海洋工程结构焊材选用浅述

2016-01-28李玉鹏

大科技 2016年24期

关键词：电弧焊焊接设备焊材

李玉鹏

（中海油安全技术服务有限公司天津 300452）

海洋工程结构焊材选用浅述

李玉鹏

（中海油安全技术服务有限公司天津 300452）

结合工作中所积累的一些经验，对海洋工程中，结构焊材的选用作了一些简要分析，希望能为同行业提供参考借鉴。

海洋工程；结构焊材

1 海洋工程关键材料焊接现状

钢铁材料的焊接技术：

（1）焊接方法及工艺现状

海洋工程用钢铁主要分为：海洋平台、海底油气管线、舰船制造、海洋风力发电用钢铁材料等，如海洋平台桩腿齿条钢使用的Q690、海底油气管线使用的X65/70钢、舰船制造使用的EQ56/70钢、LNG船使用的殷瓦钢等。现阶段，欧美、韩国、新加坡等海洋工程装备制造强国已经掌握钢铁材料的先进焊接制造技术，也是世界范围内相关技术的引领者。国内海洋工程装备制造中的普通钢结构件焊接工艺已较为成熟，但重要结构件的特殊钢材的焊接工艺整体水平还有待提升。国内针对海洋工程装备用钢铁材料的焊接方法依然以传统焊接方法为主，包括手工电弧焊（SMAW）、药芯焊丝电弧焊（FCW）、钨极氩弧焊（GTAW）、埋弧自动焊（SAW）、气电立焊（EGW）、焊剂铜衬垫单面焊（FCB）等，其中手工电弧焊、埋弧自动焊、药芯焊丝电弧焊是现阶段海工装备制造企业广泛使用的焊接方法。随着海洋平台用钢材强度和厚度的增加，高强度钢板在海洋工程装备制造中的应用比例逐渐升高。目前国内大厚板高强钢的焊接仍采用手工电弧焊或半自动药芯焊丝电弧焊方法，自升式平台桩腿齿条板Q690钢的焊接仍以手工电弧焊为主。因海工装备制造用高强度钢板均有一定厚度，手工电弧焊的工艺复杂，同时厚板的清根亦十分繁琐，使得整体焊接效率不高。在劳动力成本高企不下的情况下，促使企业寻求更为高效的焊接方法和工艺。窄间隙焊接技术因其能显著提高焊接效率，节省焊接材料，近年来成为海洋工程装备大厚板焊接技术的热点和发展趋势。此外，复合焊接方法（激光电弧复合，等离子电弧复合等）因可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，且随着自动化程度的提高，也日益受到海洋平台用钢铁材料焊接制造的青睐。

（2）焊接材料现状

海洋工程结构对焊接材料的选用要求苛刻，不仅需取得相关船级社的认可，还必须满足海洋工程的特殊性能要求，在具有优良的焊接操作工艺性能前提下，在大厚度板拘束度高的情况下，应具有良好的抗裂性能，并保证焊缝金属具有优良的低温韧性及断裂韧性（CTOD）。目前，国内海工装备普通结构的焊接主要使用国产焊材，重要特殊结构材料的焊材仍依赖进口。如船体普通结构件的EH36/DH/36等钢的焊接主要使用国产焊材，40kg级以上船体结构钢、海洋平台桩腿齿条钢Q690、海工半潜船的E690钢、LNG船的双向不锈钢、殷瓦钢及焊剂铜衬垫埋弧自动单面焊（FCB）、气电自动立焊等焊接均使用国外品牌焊材。主要是因为国产海工配套焊材整体质量稳定性不足，品种不齐全，更缺乏海工结构所需要的接头断裂韧性、热处理后的接头性能和完整的焊接工艺参数。欧美、日韩等国在海洋工程建设方面起步早，钢材、焊材等方面研发投入较深，因此产品线齐全，有各级别的配套焊材。海洋工程用钢一般需要采用低氢焊材进行焊接，因此采用无缝药芯焊丝焊接是发展趋势，其氢含量＜5mL/100g，抗吸湿性好，即使长期存放在潮湿环境下，无需烘干即可使用，但目前国内还很少生产无缝药芯焊丝。

