海洋工程用高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李風(fēng)波，潘川，楊文華，梅飛強(qiáng)

1.鋼鐵研究總院 北京 100081

2.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 上海 200086

1 序言

世界海洋油氣資源數(shù)量約占全球油氣資源總量的34%，主要分布在“三灣、兩海及兩湖”[1]。海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的歷程比較曲折，主要經(jīng)歷了由陸地到海洋、由淺海到深海、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的歷程。隨著全球能源短缺狀況的日益嚴(yán)重，人類把目光轉(zhuǎn)向海洋，致力于海上油氣資源的開(kāi)發(fā)，21世紀(jì)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)勘探對(duì)于各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至對(duì)全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著重要的意義。

世界海洋油氣資源的勘探主要形成了由南美洲巴西、中美墨西哥灣和西非三個(gè)地區(qū)構(gòu)成的深海油氣勘探的“金三角”，特別是在巴西近海、美國(guó)墨西哥灣、安哥拉和尼日利亞近海，幾乎集中了世界全部深海鉆探井和新發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量[2]。

在建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略下，隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)的日漸深入，我國(guó)加快了海洋開(kāi)發(fā)的步伐，加大了海洋工程的研發(fā)力度，使海洋工程進(jìn)入了快速發(fā)展的黃金時(shí)期，促進(jìn)了我國(guó)淺海、深海、超深海油氣的均衡發(fā)展。

海洋工程是海洋資源開(kāi)發(fā)工程中的標(biāo)志性裝備，作為超大的焊接鋼結(jié)構(gòu)，由于高強(qiáng)鋼所占比例高達(dá) 60%～90%，因此高強(qiáng)鋼焊接接頭的可靠性是保證海洋裝備安全的關(guān)鍵因素。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼的焊接現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析了海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼焊接的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)海洋工程用高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)的發(fā)展提供參考。

2 海洋工程用高強(qiáng)鋼的發(fā)展

2.1 海洋工程用高強(qiáng)鋼的歷史

海洋工程用高強(qiáng)鋼按化學(xué)成分劃分屬于低合金高強(qiáng)度鋼，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。20世紀(jì)20年代以前，低合金高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用于橋梁和船舶。鋼結(jié)構(gòu)制造主要采用鉚接，以抗拉強(qiáng)度為其主要設(shè)計(jì)參數(shù)，很少注意鋼材的韌性、可成形性和焊接性，具有較高的碳含量。鋼的強(qiáng)化主要靠碳以及加入單一合金元素，如Cr、Ni、Si等，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%～3%，甚至更高。20世紀(jì)20～60年代，伴隨著焊接技術(shù)的推廣和使用，鋼結(jié)構(gòu)制造中逐步采取了焊接技術(shù)，低合金高強(qiáng)度鋼主要以屈服強(qiáng)度、韌性和焊接性為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了防止焊接裂紋，鋼的化學(xué)成分向低碳多合金元素方向發(fā)展，一般wc≤0.2%，含2～4個(gè)有利于焊接性的合金元素。20世紀(jì)70年代以后，低合金高強(qiáng)度鋼得到快速發(fā)展，鋼中wc≤0.1%，采用Ti、V、Ni等合金元素進(jìn)行強(qiáng)化，并且正向多元素復(fù)合合金化方向發(fā)展。我國(guó)低合金鋼的開(kāi)發(fā)起步于20世紀(jì)50年代、60年代初，正處于國(guó)際上低合金高強(qiáng)鋼新的發(fā)展階段。

2.2 海洋工程用高強(qiáng)鋼的現(xiàn)狀

當(dāng)今海洋工程用高強(qiáng)鋼，受輕量化及降低成本等因素的推動(dòng)，同時(shí)精煉技術(shù)、微合金化技術(shù)、控軋控冷技術(shù)和形變熱處理（TMCP）技術(shù)的推廣應(yīng)用，高強(qiáng)鋼性能不斷提高，使其在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸加大[3]。

