海洋工程裝備用焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼研究現(xiàn)狀及存在問題

王東坡，利成寧 ，邸新杰，王佳驥

（1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津300350；3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009）

目前，陸地及海洋陸架淺水區(qū)石油和天然氣資源日益減少，深海及極寒地區(qū)海洋油氣資源深度勘探與開發(fā)成為必然趨勢(shì)。油氣資源的勘探與開發(fā)高度依賴先進(jìn)的海洋工程裝備，如海洋平臺(tái)和海洋工程船舶等，為此海洋工程裝備及高技術(shù)船舶被列為《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。但是，我國(guó)海洋油氣開發(fā)裝備明顯落后于國(guó)外先進(jìn)水平，尤其是在水深500 m以下的深海油氣勘探開發(fā)方面存在較大差距[1]。關(guān)鍵海洋工程裝備材料研發(fā)與應(yīng)用的不足是造成該種差距的主要原因之一。

海洋工程裝備用鋼主要用于海上石油、天然氣的勘探、開發(fā)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，要求具有較高的強(qiáng)韌性、耐蝕性、焊接性和抗疲勞性等綜合性能以滿足裝備的高安全性能、長(zhǎng)服役周期和輕量化要求。對(duì)于高強(qiáng)度海洋平臺(tái)焊接用厚板，國(guó)際上已經(jīng)可生產(chǎn)F級(jí)690～720 MPa免預(yù)熱焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼，但是我國(guó)仍主要處于E級(jí)460～550 MPa的強(qiáng)度水平，且焊接過程中需要采用嚴(yán)格的焊前預(yù)熱工藝[2]。

為了滿足海洋裝備輕量化的發(fā)展要求，海洋工程用鋼的應(yīng)用強(qiáng)度級(jí)別不斷提高，最高強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到980 MPa及以上級(jí)別。提高鋼材強(qiáng)度，一方面可增大裝備的承載能力和作業(yè)能力，另一方面對(duì)于裝備的輕量化及成本的降低具有重要意義。但是，隨著強(qiáng)度的提高，高強(qiáng)鋼的韌性及焊接性顯著惡化。對(duì)于常被用于焊接結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度海洋工程裝備用鋼而言，韌性和焊接性的惡化將嚴(yán)重抑制其推廣和應(yīng)用。本文將對(duì)海洋工程裝備用焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)展開概述，重點(diǎn)論述提高其焊接性的物理冶金原理及存在的焊接問題。

1 TMCP高強(qiáng)韌焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼

隨著海洋裝備向深水化和輕量化發(fā)展，其對(duì)鋼材強(qiáng)度和韌性的要求日益提高。傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼主要通過添加大量合金元素，提高碳含量以及采用熱處理工藝（如：淬火+回火）獲得良好的強(qiáng)韌性匹配。高的碳含量和合金含量會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)（HAZ）韌性降低，出現(xiàn)局部脆化或誘發(fā)氫脆問題，焊接性嚴(yán)重惡化。隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高，強(qiáng)度和焊接性的矛盾更加突出[3]。焊接性的惡化是限制690 MPa以上級(jí)別傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼在海洋裝備中推廣應(yīng)用的主要原因之一。采用控制軋制與控制冷卻技術(shù)（TMCP）則有效地解決了海洋工程用鋼強(qiáng)度、韌性與焊接性矛盾的問題。

TMCP工藝是通過適量的微合金化配合控制軋制獲得硬化的奧氏體，然后采用控制冷卻工藝，使硬化奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體（或針狀鐵素體、貝氏體等），依靠細(xì)晶強(qiáng)化及相變強(qiáng)化作用提高強(qiáng)度和韌性。與傳統(tǒng)的淬火+回火調(diào)質(zhì)工藝相比，采用TMCP工藝可在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)降低碳含量和合金含量。配合潔凈冶煉技術(shù)、氧化物冶金技術(shù)及去H工藝，還可有效改善HAZ的強(qiáng)韌性，使高強(qiáng)鋼表現(xiàn)出良好的焊接性[3-4]。TMCP工藝改善焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼焊接性的原理如圖1所示。

