在加熱過程中及時(shí)監(jiān)控測(cè)量各個(gè)位置的溫度，避免超過工藝要求的溫度。

圖5 火焰加熱裝置示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

焊條電弧焊和埋弧焊用于海洋平臺(tái)樁腿用E690材料焊接，選用L-80SN焊條和Y-80J+NB-250J焊絲焊劑，焊前進(jìn)行不低于100℃且不高于150℃的預(yù)熱，道間溫度范圍為100～150℃，焊后進(jìn)行150～250℃熱處理，保溫2 h，焊接過程中控制熱輸入量，焊條電弧焊的取值為10.5～16.3 kJ/cm，埋弧焊的取值為16.1～26.4 kJ/cm，采用多層多道焊形式，經(jīng)工藝評(píng)定試驗(yàn)驗(yàn)證，可以保證焊接接頭力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

焊接工藝在產(chǎn)品焊接應(yīng)用中，應(yīng)注意筒體卷制后定位固定點(diǎn)焊焊縫的質(zhì)量，確保無缺陷，焊前預(yù)熱優(yōu)先采用對(duì)焊接接頭整體加熱的電加熱方法，保證加熱部位在整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)溫度均勻，不超過工藝要求的溫度范圍。

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Research on Welding Process of E690 Used for Offshore Platform Pile Legs

ZHAO Ruihui
（CSSC Shenghui Equipment Co.,Ltd.,Zhangjiagang 215632,Jiangsu,China）

The high strength,low-carbon quenched and tempered alloy steel E690 was commonly used in offshore platform pile legs,it possesses the tendency of cold crack during welding,the quality of weld and HAZ was difficult to guarantee.In this article,it adopted shielded metal arc welding（SMAW） and submerged arc welding（SAW） to conduct welding procedure qualification（WPQ）test.The results indicated that some methods can ensure the mechanical properties of welded joint meet the requirements of relevant standards,such as preheating before welding not lower than 100℃ and not higher than 150℃,interpass temperature is controlled between 100～150℃,150～250℃heat treatment after welding,heat preservation 2 h,control heat input in welding process,SWAW is within the scope of 10.5～16.3 kJ/cm,adopting the multilayer multi-channel welding.

welding;E690;welding process;welding procedure qualification（WPQ）

TG44

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.009

趙瑞輝（1984—），男，工程師，主要從事壓力容器和船配產(chǎn)品焊接工藝工作。

2015-09-24

謝淑霞