基于工程應(yīng)用的海洋結(jié)構(gòu)用A517Q和A514Q鋼焊接材料選用原則探討

孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，太原 030024）

0 前 言

近年來，為了應(yīng)對日益增長的能源需求，世界各地都在建造越來越多的海洋結(jié)構(gòu)，積極開發(fā)石油和天然氣。隨著海上鉆探向深海和低溫海洋擴(kuò)展，對海洋結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度和韌性提出了更高的要求。自升式海洋平臺就是具備自升能力的功能性平臺，它通過一定長度的、可以自行升降的樁腿來實(shí)現(xiàn)高度的變化，以適應(yīng)不同作業(yè)水深的要求。樁腿是自升式鉆井平臺靈活升降的核心部件，一直都處于受力狀態(tài)，同時還要受海洋環(huán)境的低溫和侵蝕（以及海浪、海潮沖擊載荷）的影響。樁腿中的齒條對強(qiáng)度、低溫韌性、疲勞性能、抗動態(tài)撕裂能力等要求都很高。為了減輕鉆井平臺的總重，提高其承載能力，需要采用YP 690MPa 級鋼材。同時，需要可靠的焊接材料和焊接工藝，以確保適當(dāng)?shù)娜笨陧g性和抗冷裂性。國際上對海洋平臺用高規(guī)格的齒條鋼普遍采用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中的A517Q 和A514Q。這類鋼的碳當(dāng)量較高，具有明顯的淬硬傾向。雖然工程上采用的焊接材料及其配套工藝基本能滿足制造要求，但是隨著應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大，該類鋼焊接接頭的使用性能仍然是生產(chǎn)企業(yè)和用戶關(guān)注的核心問題。迄今為止，在有關(guān)這類鋼焊接的文獻(xiàn)中，涉及焊接材料選用原則的表述非常有限，專題性探討的文獻(xiàn)并不多見。為此，本研究從A517Q 和A514Q 鋼焊接工程應(yīng)用入手，將焊接材料選擇與該類鋼的焊接性、焊接材料種類、工藝方法相聯(lián)系，探討其選用原則。該項(xiàng)工作對于推動該類鋼焊接材料的創(chuàng)新開發(fā)、配套工藝的更新升級，以及工程質(zhì)量的提升，具有參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 A517Q 和A514Q 鋼的焊接材料及焊接性

1.1 A517Q和A514Q鋼焊接工程應(yīng)用實(shí)例

樁腿是自升式鉆井平臺的支撐裝置，通過提升機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自升自降的動作(如圖1[1]所示)。根據(jù)平臺設(shè)計(jì)的需要，自升式鉆井平臺樁腿的數(shù)量可以是3 至8 根不等。自升式鉆井平臺樁腿由齒條、半圓板（弦管）和拉桿組成（見圖1右上角）。樁腿結(jié)構(gòu)的焊縫主要有三種，即齒條板與齒條板的焊接、弦管與弦管（窗戶板）的焊接，以及弦管（窗戶板）與齒條板的焊接（圖2[2]、圖3[1]）。

圖2 樁腿結(jié)構(gòu)示意圖［2］

圖3 齒條與弦管的接頭［1］

圖4 樁腿部件接頭的坡口形式［4］

2 種不同規(guī)格的鋼材（A517Q 和A514Q）自升式鉆井平臺樁腿焊接應(yīng)用實(shí)例見表1[3-4]。實(shí)例一的母材為A517Q，板厚為177.8 mm/82.5 mm，采用SMAW 打底和SAW 填充的焊接方法，以及相應(yīng)的焊接材料。實(shí)例二的母材為A514Q，板厚為127 mm（152.4 mm）/32 mm，采用SMAW 的焊接方法，以及相應(yīng)的焊接材料。兩例采用的焊接工藝要點(diǎn)比較接近，并獲得了滿意的效果。

