海洋工程中導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的研究

李 明

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 海洋工程導(dǎo)管架概述

導(dǎo)管架是海洋工程的重要組成部分（圖1），為海上平臺施工提供了施工條件，能夠保證海洋工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，確保海上施工的安全。其主要由豎向立柱和橫向、斜向聯(lián)接鋼管組成。主要構(gòu)件包括導(dǎo)管腿、拉筋、裙裝套筒、鋼樁及其相關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)管架用鋼結(jié)構(gòu)是目前常用的體系，在海洋工程中發(fā)揮了重要作用。但是目前，海洋工程導(dǎo)管架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)還沒有創(chuàng)建出合理的體系。因此采用完善的技術(shù)，加強導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的使用效果，成為現(xiàn)在海洋工程的一項重要研究工作。

2 導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的性能要求

（1）屈服強度。在對熔煉進(jìn)行研究的過程中，在屈服強度達(dá)到235～280 MPa 的情況下，C 當(dāng)量就為Cec≤0.40%；在屈服強度達(dá)到280～360 MPa 的情況下，C 當(dāng)量就應(yīng)為Cev≤0.43%，Pem≤0.23%。其中，Cev=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Ni+Cu）/15，Pem=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。在公式中，每項元素均表示其在結(jié)構(gòu)鋼里的含量。

圖1 海洋工程導(dǎo)管架

（2）超聲波探傷。在此期間要根據(jù)ASTM A578/578M《特殊用途普通鋼板和復(fù)合鋼板超聲直射波檢驗1996》B 級來做驗收工作，如果鋼板超聲波探傷具有Z 向要求，那么如果存在以下缺點，則不可以進(jìn)行使用：①底面反射波損失超過50%的，直徑超過3 in（76 mm）的內(nèi)部缺陷；②底面反射波損失超過70%，直徑＞3/8 in（10 mm）的內(nèi)部缺陷。

（3）表面質(zhì)量要求。所使用的鋼材要具備光滑表面，并要存在折皺、鱗波以及銹斑。

（4）可焊性試驗。根據(jù)API RP2Z EN10225 的可焊性標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼實際選定為DH36 和DH36-Z35，GB/T 712—2000《船體用結(jié)構(gòu)鋼》里明確了對DH36 的技術(shù)要求。

3 海洋工程中導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的運用

3.1 結(jié)構(gòu)鋼筋有高強度

在海洋工程中，導(dǎo)管架會普遍使用到水域開發(fā)中，因此導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)一定要具備充足的強度。由于鋼鐵硬度是通過鋼鐵含碳量來進(jìn)行劃分，因此要依據(jù)鋼鐵含碳量比例來運算各種鋼鐵的堅硬度。企業(yè)可以使用相關(guān)技術(shù)，來精準(zhǔn)計算出海洋工程導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼具體的含碳量。例如企業(yè)根據(jù)大氣壓強與鋼鐵硬度之間的比例，運算出壓強達(dá)到280 Pa 的情況下，結(jié)構(gòu)鋼的含碳量只有0.4%；而在壓強在280～360 Pa 情況下，結(jié)構(gòu)鋼所具有的含碳量并不大于0.43%。所以，企業(yè)可以利用各種水深來運算相應(yīng)的壓強，并采用壓強來對有效掌控導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的含碳量，這樣就能夠確保其具有標(biāo)準(zhǔn)的強度和硬度，從而確保即便處于深海區(qū)中的結(jié)構(gòu)鋼，也會承受住水壓沖擊，如此一來便能夠符合深海工程的技術(shù)要求。

3.2 結(jié)構(gòu)鋼具有可塑性

深海工程導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼不但需要充足的強度和硬度，而且還要具備可塑性，若兩者能夠進(jìn)行完美融合，那么就會確保導(dǎo)管架足夠的堅硬。深海工程導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼要具備平整度，不能夠出現(xiàn)凹痕。這就要求鋼結(jié)構(gòu)要具備一定的可塑性，這樣在表面具有缺陷的情況下才能夠方便進(jìn)行清理。另外，結(jié)構(gòu)鋼如果具有一定可塑性，還能夠確保焊接質(zhì)量。根據(jù)各種焊縫性能的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)鋼均能夠通過實際情況來進(jìn)行改善。比如，一家企業(yè)所使用的是DH36 結(jié)構(gòu)鋼為低合金型號。此企業(yè)在對鋼管進(jìn)行生產(chǎn)期間，要先生產(chǎn)鋼板，之后把此類可塑性較強的鋼材所制造出來的鋼板進(jìn)行打彎，緊接著焊接成結(jié)構(gòu)鋼需要的鋼管。采用此方式制作的鋼管，在承重力方面能夠得到充足保證。

4 海洋工程中導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)化

4.1 確認(rèn)結(jié)構(gòu)鋼的固有成分

以目前所掌握的海洋工程技術(shù)為基礎(chǔ)，提升導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的制造效果，這樣就能夠設(shè)計更加良好的鋼結(jié)構(gòu)。若實現(xiàn)這一目標(biāo)，則要先掌握其固有成分。不過目前在海洋工程中，需要采用非常多的鋼鐵，若想計算出鋼鐵固有成本，不但需要較長時間，而且還具有一定的難度。如果能夠把鋼鐵成分分析系統(tǒng)使用到海洋工程領(lǐng)域當(dāng)中，就可以讓工作變得簡單。例如可以把相關(guān)的化工制造業(yè)的鋼鐵手冊使用到對鋼鐵成分辨別的工作當(dāng)中，然后利用鋼鐵的型號就可以對比出其中一種型號鋼鐵的固有成分以及含金元素量，這樣不但能夠讓工作變得簡便，而且還會提升速度。

