靳偉亮

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島266520）

用于海洋平臺(tái)S420高強(qiáng)度鋼焊接工藝研究

靳偉亮

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島266520）

為了研究用于海洋石油平臺(tái)S420高強(qiáng)度鋼的焊接工藝，采用SAW和FCAW-G工藝對(duì)國(guó)產(chǎn)S420高強(qiáng)度鋼EH420進(jìn)行了焊接試驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試及CTOD試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的各項(xiàng)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且具有較好的斷裂韌性即抗裂性能，滿足南海深水油氣開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需求，在深水油氣開(kāi)發(fā)中可取代S355鋼材，可有效降低海洋結(jié)構(gòu)物總體質(zhì)量、施工難度和開(kāi)發(fā)成本。

焊接；S420鋼；焊接工藝；斷裂韌性

自1943年世界第一臺(tái)水深為6 m的導(dǎo)管架式采油平臺(tái)在墨西哥灣問(wèn)世以來(lái)，至今世界各國(guó)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)方興未艾。目前，海上油氣田的開(kāi)發(fā)已從淺海到深海、冰海區(qū)域發(fā)展，前景廣闊，同時(shí)對(duì)海洋鉆井平臺(tái)制造技術(shù)的要求也越來(lái)越高。

海洋平臺(tái)是人類開(kāi)發(fā)海洋資源的工具，屬于超大型焊接鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在波浪、海潮、風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴(yán)峻的海洋工作環(huán)境中，這些特征決定了海洋平臺(tái)用鋼必須具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂以及良好的可焊性和冷加工性能。20世紀(jì)60年代開(kāi)始，歐美一些國(guó)家和日本已開(kāi)始了對(duì)海洋石油平臺(tái)用鋼的研究和開(kāi)發(fā)，S420鋼已普遍用于海洋石油平臺(tái)的建造[1]。而國(guó)內(nèi)對(duì)于該強(qiáng)度級(jí)別鋼材的研究及使用相對(duì)滯后，尤其在海洋油氣開(kāi)發(fā)工程主體結(jié)構(gòu)中尚未使用S420鋼。目前國(guó)內(nèi)海洋油氣開(kāi)發(fā)工程主體結(jié)構(gòu)仍然普遍使用S355鋼，而隨著國(guó)家海洋油氣開(kāi)發(fā)逐步走向深水，海洋工程結(jié)構(gòu)所用板厚增大，質(zhì)量不斷增加，則焊接層道數(shù)也大幅增加，由此造成焊接殘余應(yīng)力及焊縫中累積的擴(kuò)散氫水平不斷增加，同時(shí)產(chǎn)生焊接缺陷的幾率也隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致焊接冷裂紋發(fā)生及焊接變形問(wèn)題，施工難度不斷增大[2-3]。如果海洋平臺(tái)采用更高強(qiáng)度級(jí)別鋼材，所用鋼材板厚可相應(yīng)減小，上述問(wèn)題能夠得到一定緩解，同時(shí)可減重約20%，降低施工難度，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

基于上述原因，開(kāi)展了針對(duì)S420高強(qiáng)度鋼的焊接工藝開(kāi)發(fā)，并對(duì)其焊接接頭的力學(xué)性能和斷裂韌性進(jìn)行了測(cè)試，期望對(duì)S420鋼材在海洋平臺(tái)中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用寶鋼產(chǎn)EH420－Z35鋼，規(guī)格為1 000 mm×3 200 mm×80 mm，供貨狀態(tài)為T(mén)MCP，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。

表1 寶鋼產(chǎn)EH420－Z35鋼的化學(xué)成分 %

表2 寶鋼產(chǎn)EH420－Z35鋼的力學(xué)性能

AWS D1.1[4]鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范中要求鋼材碳當(dāng)量Ceq和冷裂紋敏感指數(shù)Pcm的計(jì)算公式為