表1 自升式鉆井平臺樁腿用A517Q和A514Q鋼的焊接應(yīng)用案例

工程實(shí)例中焊材的主要化學(xué)成分、焊縫組織及力學(xué)性能見表2。可以看出，除了FOX EV60PIPE 是打底用屈服強(qiáng)度550 MPa 級焊條之外，其余幾種焊縫金屬的合金系統(tǒng)均為Mn-Ni-Cr-Mo 或Mn-Ni-Mo，與A517Q/A514Q 鋼的合金系統(tǒng)Mn-Ni-Cr-Mo 差不多（表3），只是相應(yīng)的元素含量比母材少，致使熔敷金屬的強(qiáng)度比母材低，這從文獻(xiàn)[5]提供的拉伸試樣斷口均位于焊縫區(qū)試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)定該類接頭屬于低強(qiáng)度匹配。雖然屬于低強(qiáng)匹配焊縫，但接頭的使用安全性還是有保證的。因?yàn)樵嚇拥目估瓘?qiáng)度為856 MPa，已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)要求強(qiáng)度值770 MPa[5]。從焊縫顯微組織看，焊縫金屬的顯微組織與母材的有所不同。雖然在表2 所列案例中并沒有直接提供焊縫的顯微組織，但是文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)條件與文獻(xiàn)[3]相同（均使用T Phoenix 11018 焊條焊接A517Q 鋼），其焊縫組織為珠光體+少量先共析鐵素體和粒狀貝氏體，可以作為參考分析。而對于其他三種焊接材料，在焊接過程中，受焊接材料牌號、焊接方法，以及焊接參數(shù)的影響，不同工件焊縫組織中的珠光體、鐵素體和貝氏體的形態(tài)和數(shù)量可能有變化，但三種主要組織組成不可能被改變。總之，在A517Q 和A514Q 鋼工程條件下，所使用焊接材料的組織與母材有所不同，焊縫金屬的強(qiáng)度比母材的低，屬于低強(qiáng)匹配焊縫。

表2 工程實(shí)例中焊材的主要化學(xué)成分、焊縫組織及力學(xué)性能

表3 A517Q 和A514Q鋼的化學(xué)成分

1.2 A517Q和A514Q鋼及其焊接性分析

A517Q 和A514Q 鋼是低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，屬于低碳貝氏體類高強(qiáng)鋼。從化學(xué)成分看（見表3），鋼中嚴(yán)格控制C、Mn 元素含量，并用Cr、Ni、Mo、V 等元素進(jìn)行合金化；從力學(xué)性能上看（見表4），該類鋼獲得了高強(qiáng)、高韌性的綜合力學(xué)性能。這是由于該類鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理決定的，即除了低C 以控制鋼的焊接性，并通過Cr、Ni、Mo 等元素的固溶強(qiáng)化，同時利用微合金化元素如V 等的細(xì)晶粒強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等效應(yīng)之外，最后采用調(diào)質(zhì)熱處理（淬火+高溫回火）工藝的結(jié)果。該類鋼的供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火），顯微組織為回火板條貝氏體+回火粒狀貝氏體（見圖5[5]）。

表4 A517Q和A514Q鋼的力學(xué)性能

圖5 A517Q鋼供貨狀態(tài)（淬火+回火）的顯微組織［5］

雖然說該類鋼嚴(yán)格控制了C、Mn 元素含量，但鋼中合金元素含量較多，且總含量達(dá)5.6%左右[9]，具有相當(dāng)高的空淬特性；同時在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時HAZ 晶粒粗化會影響接頭性能。這就意味著并不是在所有情況下都能獲得滿意的接頭性能，研究表明，該類鋼焊接性的主要問題是：

（1）冷裂紋敏感性。該類鋼的碳當(dāng)量較高（表5），均高于0.4%，其中A517Q 鋼比A514Q鋼的還高，鋼的淬硬傾向很大；同時鋼板厚度為150 mm，自身拘束度又很大；加之焊接過程中不可避免進(jìn)入焊縫中一定量的氫。以上3條，產(chǎn)生冷裂紋傾向不可低估。