2 焊材选用分析

2.1 焊接材料

海洋工程用国产高端焊接材料缺乏，产品质量稳定性随着国内焊接材料的不断发展，市场已有满足海洋工程使用的普通焊接材料，但其在质量稳定性和焊接操作工艺性能上与进口焊接材料仍存在一定差距。此外，国产海工焊接材料还存着产品种类不全，高端焊接材料匮乏的问题，如缺乏与EQ47以上等级钢材、特殊材料（殷瓦钢、铝合金、钛合金等）相匹配的焊接材料。分析其原因，一方面是海洋工程在建造质量的控制程序上远远高于普通船舶的建造，对焊接材料要求比普通船舶更为苛刻，使得国内高端海工焊接材料研发难度较高：另一方面国内焊材企业进入海工领域时间不长，技术积累与产品知名度与国外大厂商有一定差距，导致国产焊接材料市场推广应用困难，阻碍产品质量进一步提升。

国产高效焊接工艺配套用焊接材料发展相对滞后目前国内海工装备制造企业为提高焊接效率，已逐渐开始使用多种高效焊接工艺，如气电自动立焊（单丝/双丝）、FCB（焊剂铜衬垫）埋弧自动单面焊平面分段流水线、双丝/多丝MAG（熔化极活性气体保护电弧焊）焊等，此类高效焊接设备多从国外引进，其配套焊接材料亦使用进口焊材。国产配套焊材厂商需在吸收和消化焊接工艺后，再进行产品研发，导致国产配套焊材发展相对滞后，无法及时满足配套焊材国产化需求，阻碍高效焊接工艺在海工装备制造中的大规模应用。

铝合金、钛合金等有色金属焊材缺乏随着有色金属材料在海洋工程领域的大量应用，对有色金属焊材的需求与日俱增，但国内有色金属焊材的研发还处于起步阶段，尤其缺乏目前海工装备制造急需的铝合金、钛合金焊材。如铝合金船舶大量使用的5083铝合金、在国内潜舰、钻井管等使用的TC4钛合金焊接均需使用大量进口焊材，价格昂贵，且国内尚无替代性产品，制约高性能有色金属在海工装备制造中的推广应用。

2.2 焊接工艺

高强钢焊接工艺复杂，焊接效率较低海洋石油平台高强钢的焊接多采用手工电弧焊，尤其在管子节点等关键部件焊接上使用。此类节点多为拘束度大、应力集中的重要结构，因其构件密集、狭小和焊接位置多样化，导致焊接施工困难，焊接的机械化程度也受到一定限制。另一方面，高强钢对焊接热影响区的淬硬性和焊接裂缝敏感性较高，要求对预热温度、层间温度、焊接热输入和焊后冷却速度等进行严格控制，使得高强钢焊接工艺复杂，难以实现高效率的焊接自动化。大厚度高强钢焊接结构件刚性大，焊后残余应力高，变形难以控制大厚度高强钢焊接时采用手工电弧多层多道焊，其焊接热输入量大，且海洋工程焊接件的结构尺寸大，使得焊后残余应力高，变形难以控制。基于海工装备服役的特殊环境，其对焊接接头性能要求较高，若结构件尺寸变形较大，会导致不能满足尺寸要求及装配精度，增加复杂的后续加工，甚至致使整个结构件报废。此外，焊接过程中产生的残余应力峰值及分布情况将直接影响结构件的性能及服役时间。铝合金焊接易产生气孔，变形控制比钢结构难度大和钢材相比，铝合金在焊接过程中，凝固点的溶解度会急剧下降，且由于铝的导热性强，导致冷却速度快，不利于气泡的浮出，导致焊缝容易产生气孔。此外，由于铝合金的导热率大，使得在焊接过程中工件热量分布不均匀，易产生不同程度的收缩和内应力（纵向内应力和横向内应力），致使焊接结构产生各种变形，加大变形控制难度。

2.3 焊接设备及生产

焊接自动化水平较低，机器人焊接设备匮乏目前海工装备制造使用的焊接设备仍以手工电弧焊、CO2半自动焊和埋弧焊机为主，专用的机器人焊接设备缺乏，且对大厚板高强钢的加工装配能力欠缺，整体自动化水平较低。

缺乏对焊接设备与焊接质量的信息化、智能化控制，焊缝质量稳定性不足普遍缺乏对生产线焊接设备信息化、智能化控制，各焊接部件信息量的传递十分有限，难以实现复杂的焊接工艺协调控制。且在焊接生产中主要对焊后的焊缝质量进行检测，缺乏对焊接过程的在线质量监控，难以保证焊缝质量的重现性，也无法实现在焊接过程中实时优化工艺参数，以获得最优的焊缝质量。