世界海洋工程用高強(qiáng)度鋼的主要級(jí)別為屈服強(qiáng)度為355MPa、420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa，低溫性能一般要求－40℃時(shí)的沖擊韌度，F(xiàn)級(jí)最低要求－60℃，抗層狀撕裂性能達(dá)Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨狀態(tài)為TMCP、正火、調(diào)質(zhì)。其中對(duì)海洋平臺(tái)的樁腿、懸臂梁、升降電動(dòng)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)等要求更加苛刻，需要690MPa以上鋼級(jí)的高強(qiáng)度、大厚度專用鋼，并要有優(yōu)良的低溫韌性、焊接性能、耐腐蝕性、抗開(kāi)裂性能，厚度規(guī)格一般在100mm以上，最大達(dá)254mm。

典型海洋工程高強(qiáng)鋼的使用情況見(jiàn)表1。

表1 典型海洋工程高強(qiáng)鋼的應(yīng)用

2.3 海洋工程用高強(qiáng)鋼的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，世界上取得的重大油氣發(fā)現(xiàn)大部分在海上，尤其是深海、極地區(qū)域。目前，海上油氣勘探開(kāi)發(fā)向深海、極地轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)十分明顯，深海、極地將是未來(lái)全球油氣戰(zhàn)略接替的主要區(qū)域，其油氣的勘探開(kāi)發(fā)已成為全球各大石油公司的投資熱點(diǎn)。

為了適應(yīng)深海、極地油氣勘探開(kāi)發(fā)的需要，海洋工程用高強(qiáng)鋼的發(fā)展具有以下特點(diǎn)。

（1）高強(qiáng)度、高韌性 從海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提高鋼的強(qiáng)度等級(jí)可以有效減輕平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重，增加平臺(tái)可變載荷和自持能力，提高總排水量與平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)自重比。深海、極地區(qū)域海況復(fù)雜惡劣，要求海洋工程用高強(qiáng)鋼必須具有優(yōu)良的低溫韌性。不同海洋工程類型目前所使用的高強(qiáng)鋼級(jí)別及未來(lái)所需的級(jí)別[4]，見(jiàn)表2。

表2 海洋工程結(jié)構(gòu)類型、工作水深及使用鋼級(jí)

（2）優(yōu)良的抗疲勞性、高止裂性 海洋工程在海上作業(yè)時(shí)受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷以及作業(yè)動(dòng)態(tài)載荷的反復(fù)作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生不斷變化的應(yīng)力，從而引起結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。針對(duì)海洋工程所發(fā)生的一系列的結(jié)構(gòu)件斷裂災(zāi)難事故，國(guó)際工程領(lǐng)域提出了生產(chǎn)和應(yīng)用具有止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向深海、極地轉(zhuǎn)移，優(yōu)良的抗疲勞性、高止裂性鋼板將成為未來(lái)海洋工程用高強(qiáng)鋼的又一發(fā)展趨勢(shì)。

（3）優(yōu)良的焊接性能 隨著海洋工程的發(fā)展，結(jié)構(gòu)大型化顯著，構(gòu)件厚度增加，結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜，焊接工作量也隨之增大，焊接最高占到建造總工時(shí)的40%。為了防止冷裂紋，確保接頭的韌性和抗脆斷性，傳統(tǒng)的海洋工程用高強(qiáng)鋼焊前需要進(jìn)行預(yù)熱，焊接時(shí)也要采取較小的熱輸入進(jìn)行施焊，必要時(shí)在焊接過(guò)程中也要進(jìn)行加熱保溫處理。因此，為了提高焊接效率，降低制造成本，確保焊接質(zhì)量，不需要預(yù)熱、能夠適應(yīng)大熱輸入等具有優(yōu)良焊接性能的海洋工程用高強(qiáng)鋼將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