表5 A517Q和A514Q鋼的碳當(dāng)量

2種厚度的A517Q鋼斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)參數(shù)及裂紋率見表6[5]?？梢钥闯?，板厚為30 mm時，試樣的表面和斷面裂紋率均為0；板厚為60 mm時，隨工件預(yù)熱溫度的提高，斷面裂紋率減??；當(dāng)預(yù)熱溫度為120 ℃時，試樣的表面和斷面裂紋率均為0。

表6 A517Q鋼鐵研試件制備參數(shù)及裂紋率［5］

A517Q 鋼拉伸試樣制備用焊接參數(shù)見表7，采用圖6 坡口形式及表7 所列參數(shù)制備的A517Q鋼焊接接頭拉伸試樣試驗(yàn)結(jié)果見表8[5]?？梢钥闯?，A517Q鋼焊接接頭最大抗拉強(qiáng)度為856 MPa，且斷口位于焊縫區(qū)，可見母材的抗拉強(qiáng)度至少大于856 MPa。表9 和表10 分別列出T Phoenix 11018 焊條熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能。從表10 可以看出，T Phoenix 11018 焊條抗拉強(qiáng)度典型值為830 MPa，比A517Q鋼抗拉強(qiáng)度856 MPa要低。因此可以推斷，該焊接接頭焊縫金屬的強(qiáng)度低于母材，應(yīng)當(dāng)屬于低強(qiáng)匹配焊接接頭。

表7 A517Q鋼拉伸試樣制備用焊接參數(shù)①

表8 A517Q鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果［5］

表9 T Phoenix 11018 熔敷金屬化學(xué)成分

表10 T Phoenix 11018 熔敷金屬的力學(xué)性能

圖6 拉伸試樣接頭的坡口形式

鑒于接頭的低強(qiáng)匹配類型，根據(jù)文獻(xiàn)[10]給出的判據(jù)，斜Y坡口裂紋試驗(yàn)中，接頭裂紋啟裂部位應(yīng)在焊縫根部應(yīng)力集中處的熱影響區(qū)（HAZ），然后拐入焊縫中擴(kuò)展（見圖7）。根據(jù)裂紋所處的部位與形貌特征，可以判定屬于冷裂紋。

圖7 裂紋啟裂部位示意圖

（2）HAZ 軟化傾向。在厚板（177.8 mm）接頭試件橫截面上，沿上、中、下三條線測試顯微硬度分布曲線如圖8 所示[5]?？梢钥闯?，在HAZ，硬度曲線驟然升高（高達(dá)350HV5～400HV5），但未出現(xiàn)陡降低值（低于母材）測點(diǎn)。從A517Q 鋼焊接接頭的顯微組織看（見表11[5]），3 個區(qū)顯微硬度數(shù)值分布與各區(qū)顯微組織特征存在良好的對應(yīng)關(guān)系，即焊縫區(qū)和母材區(qū)均無淬硬組織，硬度較低（240HV5～290HV5），而HAZ淬硬組織硬度較高（350HV5～400HV5）。既然在HAZ 沒有出現(xiàn)異常的低硬度顯微組織，它們的硬度分布曲線上就不會出現(xiàn)低值測點(diǎn)。由此可見，該類鋼HAZ 軟化傾向不明顯。不過，從表7 中A517Q 鋼拉伸試樣制備用焊接參數(shù)看，對于板厚為177.8 mm 的拉伸試板，15～16 kJ/cm 的熱輸入明顯偏低，這樣HAZ 的寬度和顯微組織以及硬度都會受到一定的影響，因此未測出HAZ 軟化低硬度區(qū)可能與熱輸入偏低有關(guān)。