圖1 TMCP工藝改善焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼焊接性的原理

實(shí)際上，TMCP最早應(yīng)用在造船業(yè)，目前已廣泛應(yīng)用于海工鋼的生產(chǎn)[5]。特別是近20多年來發(fā)展的以快速或超快速冷卻技術(shù)為核心的新一代TMCP技術(shù)，改變了傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)化方式，采用細(xì)晶、相變和析出的綜合強(qiáng)化方式代替單一的固溶強(qiáng)化方式，使海工鋼的品質(zhì)得到顯著提升，成為具有優(yōu)異強(qiáng)韌性和焊接性的組合，而且生產(chǎn)成本大幅降低。日本JFE采用Supper-OLAC超快冷技術(shù)開發(fā)出YP460 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼，并與IHI集團(tuán)及旗下的焊接公司和神戶制造合作，用于焊接船板鋼[6]?；诘诙鶦LC-μ超快冷技術(shù)，新日鐵開發(fā)出具有優(yōu)異焊接性的海工結(jié)構(gòu)鋼，焊接接頭在-40℃以下仍然具有優(yōu)異的低溫韌性[7]。為了使HAZ具有高的CTOD斷裂韌性，韓國(guó)浦項(xiàng)基于新的加速冷卻裝備，開發(fā)出低合金含量的EH47高強(qiáng)海工鋼[8]。我國(guó)采用自主開發(fā)的UFC超快冷技術(shù)也開發(fā)出了550 MPa級(jí)高強(qiáng)韌海洋平臺(tái)用鋼[9]。

2 納米析出強(qiáng)化型焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼

在船體建造過程中，焊接工作占用總工作量的40%，焊接成本占船體建造成本的50%。由于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)HY系列海軍艦艇用船體結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼采用高碳含量和高合金設(shè)計(jì)，焊接過程中產(chǎn)生了未回火馬氏體組織，使硬度顯著升高且韌性降低，從而導(dǎo)致HAZ表現(xiàn)出較大的脆性斷裂和氫致開裂傾向。因此，在焊接過程中需采用預(yù)熱，嚴(yán)格控制層間溫度，減小熱輸入或焊后熱處理等嚴(yán)苛的焊接工藝，提高了生產(chǎn)成本、降低了焊接效率。20世紀(jì)80年代，為了減輕高強(qiáng)鋼的焊接裂紋，美國(guó)海軍開發(fā)了高強(qiáng)度低合金鋼HSLA-80和HSLA-100，替代了當(dāng)時(shí)用量較大的HY-80和HY-100[10]。與傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼HY-80和HY-100相比，HSLA-80/100高強(qiáng)鋼碳含量更低（約0.05%），因而具有更優(yōu)異的焊接性，見圖2。

圖2 典型高強(qiáng)海工鋼碳含量、碳當(dāng)量和焊接性間的關(guān)系

該類高強(qiáng)鋼添加了Cu元素，利用富Cu納米強(qiáng)化相強(qiáng)化基體以補(bǔ)償?shù)吞己繉?dǎo)致的強(qiáng)度損失，而且通過Mo、Cr元素調(diào)節(jié)淬透性，從而獲得高的強(qiáng)度和良好的韌性匹配。由于焊接過程中可免除預(yù)熱及焊后熱處理，因此，HSLA-X高強(qiáng)鋼的應(yīng)用可使焊接結(jié)構(gòu)件的總體制造成本降低50%，尤其適合用于艦船結(jié)構(gòu)、海洋石油平臺(tái)和海上油氣輸送工程裝備的制造[11]。

近十幾年來，海洋裝備用焊接結(jié)構(gòu)鋼繼續(xù)向著更高強(qiáng)度和優(yōu)異焊接性方向發(fā)展。美國(guó)海軍在HSLA-80/100的基礎(chǔ)上，開發(fā)出更高強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)鋼HSLA-115，進(jìn)一步提高了艦船的輕量化水平。為了縮短海洋裝備用高強(qiáng)鋼的認(rèn)證過程、減少焊接工藝評(píng)估費(fèi)用和周期，美國(guó)海軍金屬加工中心（NMC）開發(fā)的新一代高強(qiáng)鋼HSLA-115的化學(xué)成分總體上與HSLA-100相似，但是采用亞納米級(jí)的富Cu析出相和M2C碳化物強(qiáng)化基體，使鋼材不但具有更高的強(qiáng)度，而且表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫沖擊韌性和焊接性能[12]。目前，HSLA-115已經(jīng)應(yīng)用于CVN-78航空母艦的飛行甲板。美國(guó)西北大學(xué)出于提高焊接性考慮，將HSLA-80/100系列高強(qiáng)鋼的Mo、Cr等淬透性元素去除，開發(fā)出低碳當(dāng)量（≤0.45%）的NuCu-X系列高強(qiáng)鋼。其中，高鋼級(jí)的NuCu-140高強(qiáng)鋼通過優(yōu)化鋼中Ni和Al的含量，獲得富Cu析出和納米B2-NiAl相的復(fù)合析出相，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)化[13]。與HSLA-115相比，NuCu-140具有更低的碳當(dāng)量，焊接后不會(huì)出現(xiàn)脆化熱影響區(qū)，同時(shí)還具有良好的抗腐蝕性能，美國(guó)海軍計(jì)劃用于防爆鋼的生產(chǎn)。

