20 000 TEU集裝箱船EH47高強(qiáng)度鋼焊接設(shè)計(jì)

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

超大型集裝箱船目前已經(jīng)成為國(guó)際船舶市場(chǎng)的主力船型，國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)在超大型集裝箱船建造方面經(jīng)驗(yàn)少，存在很多技術(shù)壁壘，尤其是高強(qiáng)度大厚度EH47鋼的焊接技術(shù)。

公司承接的20 000 TEU集裝箱船，是目前世界上最大、最先進(jìn)的集裝箱船之一。該船型總長(zhǎng)399.2 m、型寬54 m、型深30.2 m，特別是艙口圍部位的強(qiáng)度要求很高，因此，采用EH47高強(qiáng)度鋼。這種鋼材碳當(dāng)量高，合金元素復(fù)雜，焊接難度較大，因此，對(duì)EH47高強(qiáng)度鋼的焊接進(jìn)行分析，確定相應(yīng)的焊接方法和坡口形式等。

1 EH47高強(qiáng)度鋼性能

EH47高強(qiáng)度鋼屬于低合金高強(qiáng)度鋼，化學(xué)成分復(fù)雜，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 EH47高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分

注：1-碳當(dāng)量Ceq可根據(jù)下列公式計(jì)算：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，%；

2-裂紋敏感度Pcm可根據(jù)下列公式計(jì)算：Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B，%

低合金鋼碳含量一般低于0.2%，鋼材中隨著碳含量增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，塑性和沖擊性能降低。EH47高強(qiáng)度鋼中的Mn，Si元素，生成的硅酸鹽MnSiO3由于密度小、熔點(diǎn)低，在熔池中凝聚成大塊熔渣浮出，達(dá)到脫氧效果；鈦元素是一種脫氧元素，能和氮形成TiN起到固氮作用;鈮元素用來(lái)細(xì)化晶粒、降低鋼的過(guò)熱敏感性和回火脆性，可提高焊縫的沖擊性能；合金中的磷元素會(huì)增加鋼材的冷裂紋敏感性，需要控制磷的含量；銅能提高強(qiáng)度和韌性，少量銅對(duì)焊接性無(wú)影響；鎳可顯著改善鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性，但不宜過(guò)高；鉻元素能提高鋼的強(qiáng)度和硬度而韌性和塑性降低不大，提高在高溫時(shí)抗氧化能力和機(jī)械性能。在添加各種合金元素時(shí)必須把EH47高強(qiáng)度鋼的冷裂紋敏感度Pcm值控制在0.22%以下。

為了便于分析研究合金元素對(duì)金屬焊接性的影響，將碳和合金元素對(duì)鋼的淬硬、脆性和冷裂紋等合成碳的影響，用碳當(dāng)量估算。按表1計(jì)算公式，EH47高強(qiáng)度鋼碳當(dāng)量Ceq值約為0.46%，在船級(jí)社認(rèn)可值之內(nèi)。但是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，碳當(dāng)量Ceq值大于0.40%時(shí)，焊縫熱影響區(qū)的淬硬傾向較大，硬度明顯提高，塑性和韌性降低，焊接性能降低，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。

實(shí)船EH47高強(qiáng)度鋼厚度最高可達(dá)到80 mm，根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求其屈服強(qiáng)度≥460 MPa，抗拉強(qiáng)度≥570 MPa，延伸率≥17%，在試驗(yàn)溫度為-40 ℃時(shí)母材的最小沖擊值需達(dá)到64 J。因此在選用EH47高強(qiáng)度鋼時(shí)，采用供貨狀態(tài)為T(mén)MCP的高強(qiáng)度鋼，同時(shí)EH47高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能指標(biāo)均需滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范要求。

2 焊接方法的選擇及坡口設(shè)計(jì)

20 000 TEU集裝箱船船體結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙要求艙口圍主要由EH47高強(qiáng)度鋼組成，艙口圍結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 艙口圍結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)船級(jí)社對(duì)大厚度E級(jí)鋼的沖擊韌性要求，如果僅考慮焊接效率而采用大線(xiàn)能量焊接方法進(jìn)行焊接，焊縫很難達(dá)到低溫沖擊韌性的指標(biāo)要求。因此在設(shè)計(jì)時(shí)排除了大線(xiàn)能量焊接的焊接方法，而僅考慮采用單絲埋弧自動(dòng)焊及CO2焊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，選用的焊接材料等級(jí)應(yīng)與鋼板等級(jí)相匹配。

2.1 CO2焊接坡口設(shè)計(jì)

根據(jù)選用的焊接方法確定對(duì)應(yīng)的坡口形式。艙口圍結(jié)構(gòu)搭載時(shí)均采用CO2焊接，艙口圍面板焊接時(shí)是平位置對(duì)接。為了避免仰焊，坡口設(shè)計(jì)時(shí)采用V形坡口。由于EH47高強(qiáng)度鋼的板厚較厚基本要大于60 mm，在坡口設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮在保證焊接質(zhì)量的前提下相應(yīng)的減小焊接工作量。因此，把V形坡口角度由原來(lái)的40°改為32°，在不影響焊工操作的前提下，減少了焊接填充量，提高了焊接效率，保證了焊縫的質(zhì)量。