表11 A517Q鋼焊接接頭的顯微組織及硬度

圖8 焊接接頭的硬度檢測結(jié)果［5］

綜上所述，A517Q和A514Q鋼焊接性的主要問題是接頭的冷裂紋敏感性。厚板結(jié)構(gòu)大的剛性拘束、HAZ的馬氏體，以及焊縫中氫的行為會促進(jìn)冷裂紋形成。在論文試驗(yàn)條件下該鋼HAZ 的軟化傾向不明顯。

2 A517Q和A514Q鋼焊接材料的選用原則

作為自升式海洋鉆井平臺核心部件的樁腿，在海洋作業(yè)中需承受各種載荷，及嚴(yán)苛的工況條件。在樁腿焊接施工中，除了要求較高接頭強(qiáng)度之外，還要求較高的接頭低溫韌性、抗層狀撕裂性、耐海水腐蝕性能和優(yōu)良的焊接性。合理選擇焊接材料顯得十分重要?；谏鲜龉r條件，在選擇焊接材料時應(yīng)首先考慮焊縫金屬強(qiáng)度匹配方案。從焊縫金屬強(qiáng)度匹配類型與接頭焊接性的一般關(guān)系可以看出[11]，等強(qiáng)匹配的工藝焊接性不是很好，施工條件要求嚴(yán)格，施工成本較高，比較適合低強(qiáng)度鋼種或者高強(qiáng)度鋼種的焊接。高強(qiáng)度匹配的工藝焊接性更差，施工條件要求更嚴(yán)格、更復(fù)雜，成本更高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證，較適合于低強(qiáng)度鋼的焊接。低強(qiáng)度匹配的工藝焊接性得到改善，施工條件也改善，成本降低，適合于高強(qiáng)度鋼種及大剛性結(jié)構(gòu)件的焊接。樁腿結(jié)構(gòu)中的齒條及半圓板用鋼主要采用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中的A517Q 和A514Q。該類鋼是屈服強(qiáng)度為690 MPa 的低碳低合金高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼，通常齒條板板厚150 mm，剛度大。為了減小接頭焊接裂紋敏感性，降低工件預(yù)熱溫度，改善材料的焊接性，多數(shù)制造企業(yè)選用焊接材料時，首選了低強(qiáng)匹配方式（表1）。但也偶見一篇采用等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配方式的文獻(xiàn)[12]，該文獻(xiàn)使用的焊接材料是奧林康TENACITO 80CL 電焊條，該焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度較高，與母材等強(qiáng)或高于母材抗拉強(qiáng)度，接頭拉伸試樣的斷裂部位位于母材區(qū)。

母材A517Q 和A514Q 的合金系為Mn-Ni-Cr-Mo-（V）（表3），供貨狀態(tài)的顯微組織為回火板條貝氏體+回火粒狀貝氏體（見圖5）。選用焊接材料時，焊縫金屬的合金系統(tǒng)可以采 用Mn-Ni-Mo 系 或Mn-Ni-Cr-Mo-（V） 等，合金元素的含量根據(jù)需要進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。受焊接冶金特點(diǎn)的控制（焊縫金屬結(jié)晶不可能經(jīng)受調(diào)質(zhì)熱處理），實(shí)際獲得的焊縫組織為珠光體+少量先共析鐵素體和粒狀貝氏體（表11），焊縫金屬的強(qiáng)度比母材低。然而采用的多元合金化已經(jīng)考慮了焊縫對其他性能，如抗層狀撕裂性、耐海水腐蝕性能等的要求。

鑒于低強(qiáng)匹配焊縫中氫的擴(kuò)散方向是從焊縫向HAZ，HAZ 是接頭產(chǎn)生裂紋的薄弱環(huán)節(jié)[13]。因此采用低強(qiáng)匹配時，必須嚴(yán)格控制焊縫中的氫含量。工程上大量應(yīng)用的是“焊縫金屬低氫化工藝”。所謂焊縫金屬低氫化工藝，包括三方面控制：