3 海洋工程用高強(qiáng)鋼焊接的研究現(xiàn)狀

3.1 焊接材料

高強(qiáng)鋼焊接材料是伴隨著高強(qiáng)鋼的發(fā)展而一起成長(zhǎng)的，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)形成手工焊、氣保焊、埋弧焊等門類齊全的焊接材料。隨著高強(qiáng)鋼強(qiáng)度級(jí)別的不斷提高，制約其進(jìn)一步應(yīng)用的焊接問(wèn)題卻日益突出，對(duì)焊接材料的性能要求也日漸苛刻。海洋工程設(shè)計(jì)要求焊接材料采用等強(qiáng)匹配，目前強(qiáng)度級(jí)別E550以上的高強(qiáng)鋼焊接仍然以焊條和埋弧焊絲作為主要焊接材料。在礦山機(jī)械行業(yè)，隨著屈服強(qiáng)度690MPa高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，該級(jí)別的實(shí)芯焊絲得到一定應(yīng)用，但由于工藝性及低溫韌性的制約，所以無(wú)法滿足海洋工程的焊接要求[5]。

3.2 焊接方法及裝備

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，新的焊接方法不斷在海洋工程的建造中得到推廣和應(yīng)用。焊條電弧焊、氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊成為目前海洋工程建造的主要焊接方法，對(duì)于E420以下級(jí)別的高強(qiáng)鋼氣電焊、多絲埋弧焊等高效焊接方法也得到了部分使用。隨著母材強(qiáng)度的提高，導(dǎo)致韌性儲(chǔ)備較低，冷裂傾向大，軟化、脆化明顯，焊接方法也常常局限于焊條電弧焊、埋弧焊。盡管近年來(lái)隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，CO2氣體保護(hù)焊也在E620及以上級(jí)別的高強(qiáng)鋼得到了部分應(yīng)用，但目前海洋工程制造還是以傳統(tǒng)焊接工藝方法為主，存在自動(dòng)化水平低、焊接效率低、焊接質(zhì)量波動(dòng)大等問(wèn)題。焊接設(shè)備仍然以手工焊機(jī)、氣保護(hù)焊機(jī)、氬弧焊機(jī)、埋弧焊機(jī)單機(jī)為主體，雖然部分企業(yè)配置T排焊接機(jī)、法蘭焊接機(jī)等專用焊機(jī)，但專用焊機(jī)、自動(dòng)化焊接設(shè)備、焊接機(jī)器人的比例和數(shù)量還是很低[6，7]。

3.3 焊接技術(shù)

焊接技術(shù)伴隨著材料的應(yīng)用而產(chǎn)生，并隨著材料的發(fā)展不斷進(jìn)步。近年來(lái)，隨著船舶及海洋工程制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，提高焊接生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化越來(lái)越受到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視。

1）目前，海洋工程制造領(lǐng)域仍以傳統(tǒng)焊接工藝方法為主，自動(dòng)化水平低，焊接效率低。

2）焊接變形、裂紋、接熱影響區(qū)的脆化及韌性降低等，仍然是目前高強(qiáng)鋼焊接所面臨的主要問(wèn)題。

3）隨著數(shù)字化、信息化的發(fā)展，焊接數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接專家系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始得到應(yīng)用，但由于焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度還比較低，所以焊接數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接專家系統(tǒng)的應(yīng)用僅局限于焊接單機(jī)上。

4 海洋工程用高強(qiáng)鋼焊接的發(fā)展

焊接作為海洋工程制造中的關(guān)鍵技術(shù)，直接制約甚至決定海洋工程的應(yīng)用及服役壽命。

4.1 焊接材料

隨著海洋工程結(jié)構(gòu)趨于大型化、復(fù)雜化，服役環(huán)境越來(lái)越惡劣，焊接材料的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)[8]。

