海洋工程用E690高强钢焊接工艺研究

2021-10-29李风波潘川杨文华梅飞强

金属加工(热加工) 2021年10期

李风波，潘川，杨文华，梅飞强

1.钢铁研究总院北京 100081

2.中远海运重工有限公司上海 200086

1 序言

世界海洋油气资源数量约占全球油气资源总量的34%，主要分布在“三湾、两海及两湖”，其中55%～70%的海上石油储量在水深＜200m的大陆架范围内[1]。从1897年美国最先用木栈桥打出世界第一口海上油井后的一个多世纪以来，随着焊接、电子计算机技术、钢铁、造船及机械工业的发展，使海洋平台具有结构复杂、体积庞大、造价昂贵，能够适应各种恶劣工况的特点[2]。

自升式钻井平台作为大陆架石油开采的主要装备，依靠数根桩腿不仅支撑着数百吨重的平台及设备，而且还要承受风、浪、流、地震等复杂多变的载荷，正是由于结构及工作工况的特殊性，所以桩腿结构的焊接成为自升式钻井平台建造中的重中之重。本文针对桩腿结构中的关键材料——屈服强度为690MPa级的海洋工程用高强韧钢的焊接工艺进行研究[3]。

2 试验材料及分析

2.1 试验材料

试验用钢板为进口E690海洋工程用调质态高强板（厚度177.8mm），其化学成分及力学性能分别见表1、表2。焊材为自行研制的金属粉药芯焊丝，化学成分及力学性能分别见表3、表4。

表1 钢板的化学成分（质量分数）（%）

表2 钢板的力学性能

表3 金属粉药芯焊丝化学成分（质量分数）（%）

表4 金属粉药芯焊丝力学性能

2.2 材料分析

海洋工程用E690高强钢具有很高的屈服强度和抗拉强度，良好的缺口韧性、抗腐蚀性。通常在满足强度要求且不提高碳含量的前提下，适量添加Ni、Cr、Mo、V、Cu等元素改善其淬透性和抗回火软化的倾向，通过调质处理形成以回火索氏体或回火贝氏体为主的强韧化显微组织。通过化学成分分析计算、冷裂纹敏感性试验发现有一定的淬硬倾向，在焊接时容易出现冷裂纹、韧性下降等问题。

（1）冷裂纹

1）按照日本工业标准（JIS），强度级别在500～1000MPa调质低合金高强钢碳当量公式（Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14）计算，该钢的碳当量达0.61%，表明其焊接热影响区淬硬倾向较大，有较强的冷裂纹敏感性。一方面，钢淬硬之后形成脆硬的马氏体组织，从金属的强度理论可知，马氏体是一种粗大晶粒的脆性组织，断裂时总是消耗较低的能量，因此焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展；另一方面，钢淬硬倾向增大，导致位错密度大幅度增加，相当于增加了许多先天性的裂纹源，在应力的作用下不断扩展，最终形成宏观裂纹[4]。

2）氢致裂纹作为一种最主要、最常见的冷裂纹形式，是低合金高强钢焊接的主要问题，具有延迟性。当焊缝中氢的浓度达到一定限值后，在应力的作用下就会产生裂纹。氢致裂纹一般出现在热影响区，但是在焊接E690高强钢时，由于焊缝的合金成分复杂，热影响区的组织转变可能先于焊缝，此时氢就从热影响区向焊缝扩散，导致裂纹经常发生在焊缝上。

3）高强钢焊接时冷裂纹的产生，不仅取决于钢本身的淬硬倾向和氢的有害作用，还取决于焊接接头的应力状态，甚至在某些情况下，应力状态还起决定性的作用。焊接接头的拘束应力包括不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力和金属相变时产生的组织应力[5]。

综上所述，海洋工程用E690高强钢焊接时，产生冷裂纹的机理在于钢材淬硬之后，受氢的诱发和促进使之脆化，在拘束应力的作用下形成了裂纹。

（2）晶粒长大引起的冲击韧度的下降在焊接时，焊缝两侧的各个不同位置经历着不同的焊接热循环，离焊缝边界越近，其加热的峰值温度越高，且加热速度和冷却速度也越快。在焊接热循环作用下，焊缝两侧母材的组织和性能发生明显的改变。这一区域随着焊缝熔合线距离、加热峰值温度的不同，又可分为过热区（粗晶区）、正火区（细晶区）及不完全相变区（混合区）。在这三个区域中，过热区（晶粒长大严重）和不完全相变区（M-A组织存在）往往韧性较差，是焊接接头的薄弱环节[6]。

