中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程公司 （山東青島 266555) 王志堅(jiān)

天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 （300072） 王東坡

為了確保大厚度鋼板制造海洋石油平臺(tái)的抗脆斷能力，一般在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮采用焊后消應(yīng)力熱處理的方法改善焊接接頭部位的抗斷性能。

大量施工經(jīng)驗(yàn)表明：進(jìn)行接頭焊后消應(yīng)力熱處理，不僅設(shè)備投入多、施工條件惡劣、能源消耗量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、工期過(guò)長(zhǎng)，而且厚板焊接接頭經(jīng)過(guò)焊后熱處理有可能產(chǎn)生二次缺陷，同時(shí)需要進(jìn)行二次無(wú)損檢測(cè)，從而導(dǎo)致海洋工程結(jié)構(gòu)的建造成本和周期大幅增加。因此，如何選擇焊接方法、材料及工藝是一個(gè)關(guān)鍵，在保證所建造海洋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的前提下，可以免除厚板的焊后熱處理，使海洋平臺(tái)的建造成本和周期大幅下降。然而,對(duì)于大厚度鋼板,能夠免除焊后熱處理的前提是它的焊接接頭不經(jīng)過(guò)消應(yīng)力熱處理就有足夠的抗脆斷性能，因此如何合理準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)這種海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭的低溫韌性是問(wèn)題的關(guān)鍵。

本文通過(guò)JZ9-3項(xiàng)目80mmE36材料焊縫的低溫?cái)嗔秧g性研究，通過(guò)對(duì)焊接工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了該項(xiàng)目設(shè)計(jì)溫度－25℃環(huán)境條件下的低溫?cái)嗔秧g性要求，免除了>50mm板焊后熱處理的工作，為今后相關(guān)項(xiàng)目提供了科學(xué)依據(jù)。

1.焊接工藝方法選擇

JZ9-3導(dǎo)管架建造項(xiàng)目最大板厚為80mm，CTOD試驗(yàn)溫度為－25℃，CTOD值≥0.15mm，根據(jù)項(xiàng)目建造工期要求進(jìn)行焊接工藝的選擇。

（1）E36—Z35鋼板性能 E36屬于船用鋼板，按照GB712—2011 E36—Z35標(biāo)準(zhǔn)制造，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性和焊接性，JZ9-3項(xiàng)目80mm板采用湘鋼的E36鋼板，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

鋼板的碳當(dāng)量Ceq=0.4<0.45；焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm=0.22<0.24，其焊接性良好。

表1 E36—Z35鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 E36—Z35鋼板的力學(xué)性能

（2）焊接工藝設(shè)計(jì)原則 在海洋工程結(jié)構(gòu)中，厚板通常用于導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)和上部組塊的最大受力點(diǎn)位置，海洋工程結(jié)構(gòu)的建造既要保證焊接接頭性能，又要采用焊接效率高的焊接方法。根據(jù)上述原則，導(dǎo)管架的節(jié)點(diǎn)一般采用埋弧焊或埋弧焊+藥芯焊，組塊一般采用藥芯焊。根據(jù)海洋工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種焊接工藝，即雙面埋弧焊，雙面藥芯焊和雙面埋弧焊加藥芯焊，具體所涉及的焊接工藝方法類型如表3所示。

表3 焊接工藝方法

根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書的要求進(jìn)行80mm厚板的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)的坡口形式為K形，焊接接頭的尺寸和焊接工藝如圖1、圖2所示。因?yàn)槁窕『负退幮竞冈?～4mm的間隙下不推薦進(jìn)行根焊，所以這兩種焊接工藝均采用GMAW（STT）+FCAW進(jìn)行根焊和熱焊，埋弧焊工藝采用雙面埋弧焊完成兩側(cè)坡口的焊接。埋弧焊+藥芯焊的焊接工藝是一側(cè)坡口采用FCAW完成，另一側(cè)坡口用埋弧焊完成焊接，這兩種焊接工藝均是一側(cè)坡口焊接完成再焊接另一側(cè)坡口。

圖1 焊接接頭尺寸

圖2 焊接工藝

焊接熱輸入對(duì)焊縫力學(xué)性能有一定的影響，埋弧焊焊接熱輸入較大，需要控制最大熱輸入，因此控制埋弧焊的熱輸入量不超過(guò)3.3kJ/mm；藥芯焊采用CO2氣體保護(hù)，而且焊接時(shí)采用橫焊（2G）位置，焊接速度快，需要控制焊接熱輸入不能過(guò)小，因此控制熱輸入不能小于0.9kJ/mm，降低氣體保護(hù)藥芯焊冷卻速度，提高焊縫韌性。

2.基于常規(guī)力學(xué)性能焊材初選

本文首先對(duì)不同級(jí)別的藥芯焊絲、埋弧焊絲和焊劑的化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行比較，針對(duì)不同工藝方法（氣體保護(hù)藥芯焊和埋弧焊）初步篩選出可供選擇的焊材。碳素鋼藥芯焊絲初選GFL—71Ni；合金鋼藥芯焊絲選擇GFR—81K2。碳素鋼埋弧焊絲和焊劑選擇了LA—71/880M和Ni1K/8500兩個(gè)組合，化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性能分別如表4～表7所示。

表4 藥芯焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 藥芯焊絲常規(guī)力學(xué)性能

根據(jù)研究最終確定采用合金鋼焊接材料，針對(duì)兩種焊接工藝方法制定的焊接工藝如表8、表9所示。

表6 埋弧焊絲/焊劑化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 埋弧焊絲/焊劑常規(guī)力學(xué)性能

