海洋工程用钢的焊接技术现状及发展

2011-08-15邹家仁钱建民李华其

江苏船舶 2011年3期

邹家仁，钱建民，李华其

(1.宁波奥凯钢结构工程有限公司，浙江宁波 315400;2.江苏科技大学，江苏镇江 212003)

0 引言

世界上70%的油气资源蕴藏于海洋，目前已探明的海洋油气资源的80%以上在水深500 m范围内。海洋油气资源开发中的海洋平台的建造已经成为世界各国的焦点。海洋平台用钢板一般具有高强度、高韧性，良好的抗层状撕裂、焊接性和耐腐蚀性等性能。近年来，随着我国国力的增强、科技的发展，大型的海洋平台得到了迅速的发展，我国的海洋油气开采正从大陆架走向深海，海洋平台的建造需要更高强度的平台用钢。对于高强度、大厚度的海洋平台用钢，合理的焊接技术不仅可以保证平台的质量，还可以有效地提高平台的建造效率。

1 海洋平台用钢

1.1 海洋平台用钢分类

目前，我国没有具体的海洋平台用钢标准，主要使用的海洋平台标准有EN10225、API、BS7191以及船舶标准，主要交货方式为TMCP(热机械轧制)、正火及调质态。

国际海洋平台用钢主要级别为355、420、460 MPa。主要牌号为355 MPa级的EN10225的S355、API的 API2H250、API2w250、BS7191 的 350EM，船标的 E36;420 MPa级的 EN10225的 S420、API的API2Y260、API2w260，船标的 E40、E420;460 MPa级的EN10225的S460，船标的E460。

国内海洋平台用钢主要牌号为A、B、D、E(Z15，Z25，Z35)、AH322 －FH32(Z15，Z25，Z35)、AH362－FH36(Z15，Z25，Z35)、AH402 － FH40(Z15，Z25，Z35)、API2H、Cr42、Cr50 等。

1.2 海洋平台用钢的特性及成分

1.2.1 海洋平台用钢的特性

海洋平台是开发海洋资源的超大型焊接钢结构，支撑着数百吨的平台和钻井设备。海洋平台处在复杂、多变的海上，应用环境比较恶劣，要考虑到风载荷、波浪载荷、海流载荷、地震载荷等影响。这些特性要求海洋平台用钢拥有更高的强度，更厚的规格，更好的抗层状撕裂、耐腐蚀性以及低温韧性。

(1)高强度

随着深海油气资源开发进一步加强，普通的355 MPa级和420 MPa级的平台用钢已经不能满足建造的要求，这就必然要求平台用钢具有更高的强度。我国首座3000 m深水半潜式钻井平台所用的平台用钢的强度达到了700 MPa。

(2)厚规格

随着海洋平台大型化，设备日益增多，使得平台用钢的厚度也逐渐在加厚。某钢集团生产出的海洋平台用调质高强钢A514CrQ的厚度达到了215 mm。

(3)良好的抗层状撕裂性能

海洋平台用钢不同于一般的船用钢，其要求具有良好的抗层状撕裂性能。

(4)良好的耐腐蚀性

海洋平台长期服役于海上，易受到海水及海洋生物的侵蚀而产生剧烈的电化学腐蚀。这些腐蚀降低了结构材料的力学性能，缩短了其使用寿命。平台服役周期长，远离海岸，不能像船舶那样进行定期的维修和保养，这就要求海洋平台用钢具有良好的耐腐蚀性能。

(5)良好的低温韧性

随着海洋平台建造技术的提高，油气资源开发的区域日益扩大，海上环境日益复杂多变，这就对平台用钢的低温韧性提出了更高的要求。迪林根开发的用于北极圈库页岛的S450钢在－60℃时冲击功超过300 J。

1.2.2 海洋平台用钢的成分设计

目前，海洋平台已经使用了TMCP钢，这是由安全性和焊接成本所决定的。使用TMCP技术生产的海洋平台用钢可以有效地降低其碳当量，提高平台用钢的焊接性。但是，较低的碳当量又会导致其强度不足。一般平台用钢会加入铌、钒、钛进行微合金化，充分发挥微合金元素细化晶粒、沉淀强化的作用，保证钢板具有足够的强度和良好的韧性。平台用钢对低温韧性有着很高的要求，加入适量镍元素可以有效地提高其低温韧性。平台用钢具有很高的纯净度，在其冶金的过程中大大降低了硫、磷元素及一些杂质，使其获得了良好的抗层状撕裂的性能。

