陳 哲， 閔祥軍， 程晉宜， 楊 建， 宋秋菊

海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520

0 前言

EEMUA 158［1］規(guī)范由英國(guó)工程設(shè)備及材料使用者協(xié)會(huì)（EEMUA）海洋服務(wù)材料技術(shù)委員會(huì)編制，對(duì)海洋安裝重要結(jié)構(gòu)中建造工作的提出基本要求，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝評(píng)定也有詳細(xì)要求。DNV C401［2］標(biāo)準(zhǔn)由挪威船級(jí)社編制，對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)建造工作提出基本要求，其中也涉及到對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評(píng)定的要求。

在海洋石油工程（青島）有限公司承接的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪項(xiàng)目中，存在最小屈服強(qiáng)度460 MPa 級(jí)別鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工，既需要滿足項(xiàng)目建造標(biāo)準(zhǔn)EEMUA 158的要求，也需要按照船體入級(jí)要求執(zhí)行DNV C401 標(biāo)準(zhǔn)，因此針對(duì)EEMUA 158 和DNV C401雙標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝開發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用意義。

本文基于EEMUA 158 與DNV C401 雙標(biāo)準(zhǔn)要求，開展最小屈服強(qiáng)度460 MPa 級(jí)別碳鋼的焊條電弧焊（SMAW）打底+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAWG）填充蓋面的焊接工藝評(píng)定，試驗(yàn)取得DNV 挪威船級(jí)社和項(xiàng)目業(yè)主的全程見證和確認(rèn)。

1 EEMUA與DNV焊接工藝評(píng)定要求分析

針對(duì)最小屈服強(qiáng)度460 MPa級(jí)別碳鋼的焊態(tài)下單面對(duì)接焊（焊條電弧焊SMAW 打底，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊FCAW-G填充、蓋面）焊接工藝評(píng)定，基于EEMUA 158 和DNV C401 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要要求分析歸納如表1所示。

表1 EEMUA 158與DNV C401要求分析Table 1 The analysis of requirements between EEMUA 158 and DNV C401

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

由于35 mm 厚度母材焊接要求不同于16 mm厚度母材，為滿足EEMUA158和DNV C401雙標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且覆蓋TM和QT供貨狀態(tài)、壁厚10 mm≤T≤40 mm、直徑D≥324 mm、全位置焊接施工，本研究選取厚35 mm的板材和壁厚16 mm、直徑324 mm的管材分別進(jìn)行對(duì)接，其中板材選用兩個(gè)焊接位置、管材一個(gè)焊接位置，共三個(gè)焊接工藝評(píng)定試件（詳見表1結(jié)合工程實(shí)際情況所得工藝評(píng)定結(jié)論）。

2.1 試件母材

焊接工藝評(píng)定試件1 和試件2 選用EN10225 S460 G2 板材［3］，厚度為35 mm，供貨狀態(tài)為熱機(jī)械軋制，碳當(dāng)量為0.35%。其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2、表3所示。

表2 試件1和試件2母材主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Main chemical compositions of base metal specimen 1 and 2（wt.%）

表3 試件1和試件2母材金屬力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of base metal specimen 1 and 2

焊接工藝評(píng)定試件3 選用API 5L L450Q 管材［4］，壁厚為16 mm，直徑為324 mm，供貨狀態(tài)為淬火和回火，碳當(dāng)量為0.37%。其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表4、表5所示。

表4 試件3母材主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 4 Main chemical compositions of base metal specimen 3 （wt.%）

表5 試件3母材金屬力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of base metal specimen 3

2.2 填充材料

三組試件打底焊接均采用焊條電弧焊打底，焊材選用AWS A5.5 E7016-G［5］，直徑3.2 mm；填充蓋面均采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，焊材選用AWS A5.29 E81T-K2C［6］，直徑1.2 mm，保護(hù)氣體為CO2（體積分?jǐn)?shù)≥99.8%）。