表8 埋弧焊接工藝

表9 藥芯焊接工藝

3.CTOD試驗(yàn)結(jié)果與分析

首先在0℃針對(duì)藥芯焊絲GFL—71Ni開(kāi)展CTOD試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。從表10可看出：藥芯焊絲GFL—71Ni為碳素鋼焊絲，wNi=0.37%。雖然低溫沖擊韌性能夠滿足-40℃的要求，但CTOD值不高。

關(guān)于-25℃藥芯焊絲CTOD試驗(yàn)，我們參考了中海油和中石油海洋公司前期針對(duì)GFR—81K2藥芯焊絲在-5℃、-10℃和-20℃三個(gè)溫度所開(kāi)展CTOD試驗(yàn)獲得的結(jié)果，其試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可見(jiàn)：GFR—81K2為低合金鋼藥芯焊絲，熔敷金屬wNi=1.45%，CTOD值在-5℃、-10℃和-20℃的溫度下變化不大，預(yù)計(jì)在-25℃時(shí)也不會(huì)低于0.15，適合開(kāi)展-25℃藥芯焊絲CTOD試驗(yàn)。由于3個(gè)溫度CTOD試驗(yàn)所使用的焊接工藝分別由中海油海工和中石油海洋兩家公司開(kāi)發(fā)，試驗(yàn)溫度在15℃變化范圍內(nèi)波動(dòng)，CTOD值變化不大，且并不是溫度最高的CTOD試驗(yàn)結(jié)果最好，推斷是由于焊接工藝有所不同造成的，也就是說(shuō)焊接工藝對(duì)斷裂韌性高低影響不大，因此為了獲得更好的-25℃藥芯焊絲CTOD試驗(yàn)結(jié)果，我們反復(fù)將GFR—81K2焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化（見(jiàn)表9）。使用優(yōu)化后的GFR—81K2焊接工藝與埋弧焊共同制備80mm厚焊接接頭試樣，在-25℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。從表11可看出：經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化之后，試驗(yàn)結(jié)果非常理想，沒(méi)有影響埋弧焊的性能，優(yōu)于前期國(guó)內(nèi)各單位所取得的-5～-20℃試驗(yàn)溫度下GFR—81K2的CTOD試驗(yàn)結(jié)果?？梢?jiàn)：焊接工藝的優(yōu)劣對(duì)焊縫區(qū)域的斷裂性能有著重要影響。

當(dāng)然，對(duì)比表10和表11中 GFR—81K2和GFL—71Ni的CTOD試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，合金鋼焊絲的斷裂韌性明顯優(yōu)于碳素鋼焊絲。這可能主要是因?yàn)楹辖痄撍幮竞附zNi含量較高所致，因?yàn)閺谋?可看出，除Ni元素之外，其他合金元素基本含量相差不大。

本文采用埋弧焊絲和焊劑組合Ni1K/8500制備80mm厚的CTOD試樣。采用表8所列焊接工藝焊接的焊縫金屬試樣在-25℃下開(kāi)展了CTOD試驗(yàn)，結(jié)果如表11所示。

為了對(duì)比碳素鋼焊材與合金鋼焊材類型焊縫斷裂韌性的優(yōu)劣，本文將前期中海油所做LA—71（焊絲）/880M（焊劑）組合，使用80mm厚度E36鋼板在-15℃試驗(yàn)溫度下所獲取的焊縫中心部位CTOD試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

對(duì)比表11和表12的CTOD試驗(yàn)結(jié)果可以看出：wNi=1%的合金鋼焊絲Ni1K和8500焊劑組合所形成焊縫的斷裂韌性（在-25℃，3個(gè)CTOD數(shù)值最低1.2408，見(jiàn)表11）遠(yuǎn)高于碳素鋼焊材類型LA—71（焊絲）/880M（焊劑）組合（在-15℃，3個(gè)CTOD數(shù)值最高值為0.3，最低值為0.0798，見(jiàn)表12）。

典型CTOD試樣在疲勞裂紋尖端附近焊縫區(qū)域焊縫金相組織如圖3～圖6所示。值得說(shuō)明的是本文所列全部試樣都獲得很好的裂紋前緣形狀，完全符合BS7448 PartⅡ標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。全部試樣裂紋前緣任意兩個(gè)裂紋深度的差值都小于0.1a0，而且a/W均小于0.7，因此全部為有效試件。

表10 前期藥芯焊絲CTOD試驗(yàn)結(jié)果

表11 CTOD(－25℃)試驗(yàn)結(jié)果

表12 CTOD(－15℃)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 埋弧焊絲和焊劑組合Ni1K/8500焊縫柱狀晶區(qū)域金相照片

圖4 埋弧焊絲和焊劑組合LA—71/880M焊縫柱狀晶區(qū)域金相照片

圖5 LA—71/880M埋弧焊縫多道焊層間熱影響區(qū)高倍金相照片

圖6 Ni1K/8500埋弧焊縫多道焊層間熱影響區(qū)高倍金相照片

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)焊接工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了JZ9-3項(xiàng)目設(shè)計(jì)溫度-25℃環(huán)境條件下的低溫?cái)嗔秧g性要求，免除了>50mm板焊后熱處理的工作，為海洋平臺(tái)厚板焊接施工建造提供科學(xué)依據(jù)。