4.2 辨別結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分

鑒別結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分，能夠確保其可以在海洋工程當(dāng)中得到合理應(yīng)用。當(dāng)前，國內(nèi)海洋工程在研究鋼結(jié)構(gòu)的化學(xué)成本時，普遍使用數(shù)值分析法。這種方式不但可以掌握結(jié)構(gòu)鋼里的各種化學(xué)成分，還能夠?qū)Ω鞣N氣體進(jìn)行研究。因此，相關(guān)企業(yè)就要以數(shù)值分析法為基礎(chǔ)，來構(gòu)建完善的結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成本鑒別法：①把高爐里的鐵水進(jìn)行脫硫，之后再采取轉(zhuǎn)爐吹煉；②在做好精煉，之后，把形成的鐵坯采取真空處理；③對高坯做好軋制，然后放入檢驗庫，并且還要清除爐子里的雜物。采用這種方法所獲取的樣品，它的化學(xué)成分檢驗結(jié)果會更加精準(zhǔn)。

4.3 分析結(jié)構(gòu)鋼的其他特性

除了上述內(nèi)容以外，對于結(jié)構(gòu)鋼在其他方面的一些特性也要做好充分掌握。我國海洋工程領(lǐng)域已經(jīng)制定出合理方式，而且對結(jié)構(gòu)鋼的其他特性也采取了實質(zhì)性研究，其中主要包括2 種方法。

（1）力學(xué)測查法。其主要包含彎曲、拉伸等方面的實驗。利用力學(xué)檢測法，很多海洋工程企業(yè)已經(jīng)獲得了完善的數(shù)據(jù)，并能夠用它們判斷鋼結(jié)構(gòu)的特性是否符合實際需求。如通過分析后掌握，鋼結(jié)構(gòu)的厚度如果在0～0.7 mm，同時鋼材厚度達(dá)到0.45 mm，就能夠符合使用需求。

（2）外觀檢查法。這是最直接的方法，能夠準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)鋼表面的平滑度，如果在檢測期間發(fā)現(xiàn)無法滿足需求的鋼材，那么就要馬上進(jìn)行清理。

5 導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的使用要求

根據(jù)GB/T 712—2000 規(guī)定中的DH36 的化學(xué)成分能夠看出，DH36 屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，在對導(dǎo)架進(jìn)行生產(chǎn)期間，先要進(jìn)行鋼板生產(chǎn)，然后再對鋼板進(jìn)行卷制，以便焊接為鋼管，最后再通過鋼管焊接而制作成導(dǎo)架。若想使導(dǎo)管架能夠具有充足的承載力，要讓其具備一定的強度；另外，想要具備完善的工藝性能，則最好讓所采用的鋼材具備良好的塑性以及韌性。

塑性以及強度之間具有一定的矛盾。結(jié)構(gòu)鋼對于焊接以及冷彎這兩面的性能具有一定要求，因此結(jié)構(gòu)鋼一定要具備良好的塑性，然后以此為基礎(chǔ)，盡量加強強度。而且還要能夠滿足高塑性，這樣才可以確保工藝性。通常情況下，DH36 結(jié)構(gòu)鋼屬于低碳鋼，在平均含量上通常要達(dá)到0.09%～0.18%。

根據(jù)導(dǎo)管架生產(chǎn)的實際情況能夠看出，焊接性能對于導(dǎo)管架十分重要。有關(guān)這種鋼的焊接評定具有相當(dāng)多的專著，此處不一一介紹。下面分析DH36 結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分會給焊接質(zhì)量造成哪些影響。通常在研究焊縫區(qū)組織的過程中，會分成以下2 個方面。

（1）溶化區(qū)。若想避免熔融的金屬在發(fā)生凝固情況下出現(xiàn)裂縫，那么最好合理控制DH36 結(jié)構(gòu)鋼中S 和P 的含量。

（2）熱影響區(qū)。在進(jìn)行焊接期間，會由于溶化區(qū)的加熱效果，而發(fā)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臨界點溫度的問題，因此晶離會明顯加大。在完成焊接工作以后，以達(dá)到高溫要求的熱影響區(qū)會遭受附近沒有受到加熱的金屬的激冷，導(dǎo)致硬度進(jìn)一步提升，更為嚴(yán)重還會全部淬硬。然后再外加上焊接所形成的大范圍的殘余應(yīng)力，通常會導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)裂縫。DH36 結(jié)構(gòu)鋼的C 含量如果較高，則說明所具備的可以提升淬透性的含金元素十分充足，出現(xiàn)焊裂的概率就會增大。

6 結(jié)束語

導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼在海洋工程中已經(jīng)得到普遍使用，加強了海洋平臺的穩(wěn)定性。本文主要是對海洋工程領(lǐng)域管架用結(jié)構(gòu)鋼使用和優(yōu)化結(jié)構(gòu)鋼的特性進(jìn)行討論。通過優(yōu)化，能夠在很大程度上提升導(dǎo)管架用結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量，還會進(jìn)一步推動海洋工程的發(fā)展，使海洋工程企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟收益。