艙口圍腹板和筋板焊接時(shí)的位置是垂直對(duì)接，為避免單面坡口焊接后變形較大，設(shè)計(jì)時(shí)就考慮采用X形坡口雙面對(duì)稱(chēng)焊。在實(shí)船現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中采用雙數(shù)焊工對(duì)稱(chēng)焊接，有效保證了焊縫質(zhì)量，控制了焊接變形。具體坡口形式見(jiàn)圖2。

2.2 埋弧焊焊接坡口設(shè)計(jì)

分段內(nèi)部的拼板采用單絲埋弧自動(dòng)焊。由于板厚較厚，在坡口設(shè)計(jì)時(shí)將兩面坡口高度由SWS企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船體結(jié)構(gòu)焊接方法與坡口形式選用規(guī)定》中的(1/3)t、(2/3)t，改為(2/5)t、(3/5)t，留根由8 mm改為6 mm，反面坡口由60°改為70°，減少碳刨的工作量。同時(shí)在焊接順序上采取上下交替的方式，使受熱均勻，避免局部過(guò)熱，盡量做到減少焊接變形，保證焊接質(zhì)量。具體坡口形式見(jiàn)圖3。

圖2 CO2焊坡口形式

圖3 埋弧自動(dòng)焊坡口形式和焊接順序

3 焊接工藝評(píng)定

實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)船級(jí)社規(guī)范對(duì)焊接試驗(yàn)的覆蓋范圍要求，從EH47高強(qiáng)度鋼的板厚、焊接方法、焊接位置等方面考慮，結(jié)合20 000 TEU集裝箱船艙口圍結(jié)構(gòu)相關(guān)圖紙的要求，同時(shí)針對(duì)公司生產(chǎn)部門(mén)的焊接設(shè)備狀況，確定具體的焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目見(jiàn)表2。

4 EH47高強(qiáng)度鋼焊接工藝

4.1 預(yù)熱保溫

EH47高強(qiáng)度鋼的板厚較厚且熱影響區(qū)的淬硬傾向較大，導(dǎo)致硬度明顯提高，塑性和韌性降低，焊接性能降低。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到焊接前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到100 ℃以上，達(dá)到要求后需至少保持30 min后方可焊接；焊縫焊接完成后，為了防止其驟冷，要求在焊縫上立即覆蓋保溫棉使其緩慢自然冷卻至室溫。

表2 20 000 TEU集裝箱船EH47高強(qiáng)度鋼部分焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目

4.2 定位焊

EH47高強(qiáng)度鋼的板厚較厚、剛性較大，如果按常規(guī)定位焊要求進(jìn)行操作，勢(shì)必導(dǎo)致定位焊縫崩裂，因此設(shè)計(jì)時(shí)考慮適當(dāng)增加定位焊長(zhǎng)度。

4.3 焊縫打磨

艙口圍結(jié)構(gòu)受力較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮如何提高疲勞強(qiáng)度，而解決的方法是在艙口圍頂板上表面對(duì)接焊縫余高焊后磨平，腹板在頂板下部規(guī)定范圍內(nèi)焊后余高磨平，防止在艙口圍結(jié)構(gòu)上由于焊縫余高過(guò)高導(dǎo)致應(yīng)力相對(duì)集中而發(fā)生斷裂的情況，具體要求見(jiàn)圖4。

5 無(wú)損檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

圖4 艙口圍磨縫要求示意

由于EH47鋼的板厚較厚，無(wú)法進(jìn)行X光射線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)。如果按照常規(guī)超聲波雙面雙測(cè)的方法進(jìn)行檢測(cè)，由于板厚過(guò)厚在焊縫區(qū)域會(huì)存在超聲波掃描時(shí)的盲區(qū)，缺陷判斷依靠探傷人員進(jìn)行確定，使焊縫內(nèi)部質(zhì)量存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；由于箱船艙口圍的結(jié)構(gòu)很特殊，所以相關(guān)規(guī)范對(duì)EH47高強(qiáng)度鋼厚板無(wú)損檢測(cè)方法推薦(不是強(qiáng)制)采用TOFD檢測(cè)技術(shù)；綜合各方面因素，最后決定采用精確度較高的TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)EH47高強(qiáng)度鋼的焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)。

TOFD檢測(cè)技術(shù)全稱(chēng)為超聲衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，有兩個(gè)重要不同。①衍射信號(hào)與角度無(wú)關(guān)，檢測(cè)可靠性和精確度不受角度影響；②缺陷的定量、定位和定性是根據(jù)衍射信號(hào)傳播時(shí)差確定的，不依靠信號(hào)波幅，缺陷定量十分精確，遠(yuǎn)高于常規(guī)方法，并能記錄下來(lái)，而且可以隨時(shí)查看圖像。

TOFD檢測(cè)技術(shù)在20 000 TEU集裝箱船EH47高強(qiáng)度鋼厚板部分進(jìn)行了應(yīng)用，從而提高了高強(qiáng)度鋼、高應(yīng)力區(qū)域?qū)雍缚p接頭內(nèi)部缺陷的檢出率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保船舶的安全。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)EH47高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分和性能分析，明確了焊接坡口形式和焊接方法。解決了生產(chǎn)實(shí)際中關(guān)于高強(qiáng)度鋼的焊接問(wèn)題。保證了EH47高強(qiáng)度鋼的焊接質(zhì)量。