3 節(jié)Ni焊接結(jié)構(gòu)低溫鋼

隨著油氣勘探開發(fā)向極寒地區(qū)的擴(kuò)展以及液化天然氣（LNG）在能源結(jié)構(gòu)比例中的加大，低溫用高強(qiáng)鋼的需求持續(xù)增加。在油氣資源豐富的北極，冬季氣溫在-50℃以下，最低溫度可低至-70℃。在北極地區(qū)服役的海洋平臺(tái)，水平面以上結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)期在-60℃以下的環(huán)境中服役，而海上運(yùn)輸液化天然氣則需要在-160℃以下[14]。因此，用于該領(lǐng)域的高強(qiáng)海工鋼要求在低溫工作條件下具有足夠的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時(shí)具有良好的焊接性，主要用于-253～-20℃低溫工作的焊接結(jié)構(gòu)。

俄羅斯及歐洲部分國(guó)家在北極地區(qū)油氣勘探開采方面起步較早，對(duì)低溫高強(qiáng)海工鋼的開發(fā)也較為成熟。表1為俄羅斯和歐洲開發(fā)應(yīng)用的355 MPa以上級(jí)別的用于北極地區(qū)的低溫高強(qiáng)海工鋼[14]。

表1 俄羅斯和歐洲用于北極地區(qū)的典型高強(qiáng)海工鋼

續(xù)表1

用于-60℃以下低溫環(huán)境的高強(qiáng)鋼，普遍采用Ni系低溫鋼，主要有3.5%Ni鋼、5%Ni鋼和9%Ni鋼。3.5%Ni鋼和5%Ni鋼主要應(yīng)用于-100～-70℃和-160～-100℃的低溫環(huán)境下。在-160℃以下的極低溫環(huán)境，則以9%Ni鋼為主。由于大量Ni元素的添加，9%Ni鋼存在鋼材和焊材成本高、焊接困難等問題。因此，研究人員一直致力于開發(fā)新的低成本、易焊接的低Ni或無Ni高強(qiáng)鋼用以替代9%Ni鋼，節(jié)約貴重元素Ni的用量，降低生產(chǎn)成本。目前，通過優(yōu)化化學(xué)成分并采用TMCP工藝，已開發(fā)出Ni含量為5%～7%的低溫鋼替代9%Ni鋼。一方面，采用TMCP工藝及后續(xù)的臨界熱處理工藝，可細(xì)化基體組織并獲得更高含量的殘余奧氏體；另一方面，通過降低Si含量，添加適當(dāng)?shù)腃r，使低Ni鋼及其熱影響區(qū)均獲得與9%Ni鋼相當(dāng)?shù)目箶嗔研阅躘15]。采用低Si及適量Cr設(shè)計(jì)的7%Ni-TMCP低溫鋼焊接結(jié)構(gòu)CTOD性能如圖3所示。

圖3 7%Ni-TMCP低溫鋼焊接結(jié)構(gòu)CTOD性能

在9%Ni鋼基礎(chǔ)上將Ni含量降低至7%后，采用TMCP工藝生產(chǎn)的7%Ni鋼，雖然熔合線在-165℃的臨界CTOD值基本達(dá)到9%Ni鋼的要求，但是焊趾處的低溫?cái)嗔秧g性顯著惡化。若將7%Ni鋼中的Si含量降低至0.05%并添加0.4%的Cr后，熔合線和焊趾處的低溫臨界CTOD值均達(dá)到9%Ni鋼的水平。

對(duì)于低Ni或無Ni低溫鋼，調(diào)控奧氏體含量、形態(tài)及穩(wěn)定性是改善低溫韌性的有效途徑。通過提高M(jìn)n含量并配合相應(yīng)的熱處理工藝可細(xì)化無Ni或低Ni（≤3%）鋼的晶粒，提高殘余奧氏體穩(wěn)定性，從而獲得優(yōu)異的低溫強(qiáng)韌性。基于此理念開發(fā)出的無Ni或低Ni鐵素體5Mn低溫鋼的力學(xué)性能，其強(qiáng)韌性明顯優(yōu)于304奧氏體不銹鋼，且與9%Ni鋼相當(dāng)[16]，見圖 4。

