海洋平臺(tái)焊接缺陷分析與解決對(duì)策

楊明明

摘要：海洋石油開發(fā)逐漸由淺海向深海區(qū)域發(fā)展，由溫暖海區(qū)域向低溫寒冷海區(qū)域發(fā)展。海洋鉆井平臺(tái)（drilling phtform）是主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物。平臺(tái)上裝鉆井、動(dòng)力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施是海上油氣勘探開發(fā)不可缺少的手段。海洋平臺(tái)往往要經(jīng)受各種氣候條件和風(fēng)浪的襲擊，遭受海水的腐蝕，工作環(huán)境非?？量?。其次，海洋工程結(jié)構(gòu)大型化趨勢顯著，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大，節(jié)點(diǎn)焊接本來就很困難，加之應(yīng)力集中程度高，其結(jié)構(gòu)處于更危險(xiǎn)的狀態(tài)，且隨著結(jié)構(gòu)大型化，導(dǎo)致構(gòu)件厚度增加，在海洋平臺(tái)焊接時(shí)，其要求也越來越高，海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求焊縫保證一定的強(qiáng)度，能承受強(qiáng)風(fēng)浪的沖擊，如果焊接接頭存在嚴(yán)重的焊接缺陷，在惡劣的環(huán)境下，就有可能造成部分結(jié)構(gòu)斷裂。

關(guān)鍵詞：海洋鉆井平臺(tái)；移動(dòng)式平臺(tái)；固定式平臺(tái)；固定式平臺(tái)；焊接缺陷

海洋鉆井平臺(tái)（drilling platform）是主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物：平臺(tái)上裝鉆井、動(dòng)力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施，是海上油氣勘探開發(fā)不可缺少的手段。海洋平臺(tái)包括：（1）移動(dòng)式平臺(tái)：坐底式平臺(tái)、自升式平臺(tái)、鉆井船、半潛式平臺(tái)、張力腿式平臺(tái)、牽索塔式平臺(tái)；（2）固定式平臺(tái)：導(dǎo)管架式平臺(tái)、重力式平臺(tái)。本文針對(duì)海工高強(qiáng)度鋼在焊接時(shí)易出現(xiàn)的缺陷。本文分析了海洋平臺(tái)樁腿固定式平臺(tái)制造中焊接問題，重點(diǎn)對(duì)裂紋、晶粒長大引起的沖擊韌性下降，熱影響區(qū)軟化等缺陷問題進(jìn)行分析并提出解決對(duì)策。

1施工焊接工藝

1.1裂紋。（1）碳當(dāng)量。碳當(dāng)量是判斷構(gòu)件產(chǎn)生裂紋的主要數(shù)據(jù)。500MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼的CE值平均在0.6左右，這說明存在著很強(qiáng)的淬硬傾向，鋼中的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋。這樣情況下，鋼在淬硬以后形成脆硬的馬氏體組織，而金屬的強(qiáng)度理論表明，馬氏體是一種脆硬的金屬組織，自身的特性決定發(fā)生斷裂時(shí)只需消耗較低的能量，因此，焊接節(jié)點(diǎn)處有馬氏體的存在，裂紋便形成和擴(kuò)展，造成損失。另外，鋼淬硬后產(chǎn)生很多的晶格缺陷，主要是空位和位錯(cuò)。在應(yīng)力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯(cuò)都會(huì)發(fā)生移動(dòng)和聚集，當(dāng)它們的濃度達(dá)到一定的臨界值后，就會(huì)形成裂紋源。在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，會(huì)不斷地發(fā)生擴(kuò)展而形成宏觀的裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)報(bào)廢。（2）氫作為引起焊接冷裂紋的重要因素之一，具有延遲的特性。當(dāng)焊縫中氫的濃度升高到一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力的作用促使產(chǎn)生裂紋。這種裂紋具有滯后性，所以產(chǎn)生的破壞性也就更大。一般在熱影響區(qū)氫致裂紋出現(xiàn)比較多，而超高強(qiáng)度鋼焊縫的合金成分復(fù)雜，焊接時(shí)熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變先于焊縫，氫從熱影響區(qū)擴(kuò)散到焊縫，延遲裂紋就此產(chǎn)生在焊縫上。（3）超高強(qiáng)鋼焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的另一個(gè)決定。焊接節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)，在某些特定狀態(tài)時(shí)，還起決定性的作用。焊接節(jié)點(diǎn)處所承受的拘束應(yīng)力還有不同溫度加熱和冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和金屬進(jìn)行相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力。

