中國石油集團海洋工程公司 （山東青島 266555) 王志堅

天津大學材料科學與工程學院 （300072） 王東坡

為了確保大厚度鋼板制造海洋石油平臺的抗脆斷能力，一般在設計時需考慮采用焊后消應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)驗表明：進行接頭焊后消應力熱處理，不僅設備投入多、施工條件惡劣、能源消耗量大、勞動強度高、工期過長，而且厚板焊接接頭經(jīng)過焊后熱處理有可能產(chǎn)生二次缺陷，同時需要進行二次無損檢測，從而導致海洋工程結構的建造成本和周期大幅增加。因此，如何選擇焊接方法、材料及工藝是一個關鍵，在保證所建造海洋結構斷裂韌性的前提下，可以免除厚板的焊后熱處理，使海洋平臺的建造成本和周期大幅下降。然而,對于大厚度鋼板,能夠免除焊后熱處理的前提是它的焊接接頭不經(jīng)過消應力熱處理就有足夠的抗脆斷性能，因此如何合理準確地評價這種海洋平臺用鋼焊接接頭的低溫韌性是問題的關鍵。

本文通過JZ9-3項目80mmE36材料焊縫的低溫斷裂韌性研究，通過對焊接工藝的優(yōu)化設計，滿足了該項目設計溫度－25℃環(huán)境條件下的低溫斷裂韌性要求，免除了>50mm板焊后熱處理的工作，為今后相關項目提供了科學依據(jù)。

1.焊接工藝方法選擇

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

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

鋼板的碳當量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鋼板的化學成分（質量分數(shù)） （%）

表2 E36—Z35鋼板的力學性能

（2）焊接工藝設計原則 在海洋工程結構中，厚板通常用于導管架節(jié)點和上部組塊的最大受力點位置，海洋工程結構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，導管架的節(jié)點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)海洋工程結構的特點，我們設計了兩種焊接工藝，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)項目技術規(guī)格書的要求進行80mm厚板的焊接工藝評定試驗，試驗的坡口形式為K形，焊接接頭的尺寸和焊接工藝如圖1、圖2所示。因為埋弧焊和藥芯焊在2～4mm的間隙下不推薦進行根焊，所以這兩種焊接工藝均采用GMAW（STT）+FCAW進行根焊和熱焊，埋弧焊工藝采用雙面埋弧焊完成兩側坡口的焊接。埋弧焊+藥芯焊的焊接工藝是一側坡口采用FCAW完成，另一側坡口用埋弧焊完成焊接，這兩種焊接工藝均是一側坡口焊接完成再焊接另一側坡口。

圖1 焊接接頭尺寸

圖2 焊接工藝

焊接熱輸入對焊縫力學性能有一定的影響，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3.3kJ/mm；藥芯焊采用CO2氣體保護，而且焊接時采用橫焊（2G）位置，焊接速度快，需要控制焊接熱輸入不能過小，因此控制熱輸入不能小于0.9kJ/mm，降低氣體保護藥芯焊冷卻速度，提高焊縫韌性。

2.基于常規(guī)力學性能焊材初選

本文首先對不同級別的藥芯焊絲、埋弧焊絲和焊劑的化學成分及力學性能進行比較，針對不同工藝方法（氣體保護藥芯焊和埋弧焊）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/8500兩個組合，化學成分和常規(guī)力學性能分別如表4～表7所示。

表4 藥芯焊絲化學成分（質量分數(shù)） （%）

表5 藥芯焊絲常規(guī)力學性能

根據(jù)研究最終確定采用合金鋼焊接材料，針對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/焊劑化學成分（質量分數(shù)） （%）

表7 埋弧焊絲/焊劑常規(guī)力學性能

表8 埋弧焊接工藝

表9 藥芯焊接工藝

3.CTOD試驗結果與分析

首先在0℃針對藥芯焊絲GFL—71Ni開展CTOD試驗，試驗結果如表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。

關于-25℃藥芯焊絲CTOD試驗，我們參考了中海油和中石油海洋公司前期針對GFR—81K2藥芯焊絲在-5℃、-10℃和-20℃三個溫度所開展CTOD試驗獲得的結果，其試驗結果如表10所示。

由表10可見：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，預計在-25℃時也不會低于0.15，適合開展-25℃藥芯焊絲CTOD試驗。由于3個溫度CTOD試驗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發(fā)，試驗溫度在15℃變化范圍內(nèi)波動，CTOD值變化不大，且并不是溫度最高的CTOD試驗結果最好，推斷是由于焊接工藝有所不同造成的，也就是說焊接工藝對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試驗結果，我們反復將GFR—81K2焊接工藝進行優(yōu)化（見表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℃試驗溫度下進行CTOD試驗，試驗結果如表11所示。從表11可看出：經(jīng)過工藝優(yōu)化之后，試驗結果非常理想，沒有影響埋弧焊的性能，優(yōu)于前期國內(nèi)各單位所取得的-5～-20℃試驗溫度下GFR—81K2的CTOD試驗結果?？梢姡汉附庸に嚨膬?yōu)劣對焊縫區(qū)域的斷裂性能有著重要影響。

當然，對比表10和表11中 GFR—81K2和GFL—71Ni的CTOD試驗結果還可以看出，合金鋼焊絲的斷裂韌性明顯優(yōu)于碳素鋼焊絲。這可能主要是因為合金鋼藥芯焊絲Ni含量較高所致，因為從表4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℃下開展了CTOD試驗，結果如表11所示。

為了對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℃試驗溫度下所獲取的焊縫中心部位CTOD試驗結果如表12所示。

對比表11和表12的CTOD試驗結果可以看出：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CTOD數(shù)值最低1.2408，見表11）遠高于碳素鋼焊材類型LA—71（焊絲）/880M（焊劑）組合（在-15℃，3個CTOD數(shù)值最高值為0.3，最低值為0.0798，見表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標準的規(guī)定。全部試樣裂紋前緣任意兩個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試驗結果

表11 CTOD(－25℃)試驗結果

表12 CTOD(－15℃)試驗結果

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.結語

本文通過對焊接工藝的優(yōu)化設計，滿足了JZ9-3項目設計溫度-25℃環(huán)境條件下的低溫斷裂韌性要求，免除了>50mm板焊后熱處理的工作，為海洋平臺厚板焊接施工建造提供科學依據(jù)。