圖4 無Ni或低Ni 5Mn低溫鋼、304奧氏體鋼及9%Ni鋼-196℃低溫強(qiáng)韌性對(duì)比

為了進(jìn)一步解決傳統(tǒng)低溫鋼成本高及焊接性惡化的問題，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司（POSCO）與大宇造船海洋株式會(huì)社 （DSME）、五大船級(jí)社（ABS、BV、DNV、KR、LR）聯(lián)合進(jìn)行極低溫高錳鋼及其焊接材料的開發(fā)[17]。高的Mn含量和適當(dāng)?shù)腃含量使奧氏體在極低溫下仍然具有較高的穩(wěn)定性，而且通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂删哂袃?yōu)異的低溫綜合力學(xué)性能，有希望成為新一代經(jīng)濟(jì)型高性能低溫鋼[18]。

相對(duì)9%Ni鋼，高M(jìn)n低溫鋼主要采用Mn/C設(shè)計(jì)，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和優(yōu)異的焊接性能，因而可大幅降低海洋裝備的建造成本。如圖5所示，高錳低溫鋼接頭具有優(yōu)異的低溫韌性，-196℃下的夏比沖擊功＞54 J、CTOD值＞0.4 mm，表現(xiàn)出優(yōu)異的焊接性能。

圖5 高錳低溫鋼焊接接頭低溫韌性

4 存在問題

4.1 低碳低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭的高殘余應(yīng)力

海洋裝備的焊接接頭殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性和服役安全性至關(guān)重要。與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的高碳高強(qiáng)鋼相比，以TMCP高強(qiáng)鋼為代表的低碳低合金減量化高強(qiáng)鋼因具有更低的碳含量和碳當(dāng)量，焊接熱裂紋和冷裂紋傾向大幅減輕。但是，研究表明，低碳低合金TMCP高強(qiáng)鋼焊接接頭的殘余拉應(yīng)力往往高于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼[19-20]。 QT-S960高強(qiáng)鋼和TMCP-S960高強(qiáng)鋼接頭殘余應(yīng)力分布如圖6所示。

由圖6可見，TMCP-S690高強(qiáng)鋼接頭的殘余應(yīng)力明顯高于QT-S960高強(qiáng)鋼。焊接接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)除了與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝有關(guān)外，還與鋼材的化學(xué)成分及表面狀態(tài)有關(guān)。

傳統(tǒng)高碳高合金含量的調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，焊接過程中主要發(fā)生下貝氏體和馬氏體相變，相變溫度較低。低溫下由γ/α相變引起的體積膨脹效應(yīng)可抵消大部分由凝固或冷卻收縮導(dǎo)致的拉應(yīng)力，從而降低接頭的殘余拉應(yīng)力。而采用低碳低合金設(shè)計(jì)的TMCP高強(qiáng)鋼，焊接冷卻過程中下貝氏體或馬氏體相變受到抑制，相變溫度升高。因此，由相變產(chǎn)生的壓應(yīng)力效果減弱，從而導(dǎo)致接頭產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大。另外，在TMCP工藝過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮改變了熔池的溫度-表征張力關(guān)系，產(chǎn)生正的表面張力梯度（dy/dT），容易導(dǎo)致形成更深的熔池[21-22]。焊接冷卻過程中，深尺寸熔池內(nèi)不均勻相變誘發(fā)較大殘余應(yīng)力[20]。因此，低合金高強(qiáng)鋼（特別是TMCP高強(qiáng)鋼）焊接結(jié)構(gòu)具有較大的殘余拉應(yīng)力。如何對(duì)接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行有效調(diào)控仍然是該類高強(qiáng)鋼面臨的難題，因?yàn)橛绊懞附舆^程中應(yīng)力演變行為的因素較為復(fù)雜。對(duì)海洋工程用高強(qiáng)鋼接頭殘余應(yīng)力的調(diào)控，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接材料與工藝、化學(xué)成分、相變行為及材料的表面狀態(tài)等方面進(jìn)行綜合考慮，這些均有待進(jìn)一步研究。