（1）焊接材料低氫化。盡量使用低氫電焊條、實(shí)心焊絲（特別推薦無鍍銅焊絲）、低氫埋弧焊劑以及藥芯焊絲等。焊條、焊劑在使用前要嚴(yán)格按照要求的規(guī)范進(jìn)行烘烤，焊絲須保證良好的防潮包裝。

（2） 工 藝 方 法 低 氫 化。 包 括GMAW、SMAW、FCAW 和SAW 等工藝方法，強(qiáng)調(diào)焊接參數(shù)的合理選用和匹配、保護(hù)氣體中水分的嚴(yán)格控制及作業(yè)中的防風(fēng)措施等。

（3）輔助工藝低氫化。包括焊件的預(yù)熱、緩冷、后熱、緊急后熱、控制層間溫度、焊后熱處理、多道焊接、多層焊接等。

3 A517Q 和A514Q 鋼典型焊材及工藝方法

焊接材料的種類取決于所用工藝方法，而工藝方法又取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊縫位置、接頭形式及使用條件等。工程上A517Q 和A514Q 鋼主要焊接方法4 種以上，比較常用的是SMAW、SAW、GMAW 和FCAW。A517Q 和A514Q 鋼典型焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表12 所示。表13 列出了A517Q 和A514Q 鋼所用焊接材料特點(diǎn)對比?？梢钥闯觯? 種焊接方法所用焊接材料在含C 量、脫氧方式、合金化類型、含氫量、力學(xué)性能、低溫韌性、焊縫匹配方式等方面基本是一樣的，保護(hù)氣體方面只有GMAW 和FCAW 兩種方法具有，均采用富氬混合氣體M21（（5～25）%CO2+（95～75）%Ar）。從綜合評價(jià)看，F(xiàn)CAW 方法的焊接材料優(yōu)勢明顯。因?yàn)榕c其余3 種焊接方法比較中，雖然GMAW 和SAW 方法用焊接材料都具有高效、自動化屬性，可是前者在實(shí)施單面焊反面成形時反面保護(hù)有一定困難（需要專用裝置），而后者全位置焊接有困難。唯有FCAW 方法能克服GMAW 和SAW 方法的缺點(diǎn)，并充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，尤其在接頭需要單面焊雙面成形焊接中，接頭反面無需襯墊或氣體保護(hù)，即可獲得滿意的反面成形。

表12 A517Q和A514Q鋼用典型焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

表13 A517Q和A514Q鋼用焊接材料特點(diǎn)對比

自升式海洋鉆井平臺核心部件樁腿的現(xiàn)場焊接工藝要點(diǎn)（參見表1），除了采用正確的坡口形狀和尺寸、選用合理的焊接材料之外，其余的工藝要點(diǎn)是：①選用正確的工件預(yù)熱溫度、焊縫層間溫度；②選用正確的焊接規(guī)范，包括焊接電流、電弧電壓、電源極性、焊縫層數(shù)、道數(shù)等；③焊后立即對工件進(jìn)行消氫處理；④合理控制熱輸入；⑤采用必要的裝備和工藝控制焊接變形；⑥完備的產(chǎn)品質(zhì)量檢測制度等。

上述工程應(yīng)用工藝要點(diǎn)，體現(xiàn)了兩條技術(shù)路線：其一，是控制焊縫金屬成分。例如，在焊縫中添加Ni、Mn 元素，降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化顯微組織來韌化基體組織；減少焊縫中的氧，抑制氧化物數(shù)量密度，促進(jìn)晶內(nèi)貝氏體相變，細(xì)化顯微組織；優(yōu)化脫氧劑，在焊縫中引入形核質(zhì)點(diǎn)如氧化鈦等，抑制焊縫中的氧化物含量和數(shù)量密度，細(xì)化顯微組織。使熔敷金屬具有高強(qiáng)度的同時亦獲得了高的韌性[14]。其二，是采用SMAW （低氫藥皮）、SAW（低氫焊劑）、GMAW（低水分氣體）、FCAW（低氫藥芯）焊接方法，嚴(yán)格焊接參數(shù)的合理選用和匹配，并采用低氫的輔助工藝（如預(yù)熱、緩冷、后熱等）?？傊?，該類鋼焊接材料獲得滿意接頭成功應(yīng)用中，焊接材料自身的高強(qiáng)、高韌性和超低氫化是必要條件，而焊接方法和工藝因素的低氫化則是充分條件，二者缺一不可。

