鉆井平臺(tái)懸臂梁用高強(qiáng)鋼焊接工藝研究

朱秋東，孫敏鋒

(南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226017)

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鉆井平臺(tái)懸臂梁用高強(qiáng)鋼焊接工藝研究

朱秋東，孫敏鋒

(南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226017)

針對(duì)低合金高強(qiáng)鋼EQ56與EQ63碳當(dāng)量值高，用于制作懸臂式海洋鉆進(jìn)平臺(tái)的懸臂梁時(shí)焊接難度大的問(wèn)題，對(duì)這2種鋼進(jìn)行焊接工藝性能研究，并制訂了嚴(yán)格的焊接工藝。采用藥芯焊絲GFR-91K2進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊前150℃預(yù)熱、焊后300 ℃×2 h后熱，焊接熱輸入控制在1.7～1.9 kJ/mm之間，獲得的焊接接頭的主要力學(xué)性能(低溫沖擊吸收功、抗拉強(qiáng)度、硬度等)都滿(mǎn)足制造工藝要求。

鉆井平臺(tái)；懸臂梁；焊接工藝

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)海洋石油的勘探開(kāi)發(fā)工作取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，海洋石油鉆井平臺(tái)建造數(shù)量越來(lái)越多，海上作業(yè)平臺(tái)成為進(jìn)行海上資源開(kāi)發(fā)的重要裝備。移動(dòng)式海上平臺(tái)在我國(guó)海上油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。自升式鉆井平臺(tái)屬于海上移動(dòng)式平臺(tái)，適宜于近淺海作業(yè)，是目前被廣泛使用的海上鉆井裝備之一。帶懸臂梁自升式鉆井平臺(tái)由于可以在一個(gè)位置進(jìn)行多口叢式井的鉆探而備受歡迎。

懸臂梁作為鉆井平臺(tái)的重要結(jié)構(gòu)之一，在使用過(guò)程中，它需承載鉆臺(tái)及井架等鉆井設(shè)備進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)的負(fù)荷。

制作懸臂梁的材料選擇高強(qiáng)度鋼EQ56與EQ63，其碳當(dāng)量值CE在0.4～0.6之間，有著一定的淬硬傾向，冷裂紋敏感性較大，且屬于異種鋼焊接，更增加了焊接難度。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少現(xiàn)場(chǎng)返修，分析高強(qiáng)度鋼EQ56和EQ63的化學(xué)成分和力學(xué)性能以及研究焊接工藝是十分必要的。

1 鋼材的化學(xué)成分及力學(xué)性能

焊接試板分別采用舞陽(yáng)鋼廠的EQ56材料與上海寶鋼的EQ63材料，其化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。

表1 EQ56與EQ63的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 EQ56與EQ63的力學(xué)性能

由表1、表2 可知，EQ56與EQ63的化學(xué)成分和力學(xué)性能完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是這2種鋼材的強(qiáng)度較高，需要計(jì)算其碳當(dāng)量值。

按照美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWS推薦的碳當(dāng)量CE計(jì)算公式，得到EQ56碳當(dāng)量CE=0.42，EQ63碳當(dāng)量CE=0.58。

鋼的碳當(dāng)量就是把鋼中包括碳在內(nèi)的對(duì)淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當(dāng)含量。通過(guò)對(duì)鋼的碳當(dāng)量和冷裂敏感指數(shù)的估算，可以初步衡量低合金高強(qiáng)度鋼冷裂敏感性的高低，這對(duì)焊接工藝條件如預(yù)熱、焊后熱處理、線(xiàn)能量等的確定具有重要的指導(dǎo)作用。

一般情況下，若碳當(dāng)量CE為0.4～0.6時(shí)，說(shuō)明鋼材淬硬傾向較大，焊接性較差，需焊前預(yù)熱等；碳當(dāng)量CE>0.6時(shí)，焊接性差，屬于難焊材料，需采用較高的焊前預(yù)熱溫度以及嚴(yán)格的焊接工藝(如：焊接熱輸入、道間溫度控制等)以獲得良好的焊接接頭性能。

EQ56和EQ63這2種鋼的碳當(dāng)量值大，焊接性差，因而為保證鉆井平臺(tái)懸臂梁的制作質(zhì)量，需要制訂嚴(yán)格的焊接工藝。

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

EQ56和EQ63焊接時(shí)，由于這2種材料強(qiáng)度等級(jí)不同，屬于異種鋼焊接，因而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要同時(shí)為減小焊接接頭的淬硬傾向。選擇的焊材強(qiáng)度等級(jí)與EQ56大致相當(dāng)，擴(kuò)散氫含量≤5 ml/(100g)的焊材。本文采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行試驗(yàn)研究，焊材選用京雷焊材GFR-91K2，焊接材料的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 藥芯焊絲GFR-91K2的化學(xué)成分