圖6 QT-S960高強(qiáng)鋼和TMCP-S960高強(qiáng)鋼接頭殘余應(yīng)力分布

4.2 高強(qiáng)海工鋼的HAZ的軟化及斷裂韌性惡化

隨著鋼板強(qiáng)度的提高，焊接軟化和脆化問題愈加顯著。與淬火-回火高強(qiáng)鋼相比，以TMCP高強(qiáng)鋼為代表的低碳低合金高強(qiáng)鋼具有更低的碳當(dāng)量和合金含量，氫致裂紋（HIC）傾向大幅降低。但是，合金含量的降低導(dǎo)致TMCP高強(qiáng)鋼焊接HAZ的軟化更為嚴(yán)重，這對(duì)接頭的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生顯著的影響[23-24]。

屈服強(qiáng)度大于600 MPa的高強(qiáng)鋼即使S含量控制得很低（＜0.003%），其角接頭仍常出現(xiàn)層狀開裂，這主要與Mn和其他合金元素的偏析有關(guān)[24]。海洋裝備焊接接頭處的裂紋，在低溫、臺(tái)風(fēng)、海浪反復(fù)沖擊等惡劣的服役環(huán)境下，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)斷裂[25]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶與海洋工程厚板焊接接頭斷裂的主要原因?yàn)榇嘈詳嗔选Ｒ虼?，海洋裝備重要的焊接結(jié)構(gòu)件，一般要求采用具有優(yōu)良韌性的E級(jí)別鋼材，一旦發(fā)生脆性裂紋，也要有能力使裂紋的傳播停止。

斷裂韌性是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)，海工鋼的斷裂韌性一般通過CTOD試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[26-28]。焊接HAZ往往是整個(gè)焊接接頭斷裂韌性最差的區(qū)域[26,29]。

近年來，冶煉技術(shù)和TMCP技術(shù)得到高速發(fā)展，海工鋼的強(qiáng)度和韌性得到顯著提高。例如，JFE開發(fā)的420 MPa級(jí)75 mm厚高強(qiáng)海工鋼和迪林根開發(fā)的450 MPa級(jí)90 mm厚的高強(qiáng)鋼已經(jīng)滿足-40℃的CTOD測(cè)試要求。同時(shí)，焊縫的強(qiáng)韌性也可通過開發(fā)合適的焊材進(jìn)行調(diào)控。但HAZ在焊接過程中承受高的峰值溫度和特定熱循環(huán)，導(dǎo)致母材組織發(fā)生改變且距離熔合線不同區(qū)域組織差異較大[3,29]。 HAZ 粗大的組織、M-A 組元、粗大析出相及組織的不均勻等因素均會(huì)導(dǎo)致低溫時(shí)發(fā)生脆化，使其在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上受到低于屈服強(qiáng)度的載荷作用時(shí)，也會(huì)發(fā)生斷裂失效，誘發(fā)安全事故[25，30-32]。 因此，海工鋼焊接接頭的低溫 CTOD 得到廣泛關(guān)注，部分海洋裝備重點(diǎn)工程也對(duì)HAZ的低溫?cái)嗔秧g性提出要求，例如，-10℃的CTOD值應(yīng)大于0.25 mm，特別是新開發(fā)的低溫鋼要求CTOD試驗(yàn)溫度低至-160℃以下[4,25,33-34]。HAZ的低溫脆化是制約超高強(qiáng)海工鋼推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，更是深?；驑O寒環(huán)境下服役的海洋裝備必須要解決的關(guān)鍵共性問題。

5 結(jié)語

開發(fā)與應(yīng)用具有優(yōu)異焊接性的海洋工程裝備用焊接結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼，對(duì)于加快我國(guó)深海和極地海洋油氣的開發(fā)進(jìn)程具有重要意義。采用新一代控制軋制與控制冷卻技術(shù)，在提高海工鋼強(qiáng)度和韌性的同時(shí)，大幅降低合金含量，使焊接性得到顯著改善。通過納米析出相的調(diào)控技術(shù)，可望開發(fā)出免預(yù)熱高強(qiáng)或超高強(qiáng)海工鋼，能夠有效縮短海洋裝備的建造周期，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于極地用或LNG海工鋼，通過合理的成分設(shè)計(jì)并配合相應(yīng)的TMCP工藝及熱處理工藝，可開發(fā)出替代9%Ni鋼的低Ni甚至是無Ni的低溫鋼，且具有更為優(yōu)異的焊接性能。但隨著海工鋼強(qiáng)度的提高，焊接后的軟化及局部脆化問題仍較為嚴(yán)重；而且相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，低碳低合金高強(qiáng)鋼的焊接接頭具有較高的殘余拉應(yīng)力，這些問題均有待進(jìn)一步研究與解決。