1.3 海洋平台用钢的焊接性

金属焊接性是指金属能否适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性包括两个方面:一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性;二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。也可以认为，焊接性不仅要考虑到金属的结合性能，而且还要考虑到焊接后的使用性能。一般情况在分析焊接性的时候，十分重视具体工艺条件，也就是说要着重于分析“工艺焊接性”。

采用什么样的方法对焊接性进行评定取决于实际的使用情况，其中最常用的方法是用碳当量来确定。碳当量是衡量淬硬性的指标，可由钢中的化学成分算出来。另一个重要参数是裂纹敏感指数，这可以确定钢的预热温度及层间温度。海洋平台用钢大部分是TMCP钢，其碳含量很低，但是其含有一定量的合金元素，这些合金元素在焊接接头中会导致过度硬化，从而增加冷裂纹敏感性。

1.3.1 焊接冷裂纹

冷裂纹分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。一般所讲的冷裂纹大部分是指延迟裂纹。延迟裂纹又与钢材的淬硬组织、接头中的含氢量以及接头所处的拘束应力状态有关。在进行海洋平台用钢焊接时，由于这些高强钢都是大厚度的，所以焊接时拘束比较大，而且这种钢大部分都是经过TMCP处理的。经过TMCP处理后，氢在高强钢母材、热影响区、焊缝中的溶解度依次加大。在母材中，氢扩散的主要路径为等轴铁素体，铁素体渗碳体(珠光体)等区表面的晶粒边界上;在热影响区，氢扩散的主要路径为针状或板条状贝氏体区表面的晶界上;在焊缝中，氢扩散的主要路径为铁素体，针状铁素体边界区的断晶边界上。可见在稍有缺陷的焊接接头上，氢极易聚集，诱发氢致裂纹，所以这种钢的焊接易产生冷裂纹。

1.3.2 热裂纹

海洋平台用钢一般含碳量较低，含锰量较高，且含磷、硫杂质控制较严，因此热裂纹的倾向较小。

1.3.3 焊接热影响区HAZ的韧性

HAZ中韧性的恶化是由于在较大的焊接线能量下HAZ晶粒粗化导致的。从1983年开始就一直有人关心用高强度厚钢板制造的海洋采油平台钢中焊缝的HAZ韧性。海洋平台用钢常使用铌、钒作为合金元素进行微合金化，但是铌、钒曾被许多专家认定是对HAZ韧性有害的元素，这就使得平台用钢在高热输入焊接时实现良好的焊接HAZ韧性成为问题。在海洋平台用钢的焊接过程中，规定最高HAZ许用硬度已经非常普遍，约为300 HV10。

2 海洋平台用钢的焊接技术

2.1 海洋平台用钢的焊接现状

2.1.1 焊接方法

目前，在我国船厂，海洋平台用钢常用的焊接方法主要有手工电弧焊，二氧化碳气体保护焊，保护药芯焊丝气体保护焊，部分使用埋弧焊。

2.1.2 焊接材料

对于焊接材料的选择，要求所得焊缝金属的机械性能应接近于母材的机械性能，一般采用“等强匹配”。但是对于一些大厚度，强度级别更高的海洋平台用钢，往往会采用“低强匹配”。在不影响其整体机械性能的情况下，通过牺牲一定的强度，来获得比较好的焊缝韧性。焊条电弧焊进行焊接时，经过TMCP处理的海洋平台用钢对延迟裂纹有一定的敏感性，一般选用低氢焊条。药芯焊丝是焊接海洋平台用钢理想的材料，通过混合气体的保护，一方面降低了气体保护焊所带来的飞溅问题，另一方面又提高了焊接的效率。

2.2 海洋平台用钢焊接技术的发展趋势

随着深海油气资源的开发，我国海洋平台的建造技术必然会有长足的发展，进而海洋平台用钢的焊接技术也必然会快速的发展。

焊条电弧焊在工艺和应用上可以满足海洋平台用钢的焊接要求。但是，焊条电弧焊存在着耗能大、污染严重、工作环境恶劣、生产效率低等缺点，制约了海洋平台的建造周期。药芯焊丝气体保护焊热输入集中，效率高，熔池保护好，易于实现，是现阶段船厂广泛使用的一种焊接方法。随着海洋平台用钢厚度的不断增加，埋弧焊和气电立焊可以快速提高生产效率，可以有效改善海洋平台用钢的焊接现状。由于海洋平台用钢都是大厚度钢板的焊接，窄间隙焊接能量集中，可以减少海洋平台用钢坡口的处理，是未来海洋平台用钢焊接的发展方向。复合焊接方法可以集中利用各种焊接方法的优点，提高海洋平台用钢的焊接效率。随着船厂自动化设备的普及，激光焊接和机器人焊接也可以应用到海洋平台用钢的焊接。