高强钢焊接都存在一个韧性最佳的冷却时间t8/3，t8/3过小或过大都会使韧性下降。t8/3过小时，韧性下降是由于焊缝金属全部转变为马氏体组织导致的；当t8/3增加时，除了奥氏体晶粒粗化引起的脆化外，主要是由于生成了上贝氏体和块状的M-A组元，如图1、图2所示。此外，焊接热输入量及层间温度也是影响焊接热循环过程的主要变量，因此焊接热输入及层间温度也是影响焊接接头低温韧性的重要因素。

图1 海洋工程用E690高强钢焊接连续冷却组织转变

图2 海洋工程用E690高强钢t8/3与HAZ组织组成关系

3 焊接性试验

由材料分析可知，海洋工程用E690高强钢冷裂敏感性较高，为了获得良好的焊缝质量，应从两方面加以控制[7]：①控制HAZ（焊接热影响区）硬度值。②控制残余扩散氢。根据NOSOK及DNV海工规范可知，该钢种焊接时应采用低氢焊条（HDM≤5mL/100g），在试验中采用焊丝扩散氢含量为5mL/100g。

3.1 预热及层间温度

预热是防止冷裂纹产生的有效措施之一。一方面，降低焊接接头的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢逸出，可避免氢致裂纹；另一方面，也能改善组织，减少焊接应力，降低焊接结构的拘束度。根据插销试验、斜Y形坡口焊接裂纹试验以及最高硬度试验数据并结合现场实际，将预热温度设定为100～145℃。

为了保证接头的低温韧性、避免焊缝及热影响区晶粒过度长大，必须严格控制层间温度。综合考虑施工的经济性、便利性因素，将层间温度控制在150～210℃。

3.2 坡口形式

考虑工程的实际状况及材料的特殊性，为了降低焊接变形量，采用45°双V形坡口，如图3所示。

图3 坡口形式

3.3 焊接参数

热输入量为单位长度焊缝上由电弧或其他热源所输入的热量，是影响焊接热循环的主要因素，也就是说当焊接材料及焊接方法一定时，焊接接头的组织和性能主要取决于焊接热输入量的大小。如果热输入过大，则会导致焊缝及热影响区的组织粗大、韧性下降；如果热输入过小，则容易出现未焊透或因冷却速度过快而产生淬硬组织，降低接头的塑性。根据前期的冷裂纹敏感试验结果，海洋工程用E690高强钢热输入量控制在2.4kJ/mm以内时接头性能比较优良，具体焊接参数见表5。

表5 焊接参数

4 试验结果与分析

4.1 拉伸试验

拉伸试验是将拉伸试样固定在WEW-1000型万能试验机上，然后对其施加拉应力，造成试样轴向伸长变形直至被拉断为止，是衡量焊接接头强度的主要指标。根据DNV海工规范，每个试件上取2个拉伸试样进行试验，结果见表6。

表6 拉伸试验结果

由于焊材的强度与母材等匹配，即使在焊接过程中存在合金元素的烧损，使强度略有下降，试验结果仍满足DNV 海工规范不低于该级别最低抗拉强度（770MPa）的要求[8]。

4.2 弯曲试验

弯曲试验是检验焊接接头承受变形的能力，同时也可以反映出接头各区域的塑性差别，暴露焊接缺陷和考核熔合线的质量。将加工好的标准弯曲试样在WEW-1000型万能试验机上进行弯曲试验，根据DNV海工规范，在焊接接头上取4个侧弯试样进行弯曲试验，弯曲变形时所承受大的拉伸变形的部位为焊接HAZ部分，虽然该部位晶粒有所长大，局部强度有所下降，但由于晶粒为相变重结晶和不完全相变重结晶区的等轴晶，相当于材料的正火或退火组织，其塑性反而比母材好，因而弯曲变形时抵抗破坏的能力较大，试验后试样弯曲部分外侧无裂纹及其他缺陷，满足规范要求。