盡管A517Q 和A514Q 鋼的應(yīng)用取得了較為滿意的效果，但是該類鋼焊接接頭存在的最大不利因素，即厚板深剖口焊縫中氫的擴(kuò)散行為，以及由此可能引發(fā)的氫致裂紋敏感性。從表1 可以看出，自升式鉆井平臺的樁腿部件是由中厚板焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)。齒條板的厚度通常為127～177.8 mm，窗戶板或弦管通常為32～85 mm。厚板坡口需要多層多道焊縫填充。這就涉及到深坡口接頭中擴(kuò)散氫的行為。多道焊縫中的擴(kuò)散氫含量實(shí)測案例如圖9 所示[15]?？梢钥闯觯m然隨著焊道的增加，焊縫中所測量的氫的體積分?jǐn)?shù)含量上升了（圖中虛線），但由于氫的擴(kuò)散行為所致實(shí)際焊縫中的氫含量是下降了（圖中柱狀圖高度變化）。然而在第一道焊縫中氫含量仍是最高的，再加上根部焊道可能的應(yīng)力集中，根部焊道的脆化傾向最大。此時如果接頭的拘束應(yīng)力達(dá)到一定程度（如厚板的剛性很大），很可能在根部萌生裂紋。一旦裂紋萌生，即使隨后的焊道對前道具有重?zé)嶙饔茫欢棵壬牧鸭y已經(jīng)無法消除。根部裂紋表面所呈現(xiàn)的氧化色正是后道焊縫高溫作用染色結(jié)果（見圖10[15]）。

圖9 多道焊縫中的擴(kuò)散氫［15］

圖10 多道焊縫中氫裂紋實(shí)例［15］

由于樁腿厚板結(jié)構(gòu)焊縫深處存在冷裂紋敏感性因素，在選用焊接材料時既要考慮焊縫金屬的高強(qiáng)度、高韌性，更要考慮熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的超低氫或極低氫，二者缺一不可。表14 提供的焊接材料熔敷金屬擴(kuò)散氫含量都能滿足上述選用要求[16-17]。

表14 自升式鉆井平臺樁腿接頭用焊接材料熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量

4 結(jié) 論

（1）在A517Q 和A514Q 鋼工程條件下，所使用焊接材料的組織與母材的有所不同，焊縫金屬的強(qiáng)度比母材的低，屬于低強(qiáng)匹配焊縫。

（2）A517Q和A514Q鋼焊接性的主要問題是接頭的冷裂紋敏感性，厚板結(jié)構(gòu)時接頭中大的拘束度、HAZ的馬氏體，以及焊縫中氫的行為會加劇冷裂紋形成；在本研究試驗(yàn)條件下該鋼HAZ的軟化傾向不明顯。

（3）該類鋼焊接材料的選用原則，工程上首推低強(qiáng)匹配方式,“焊縫低氫化工藝”可以明顯改善鋼的焊接性。

（4）受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接方法控制，該類鋼4種以上的焊接工藝方法和相應(yīng)的焊接材料各具特色；采用FCAW打底焊＋各種方法填充焊的工藝優(yōu)勢明顯。

（5）該類鋼焊接材料成功應(yīng)用中，焊接材料自身的高強(qiáng)、高韌性和超低氫化是必要條件，而焊接方法和工藝因素的低氫化則是充分條件，二者缺一不可。