將表1中數(shù)據(jù)代入公式（1）和公式（2）可得Ceq＝0.38%，Pcm＝0.18%。那么，按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)和中國(guó)造船規(guī)范推薦的碳鋼及低合金鋼常用的碳當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)碳當(dāng)量＜0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不明顯，可焊性優(yōu)良；當(dāng)碳當(dāng)量為0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需要采取適當(dāng)預(yù)熱，控制線能量等工藝措施；當(dāng)碳當(dāng)量＞0.6%時(shí)，淬硬傾向強(qiáng)，屬于較難焊的鋼材，需采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。由此得出本次所選試樣碳當(dāng)量≤0.40%，具有較好的焊接性。

2 焊接工藝設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

根據(jù)所選鋼材情況，焊接工藝設(shè)計(jì)時(shí)著重注意以下幾點(diǎn)：

（1）適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度和層間溫度。所選鋼材壁厚為80 mm，為降低焊接接頭拘束度及緩解焊接殘余應(yīng)力，確定預(yù)熱溫度最低為110℃，層間溫度最高為200℃。

（2）嚴(yán)格控制焊接線能量。線能量過(guò)大，容易造成焊接接頭和熱影響區(qū)組織過(guò)熱，產(chǎn)生過(guò)熱組織而使其脆化，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度和韌性；線能量過(guò)小，焊接熱輸入不足，熔池溫度不夠，冷卻速度快，容易產(chǎn)生淬硬組織，如馬氏體，造成焊縫應(yīng)力集中，嚴(yán)重產(chǎn)生變形和開(kāi)裂。所以，本次試驗(yàn)埋弧焊線能量控制在1.8～2.5kJ/mm，氣體保護(hù)藥芯焊線能量控制在1.0～2.0 kJ/mm。

（3）焊接材料選用與母材等強(qiáng)匹配的低氫焊材，降低氫致裂紋發(fā)生幾率。

2.1 焊前準(zhǔn)備

根據(jù) AWS D1.1 及 DNV－OS－C401[5]標(biāo)準(zhǔn)要求，分別確定埋弧焊1G橫焊和氣體保護(hù)藥芯焊3G立焊試驗(yàn)。焊縫坡口形狀及尺寸如圖1所示。

焊前應(yīng)采取打磨等措施徹底清除坡口表面及附近25 mm內(nèi)的鐵銹和油污等異物。

圖1 焊縫坡口形狀及尺寸

2.2 焊接工藝

（1）焊前預(yù)熱溫度不小于110℃，層間溫度不超過(guò)200℃。采用電阻加熱器對(duì)焊縫兩側(cè)各150 mm進(jìn)行預(yù)熱，層間溫度不得低于預(yù)熱溫度。

（2）采用多層多道焊，選用適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)，嚴(yán)格按上述要求控制焊接線能量，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

（3）焊接完成后，立即使用保溫棉包裹焊縫區(qū)進(jìn)行緩冷處理。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 檢驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 無(wú)損檢驗(yàn)

焊接完成48 h后進(jìn)行NDT（無(wú)損檢驗(yàn)）檢驗(yàn)，包括焊縫外觀檢驗(yàn)、MT和UT探傷，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足AWS D1.1鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范的要求。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)AWS D1.1鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范對(duì)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的要求，分別進(jìn)行減截面拉伸、全焊縫拉伸、側(cè)向彎曲、夏比沖擊和宏觀硬度試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表7。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 宏觀硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表4～表7可知：①全焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果均高于GB 712—2011[6]標(biāo)準(zhǔn)要求，證明所選焊接材料匹配適合；②彎曲試驗(yàn)采用50.8 mm壓頭進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，所有試件彎曲面均無(wú)裂紋，證明焊縫金屬塑性滿足需求；③－40℃夏比V形沖擊試驗(yàn)結(jié)果良好，均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，證明焊接接頭具有較好的沖擊韌性；④所有宏觀硬度試驗(yàn)滿足DNV－OS－C401標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S420材料 HV10最大 350的要求。

4 斷裂韌性試驗(yàn)

斷裂韌性是表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。其中CTOD（crack-tip opening displacement，裂紋尖端張開(kāi)位移）試驗(yàn)是目前普遍用于測(cè)試材料斷裂韌性的一種試驗(yàn)方法。通過(guò)CTOD試驗(yàn)不但可以選擇材料韌度，而且可以為結(jié)構(gòu)的安全可靠性的評(píng)定提供試驗(yàn)依據(jù)[7-9]。本次試驗(yàn)根據(jù) DNV－OS－C401和BS 7448－2[10]標(biāo)準(zhǔn)要求，分別對(duì)兩種不同焊接工藝的焊接接頭按圖2進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制并進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