1）高強(qiáng)韌、超低氫、高抗疲勞將是海洋工程用焊材的研發(fā)重點(diǎn)。

2）增強(qiáng)焊接材料的自動(dòng)化、數(shù)字化焊接的適應(yīng)性。

3）改進(jìn)焊材的材料配方設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)低碳環(huán)保的綠色焊材。

4.2 焊接方法及設(shè)備

未來(lái)，激光電弧復(fù)合焊、熱絲TIG、窄間隙焊等自動(dòng)化程度高、焊接效率高、質(zhì)量可靠的焊接方法將是海洋工程焊接的發(fā)展方向[8]。對(duì)海洋工程建造而言，要提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)就需要提高焊接效率，而成本效益的改善往往是通過(guò)高效可靠的焊接設(shè)備、提高焊接自動(dòng)化水平來(lái)實(shí)現(xiàn)。

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，焊接裝備將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)[9]。

1）焊接裝備的節(jié)能化、環(huán)?；?、人性化。

2）焊接裝備的高精度、高質(zhì)量、高效率、高可靠性。

3）焊接裝備的自動(dòng)化、智能化、柔性化。

4.3 焊接技術(shù)

智能控制技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、圖像處理及傳感器技術(shù)、高性能CPU芯片等高新技術(shù)的融入，將會(huì)使未來(lái)的焊接技術(shù)產(chǎn)生新的重大飛躍。

1）焊接接頭組織、性能的均一。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)由于熱場(chǎng)分布極不均勻，溫度梯度非常大，與擴(kuò)散有關(guān)的過(guò)程極不充分，導(dǎo)致組織和性能極不均勻，使接頭成為一個(gè)最薄弱的環(huán)節(jié)，成為焊接結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生破壞事故的區(qū)域。未來(lái)，通過(guò)焊接技術(shù)的進(jìn)步，鋼材、焊材、焊接設(shè)備的發(fā)展，組織、性能與母材一致的焊接接頭將是焊接技術(shù)未來(lái)發(fā)展的終極目標(biāo)。

2）焊接數(shù)值模擬與虛擬制造的有機(jī)結(jié)合。焊接是一個(gè)涉及到傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜過(guò)程。單純采用理論方法，很難準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，往往采用試驗(yàn)手段作為基本方法，按照“理論－試驗(yàn)－生產(chǎn)”模式進(jìn)行焊接生產(chǎn)技術(shù)的研究。將來(lái)隨著數(shù)值模擬及虛擬制造技術(shù)的快速發(fā)展，焊接研究將轉(zhuǎn)為“理論－虛擬－生產(chǎn)”的模式，推動(dòng)焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)由經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)、由定性到定量的飛躍[10]。

3）焊接技術(shù)與人工智能、傳感等新技術(shù)深度融合具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化特點(diǎn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將生產(chǎn)管理與焊接過(guò)程自動(dòng)控制一體化；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等人工智能技術(shù)的應(yīng)用，使焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤、焊接參數(shù)自我調(diào)整、焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控等；傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)使焊接技術(shù)具有了柔性化，可滿足不同材質(zhì)、不同工件的焊接要求[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

焊接作為一門古老而年輕的技術(shù)，到19世紀(jì)末，隨著電力、材料技術(shù)的發(fā)展，焊接開(kāi)始進(jìn)入高速發(fā)展期，經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)從過(guò)去的一種單純意義上的加工工藝逐漸發(fā)展成為集多種學(xué)科為一體的工程工藝科學(xué)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門，在推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步以及促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)代焊接技術(shù)自誕生以來(lái)一直受到諸學(xué)科最新發(fā)展的直接影響與引導(dǎo)，隨著材料、信息通信、傳感、計(jì)算機(jī)等學(xué)科發(fā)展，不僅促進(jìn)了數(shù)十種焊接新工藝的問(wèn)世，而且也使得焊接行業(yè)正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)的手工慢慢向自動(dòng)化、智能化、柔性化的過(guò)渡，這已成為公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。