1.2沖擊韌性的下降。高強(qiáng)度鋼都存在一個(gè)沖擊韌性最佳的冷卻時(shí)間過小或過大都會(huì)使沖擊韌性下降。沖擊韌性下降原因是由于全部獲得馬氏體，引起脆化原因除奧氏體晶粒粗化引起的脆化外，主要原因是由于上貝氏體和塊狀的M-A組元也是使沖擊韌性下降的一個(gè)重要因素。

1_3熱影響區(qū)的軟化。高強(qiáng)度鋼普遍存在熱影響區(qū)軟化問題，這種影響對(duì)焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的低碳鋼來說尤為重要。鋼材屈服強(qiáng)度級(jí)別越高，這類問題越突出，尤其是500 MPa以上級(jí)別的超高強(qiáng)度鋼。

2解決對(duì)策

2.1焊前預(yù)熱?？赏ㄟ^預(yù)熱來降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，同時(shí)也是通過馬氏體的回火作用來提高抗裂性。預(yù)熱溫度一般控制在2000以內(nèi)，否則不僅對(duì)防止裂紋起不到作用，相反還會(huì)使冷卻速度低于出現(xiàn)脆性混合組織的臨界冷卻速度，使焊接熱影響區(qū)韌性大大降低。

2.2選擇適當(dāng)?shù)暮附硬牧?。氫除了來源于焊接材料中的水、焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等因素以外，主要是來自焊接材料。而超高強(qiáng)度鋼的焊接是需要使用低氫焊接材料的。低氫型焊條在發(fā)放之前必須進(jìn)行烘干。焊劑必須干燥且未受污物、氧化皮或其它外來物的污染。焊劑必須在使用前以不低于260度烘干1 h，并在手感溫?zé)岬臅r(shí)候使用。

2.3線能量的控制。選用小線能量方法，就是多層小焊道焊縫，根據(jù)焊接材料厚度127mm或154mm樁腿焊接焊道層數(shù)約為30層以上，不僅可使焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬有較好的韌性，還可以減小焊接變形。對(duì)于焊接接頭熔合線處最薄弱的粗晶區(qū)沖擊韌性的影響很大，如果控制在10～30 s之間，則熔合線處粗晶區(qū)能保證很好的沖擊韌性，甚至比母材還好。

2.4嚴(yán)格控制層間溫度。層間溫度起著與預(yù)熱同樣的作用。最小層問溫度為75度，最大為200度也就是說，層問溫度最小控制在預(yù)熱溫度的下限，而最大層間溫度也不能過高。

2.5焊后熱處理。超高強(qiáng)鋼的合金化原理就是在低碳的基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素來保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。低碳貝氏體組織比相同含碳量的鐵素體一珠光體具有更高的強(qiáng)度，因此，低碳貝氏體組織的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到為450～800MPa。冷卻速度不能過快。目的有利于氫的逸出，防止冷裂紋，保證焊接強(qiáng)度。

2.6施焊工藝控制。分別采用手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊及藥芯焊絲電弧焊相結(jié)合的方式進(jìn)行焊接。并采取多層多焊道的焊接方式。對(duì)于對(duì)接焊和全焊透的角焊縫，在焊接之前要進(jìn)行50～100度預(yù)熱，且在多層多道焊時(shí)，每道焊縫層問溫度要控制在100～150度之間，每條焊縫要盡量一次性連接不斷地焊完，不能因?yàn)橥饨缫蛩赜绊懚g歇進(jìn)行操作，這樣才能保證層問溫度。在多層多道焊時(shí)，下一道焊縫焊接之前要對(duì)前一道焊縫進(jìn)行敲渣和適量的打磨，并進(jìn)行100%目檢，在確保沒有任何缺陷后才能進(jìn)行下一道焊縫的焊接工作，否則要及時(shí)消除缺陷才能繼續(xù)焊接。

2.7檢驗(yàn)。對(duì)于焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)方法一般分無損檢驗(yàn)和破壞檢驗(yàn)兩大類，根據(jù)技術(shù)要求和有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，無損檢驗(yàn)方法需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行外觀檢查、密性試驗(yàn)和無損探傷等。主要針對(duì)焊縫表面咬口、氣孔、夾渣、焊接裂紋、弧坑、焊瘤以及焊縫的外形尺寸和形狀不符合要求等外部缺陷。進(jìn)行無損探傷分滲透檢驗(yàn)、磁粉探傷、超聲波探傷和射線照相探傷。破壞檢驗(yàn)方法是用機(jī)械方法在焊接接頭上截取一部分金屬，加工成規(guī)定的形狀和尺寸，然后在專門的設(shè)備和儀器上進(jìn)行破壞試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以了解焊接接頭性能及內(nèi)部缺陷情況，判斷焊接工藝正確與否。