海洋平台焊接缺陷分析与解决对策

杨明明

摘要：海洋石油开发逐渐由浅海向深海区域发展，由温暖海区域向低温寒冷海区域发展。海洋钻井平台（drilling phtform）是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施是海上油气勘探开发不可缺少的手段。海洋平台往往要经受各种气候条件和风浪的袭击，遭受海水的腐蚀，工作环境非常苛刻。其次，海洋工程结构大型化趋势显著，结构复杂，焊接工作量大，节点焊接本来就很困难，加之应力集中程度高，其结构处于更危险的状态，且随着结构大型化，导致构件厚度增加，在海洋平台焊接时，其要求也越来越高，海洋结构物的结构强度要求焊缝保证一定的强度，能承受强风浪的冲击，如果焊接接头存在严重的焊接缺陷，在恶劣的环境下，就有可能造成部分结构断裂。

关键词：海洋钻井平台；移动式平台；固定式平台；固定式平台；焊接缺陷

海洋钻井平台（drilling platform）是主要用于钻探井的海上结构物：平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。海洋平台包括：（1）移动式平台：坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台；（2）固定式平台：导管架式平台、重力式平台。本文针对海工高强度钢在焊接时易出现的缺陷。本文分析了海洋平台桩腿固定式平台制造中焊接问题，重点对裂纹、晶粒长大引起的冲击韧性下降，热影响区软化等缺陷问题进行分析并提出解决对策。

1施工焊接工艺

1.1裂纹。（1）碳当量。碳当量是判断构件产生裂纹的主要数据。500MPa级超高强钢的CE值平均在0.6左右，这说明存在着很强的淬硬倾向，钢中的淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。这样情况下，钢在淬硬以后形成脆硬的马氏体组织，而金属的强度理论表明，马氏体是一种脆硬的金属组织，自身的特性决定发生断裂时只需消耗较低的能量，因此，焊接节点处有马氏体的存在，裂纹便形成和扩展，造成损失。另外，钢淬硬后产生很多的晶格缺陷，主要是空位和位错。在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹，导致结构报废。（2）氢作为引起焊接冷裂纹的重要因素之一，具有延迟的特性。当焊缝中氢的浓度升高到一定数值时，应力的作用促使产生裂纹。这种裂纹具有滞后性，所以产生的破坏性也就更大。一般在热影响区氢致裂纹出现比较多，而超高强度钢焊缝的合金成分复杂，焊接时热影响区的组织转变先于焊缝，氢从热影响区扩散到焊缝，延迟裂纹就此产生在焊缝上。（3）超高强钢焊接时产生冷裂纹的另一个决定。焊接节点处的应力状态，在某些特定状态时，还起决定性的作用。焊接节点处所承受的拘束应力还有不同温度加热和冷却过程中所产生的热应力和金属进行相变时产生的组织应力。

1.2冲击韧性的下降。高强度钢都存在一个冲击韧性最佳的冷却时间过小或过大都会使冲击韧性下降。冲击韧性下降原因是由于全部获得马氏体，引起脆化原因除奥氏体晶粒粗化引起的脆化外，主要原因是由于上貝氏体和块状的M-A组元也是使冲击韧性下降的一个重要因素。

1_3热影响区的软化。高强度钢普遍存在热影响区软化问题，这种影响对焊后不再进行调质处理的低碳钢来说尤为重要。钢材屈服强度级别越高，这类问题越突出，尤其是500 MPa以上级别的超高强度钢。

2解决对策

2.1焊前预热。可通过预热来降低马氏体转变时的冷却速度，同时也是通过马氏体的回火作用来提高抗裂性。预热温度一般控制在2000以内，否则不仅对防止裂纹起不到作用，相反还会使冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度，使焊接热影响区韧性大大降低。

2.2选择适当的焊接材料。氢除了来源于焊接材料中的水、焊件坡口处的铁锈、油污以及环境湿度等因素以外，主要是来自焊接材料。而超高强度钢的焊接是需要使用低氢焊接材料的。低氢型焊条在发放之前必须进行烘干。焊剂必须干燥且未受污物、氧化皮或其它外来物的污染。焊剂必须在使用前以不低于260度烘干1 h，并在手感温热的时候使用。

2.3线能量的控制。选用小线能量方法，就是多层小焊道焊缝，根据焊接材料厚度127mm或154mm桩腿焊接焊道层数约为30层以上，不仅可使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性，还可以减小焊接变形。对于焊接接头熔合线处最薄弱的粗晶区冲击韧性的影响很大，如果控制在10～30 s之间，则熔合线处粗晶区能保证很好的冲击韧性，甚至比母材还好。

2.4严格控制层间温度。层间温度起着与预热同样的作用。最小层问温度为75度，最大为200度也就是说，层问温度最小控制在预热温度的下限，而最大层间温度也不能过高。

2.5焊后热处理。超高强钢的合金化原理就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织。低碳贝氏体组织比相同含碳量的铁素体一珠光体具有更高的强度，因此，低碳贝氏体组织的屈服强度可以达到为450～800MPa。冷却速度不能过快。目的有利于氢的逸出，防止冷裂纹，保证焊接强度。

2.6施焊工艺控制。分别采用手工电弧焊、埋弧自动焊及药芯焊丝电弧焊相结合的方式进行焊接。并采取多层多焊道的焊接方式。对于对接焊和全焊透的角焊缝，在焊接之前要进行50～100度预热，且在多层多道焊时，每道焊缝层问温度要控制在100～150度之间，每条焊缝要尽量一次性连接不断地焊完，不能因为外界因素影响而间歇进行操作，这样才能保证层问温度。在多层多道焊时，下一道焊缝焊接之前要对前一道焊缝进行敲渣和适量的打磨，并进行100%目检，在确保没有任何缺陷后才能进行下一道焊缝的焊接工作，否则要及时消除缺陷才能继续焊接。

2.7检验。对于焊接质量的检验方法一般分无损检验和破坏检验两大类，根据技术要求和有关规范的规定，无损检验方法需对产品进行外观检查、密性试验和无损探伤等。主要针对焊缝表面咬口、气孔、夹渣、焊接裂纹、弧坑、焊瘤以及焊缝的外形尺寸和形状不符合要求等外部缺陷。进行无损探伤分渗透检验、磁粉探伤、超声波探伤和射线照相探伤。破坏检验方法是用机械方法在焊接接头上截取一部分金属，加工成规定的形状和尺寸，然后在专门的设备和仪器上进行破坏试验，依据试验结果，可以了解焊接接头性能及内部缺陷情况，判断焊接工艺正确与否。