GFR-91K2焊材為提高焊材的低溫沖擊韌性，增加了Ni元素的含量；同時(shí)考慮到材料的焊接性能，其C元素含量遠(yuǎn)低于EQ56和EQ63這2種鋼材的C元素含量。

2.1 坡口準(zhǔn)備

按照產(chǎn)品實(shí)際接頭形式，選擇K型坡口，其示意圖如圖1所示。

2.2 焊接工藝參數(shù)及焊接過(guò)程控制

2種母材均為低合金高強(qiáng)鋼，焊接時(shí)采用焊前預(yù)熱與焊接后熱的工藝。該工藝一方面可以去除坡口表面的水氣，另一方面降低焊縫的冷卻溫度，保證擴(kuò)散氫有充分的時(shí)間逸出，避免后續(xù)產(chǎn)生氫致裂紋?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表4。按照異種鋼焊接技術(shù)要求，選取2種鋼材最低預(yù)熱溫度中的最高值，同時(shí)結(jié)合以往實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇的預(yù)熱溫度為150 ℃，道間最高溫度為230 ℃。

表4 焊接參數(shù)

焊接完成后立即對(duì)焊件進(jìn)行后熱處理，后熱的作用是讓擴(kuò)散氫能夠充分的逸出。后熱不僅能消氫，也能韌化熱影響區(qū)和焊縫組織，特別對(duì)淬硬性較大的調(diào)質(zhì)鋼效果更為明顯。后熱溫度選擇300 ℃，保溫時(shí)間2 h，且后熱完成后焊接件依舊保持硅酸鋁纖維毯完全覆蓋，直至緩冷至室溫。

2.3 無(wú)損檢測(cè)

焊后24 h對(duì)試板進(jìn)行目檢(VT)、磁粉檢測(cè)(MT)、超聲波檢測(cè)(UT)。試板的外觀和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果符合ISO 5817 B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試板焊接接頭分別進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊及硬度性能測(cè)試。樣品經(jīng)20%硝酸酒精溶液腐蝕，未見(jiàn)缺陷。

2.4.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)條件及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以EQ56抗拉強(qiáng)度為參考，即抗拉強(qiáng)度≥670 MPa為合格。試板相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果(≥670 MPa)

2.4.2 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)AWS D1.1規(guī)范進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。每個(gè)評(píng)定4個(gè)試樣，彎曲試樣必須滿(mǎn)足規(guī)范要求，即彎頭直徑為50.8 mm，彎曲角度為180°，彎曲試樣表面任何方向上表面缺陷不得超過(guò)3 mm。彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示，彎曲試樣全部合格，表現(xiàn)出良好的塑性。

2.4.3 沖擊試驗(yàn)

本次沖擊試驗(yàn)共取沖擊試樣7組，每組3個(gè)試樣，在-40 ℃條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)(≥62 J@-40℃[EQ63側(cè)]，≥55 J@-40℃[EQ56側(cè)及焊縫])

2.4.4 硬度試驗(yàn)

經(jīng)對(duì)焊縫上、下表面及焊縫根部進(jìn)行硬度試驗(yàn)，均滿(mǎn)足≤420 HV10要求。

經(jīng)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)表明，EQ56與EQ63采用藥芯焊絲GFR-91k2進(jìn)行焊接，焊縫的綜合力學(xué)性能良好，也表明采用的焊接材料及焊接工藝參數(shù)合理，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

3 結(jié)論

(1)焊接試驗(yàn)采用藥芯焊絲GFR-91k2可以滿(mǎn)足EQ56與EQ63的焊接要求。

(2)焊接線(xiàn)能量控制在1.7～1.9 kJ/mm時(shí)可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 李敏,李旺生，侯東華，等. A516Gr70鋼焊接性試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定[C]//山東金屬學(xué)會(huì)壓力加工學(xué)術(shù)委員會(huì). 山東金屬學(xué)會(huì)壓力加工學(xué)術(shù)交流會(huì)2008年論文集.濟(jì)南：山東金屬學(xué)會(huì)壓力加工學(xué)術(shù)委員會(huì)，2008:329-332.

2017-01-25

朱秋東(1977—)，男，工程師，從事海洋工程裝備質(zhì)量管理、質(zhì)量控制工作；孫敏鋒(1976—)，男，工程師，從事海洋工程裝備生產(chǎn)建造管理工作。

U671.4

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