2.3 焊接坡口及焊接位置

三組試件均采用單邊坡口，單面焊雙面成形。其中試件1采用2G焊接位置，如圖1所示；試件2采用3G（立向上），如圖2所示；試件3 采用6G（立向上），如圖3所示。

圖1 試件1焊接位置Fig.1 Welding position of specimen 1

圖2 試件2焊接位置Fig.2 Welding position of specimen 2

圖3 試件3焊接位置Fig.3 Welding position of specimen 3

2.4 焊接工藝參數(shù)

考慮到為了滿足EEMUA158 和DNV C401 雙標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且覆蓋壁厚10 mm≤T≤40 mm、直徑D≥324 mm、焊接位置全位置的焊接施工，試件1、試件2、試件3 的接頭及焊道分別如圖4～圖6所示，其焊接工藝參數(shù)如表6～表8所示，其中焊條電弧焊和藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的電流極性均為直流反接DCEP，熱輸入計(jì)算方式參照ISO 17671［7］要求，需考慮不同焊接方法的影響系數(shù)。

圖4 試件1接頭及焊道Fig.4 Welding joint and pass sequence of specimen 1

圖5 試件2接頭及焊道Fig.5 Welding joint and pass sequence of specimen 2

圖6 試件3接頭及焊道Fig.6 Welding joint and pass sequence of specimen 3

表6 試件1焊接工藝參數(shù)Table 6 Welding parameter of specimen 1

表7 試件2焊接工藝參數(shù)Table 7 Welding parameter of specimen 2

表8 試件3焊接工藝參數(shù)Table 8 Welding parameter of specimen 3

其中試件1 和試件2 的預(yù)熱溫度控制在50～60 ℃，層間溫度不超過250 ℃。試件3 的預(yù)熱溫度為30 ℃，層間溫度不超過150 ℃。本要求參照ISO 17671-2及EN1011-2［8］執(zhí)行。

2.5 焊后無損檢驗(yàn)及理化試驗(yàn)

試件1、試件2和試件3的焊縫外表面及根部均無裂紋、無咬邊、無焊瘤，余高小于3 mm，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外觀檢驗(yàn)均合格。焊后48 h 后進(jìn)行磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)，結(jié)果符合EEMUA 158 和DNV C401相關(guān)要求。試件宏觀形貌如圖7～圖9所示。

圖7 試件1的宏觀試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Macro test photograph of specimen 1

圖8 試件2的宏觀試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Macro test photograph of specimen 2

圖9 試件3的宏觀試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.9 Macro test photograph of specimen 3

對(duì)試件1和試件2進(jìn)行橫向拉伸、全焊縫拉伸、彎曲、-40 ℃沖擊、宏觀腐蝕、硬度試驗(yàn)。其中橫向拉伸和全焊縫拉伸的抗拉強(qiáng)度結(jié)果介于母材同厚度下規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度520 MPa和最大抗拉強(qiáng)度680 MPa 之間，全焊縫拉伸屈服強(qiáng)度大于母材同厚度下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度420 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥20%；彎曲試樣未發(fā)現(xiàn)缺陷或缺陷長(zhǎng)度總和不超過3 mm；沖擊位置選取焊縫中心、熔合線（直邊位置）、熔合線+2 mm（直邊位置）、熔合線+5 mm（直邊位置）、焊縫中心（根部位置）、熔合線（根部直邊位置）、熔合線+2 mm（根部直邊位置）、熔合線+5 mm（根部直邊位置），沖擊結(jié)果滿足均值≥47 J，單值≥35 J。

對(duì)試件3 進(jìn)行橫向拉伸、彎曲、-40 ℃沖擊、宏觀腐蝕、硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分別參考EN 4136［9］、EN 5173［10］、EN 9016［11］、EN17639［12］、EN 9015［13］。其中橫向拉伸和的抗拉強(qiáng)度結(jié)果介于母材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度535 MPa和最大抗拉強(qiáng)度760 MPa之間，彎曲試樣未發(fā)現(xiàn)缺陷或者缺陷長(zhǎng)度總和不超過3 mm；沖擊位置選取焊縫中心、熔合線（直邊位置）、熔合線+2 mm（直邊位置）、熔合線+5 mm（直邊位置），沖擊結(jié)果滿足均值≥47 J，單值≥35 J。

試件1、2、3 的拉伸、彎曲及沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表9～表12所示。EEMUA 158和DNV C401要求的硬度測(cè)試位置不同，如圖10、圖11所示，三個(gè)試件的硬度測(cè)試按照EEMUA 158 要求執(zhí)行，然后按照DNV C401要求補(bǔ)充硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表13所示，數(shù)值均低于325 HV10。三個(gè)試件的所有理化實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足EEMUA 158及DNV C401的相關(guān)要求。

圖10 EEMUA 158要求硬度測(cè)試位置Fig.10 Hardness test position in EEMUA 158

圖11 DNV C401要求硬度測(cè)試位置Fig.11 Hardness test position in DNV C401

表9 試件1、試件2和試件3焊接接頭的拉伸性能Table 9 Tensile property of specimen 1， 2 and 3 welding joints

表10 試件1、試件2和試件3焊接接頭的彎曲性能Table 10 Bend property of specimen 1， 2 and 3 welding joints

表11 試件1、試件2焊接接頭的沖擊性能（-40 ℃）Table 11 Impact property of specimen 1， 2 welding joints（-40 ℃）

表12 試件3焊接接頭的沖擊性能（-40 ℃）Table 12 Impact property of specimen 3 welding joints（-40 ℃）

表13 試件1，2，3焊接接頭的硬度（HV10）Table 13 Hardness of specimen 1， 2 and 3 welding joints （HV10）

2.6 焊接注意事項(xiàng)

基于EEMUA 158 和DNV C401 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，針對(duì)最小屈服強(qiáng)度460 MPa 級(jí)別碳鋼的焊態(tài)下單面對(duì)接焊（焊條電弧焊SMAW 打底，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊FCAW-G填充蓋面）焊接工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)過程中，存在以下注意事項(xiàng)：（1）預(yù)熱溫度按照ISO 17671-2 要求執(zhí)行，試件1 和試件2 預(yù)熱溫度50 ℃以上，試件3預(yù)熱溫度30 ℃以上。（2）記錄焊道最大寬度，SMAW 最大焊道寬度不超過3 倍焊條直徑；FCAW-G 最大焊道寬度不超過17 mm；（3）SMAW焊道需要記錄每根焊條的行走長(zhǎng)度，從而計(jì)算出焊條的平均行走長(zhǎng)度ROL；（4）FCAW-G 焊道需要記錄送絲速度和保護(hù)氣體流速；（5）整個(gè)焊接過程需要將層間溫度控制在250 ℃以內(nèi)；（6）蓋面前將層間溫度降低到最小預(yù)熱溫度，再進(jìn)行蓋面焊接；（7）FCAW-G焊接過程中不得更換焊絲直徑。

3 結(jié)論

本文分析了EEMUA 158 與DNV C401 標(biāo)準(zhǔn)下S460級(jí)別結(jié)構(gòu)鋼對(duì)接焊焊接工藝評(píng)定的詳細(xì)要求，并基于EEMUA 158與DNV C401雙標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同壁厚和不同供貨狀態(tài)的管材和板材，開展S460級(jí)別碳鋼的焊態(tài)下單面對(duì)接焊工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)，三組試驗(yàn)結(jié)果均滿足EEMUA 158與DNV C401雙標(biāo)準(zhǔn)要求，并取得DNV挪威船級(jí)社的認(rèn)證。（1）針對(duì)EEMUA 158與DNV C401標(biāo)準(zhǔn)要求逐條對(duì)比分析異同點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際需求選取焊接工藝評(píng)定試件母材的牌號(hào)、尺寸和焊接位置。（2）在焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)過程中，應(yīng)對(duì)預(yù)熱溫度、焊道寬度、焊條行走長(zhǎng)度、送絲速度、層間溫度等要求特別關(guān)注和控制，避免形成的焊接工藝規(guī)范WPS參數(shù)范圍過窄限制施工的情況。（3）進(jìn)行理化試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)兼顧EEMUA 158 與DNV C401 雙標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)選取要求較嚴(yán)格的執(zhí)行，針對(duì)硬度試驗(yàn)可以采取雙試樣方式分別按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。