圖2 疲勞裂紋預(yù)制

表8 CTOD試驗(yàn)結(jié)果

典型焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫CTOD試驗(yàn)斷口形貌如圖3和圖4所示，均為典型的塑性斷裂。

按照DNV－OS－C401標(biāo)準(zhǔn)要求：①3～5個(gè)有效結(jié)果時(shí)，CTOD試驗(yàn)最小結(jié)果應(yīng)大于0.15 mm；②6～10個(gè)有效結(jié)果時(shí)，CTOD試驗(yàn)第二小結(jié)果應(yīng)大于0.15 mm；③11～15個(gè)有效結(jié)果時(shí)，CTOD試驗(yàn)第三小結(jié)果應(yīng)大于0.15 mm。

由此可見(jiàn)，本次試驗(yàn)結(jié)果完全滿足DNVOS－C401標(biāo)準(zhǔn)要求，且能滿足部分歐洲項(xiàng)目CTOD值大于0.25 mm的要求，證明焊接接頭在－10℃環(huán)境下具有良好的抗裂性能，進(jìn)一步證明了焊接材料和焊接工藝的適用性。

圖3 不同焊接工藝的CTOD試驗(yàn)熱影響區(qū)斷口形貌

圖4 不同焊接工藝的CTOD試驗(yàn)焊縫斷口形貌

5 結(jié) 論

（1）依據(jù)AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)成功地對(duì)80 mm EH420鋼板進(jìn)行了埋弧焊和氣體保護(hù)藥芯焊工藝開(kāi)發(fā)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接接頭具有較好的強(qiáng)度、韌性和低溫沖擊性能，滿足海洋工程設(shè)計(jì)要求。

（2）分別對(duì)兩種焊接工藝的焊接接頭進(jìn)行了斷裂韌性CTOD試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：－10℃服役條件下斷裂韌性CTOD試驗(yàn)結(jié)果均滿足DNV－OS－C401標(biāo)準(zhǔn)大于0.15 mm的要求，兩種工藝的焊接接頭具有良好的抗裂性能，同時(shí)－10℃服役條件基本能夠覆蓋南海深水油氣開(kāi)發(fā)的服役溫度要求。

（3）通過(guò)選用S420高強(qiáng)度鋼替代目前普遍使用的S355鋼材，能夠降低海洋工程用鋼材壁厚，進(jìn)而降低焊接殘余應(yīng)力及焊縫中累積的擴(kuò)散氫水平，從而降低焊接冷裂紋發(fā)生幾率和焊接變形問(wèn)題。

（4）本研究為后續(xù)深水油氣開(kāi)發(fā)工程采用S420高強(qiáng)鋼替代目前普遍的S355鋼材、減輕海洋工程結(jié)構(gòu)物質(zhì)量及施工難度和開(kāi)發(fā)成本，提供了一定的技術(shù)支撐。

［1］侯曉英.海洋平臺(tái)用鋼的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].萊鋼科技， 2014（6）： 1－3.

［2］陳燕紅.焊接冷裂紋的預(yù)防技術(shù)[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2006， 25（7）： 54－55.

［3］林浩.船用高強(qiáng)度鋼焊接冷裂紋的形成和預(yù)防[J].造船技術(shù)， 2003（3）： 30－32.

［4］ AWS D1.1—2010， Structural Welding Code-steel[S].

［5］ DNV－OS－C401—2009， Fabrication and Testing of Offshore Structures[S].

［6］GB 712—2011，船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼[S].

［7］曹軍，李小巍，溫志剛.CTOD斷裂韌度試驗(yàn)在海洋平臺(tái)建造中的應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2004，16（2）：129.

［8］霍立興.焊接結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［9］霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［10］ BS 7448 －2—1997， Fracture Mechanics Toughness Tests， Part 2.Method for Determination of KIC，Critical CTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials[S].

Research on Welding Process of S420 High Strength Steel Used for Ocean Platform

JIN Weiliang
（Offshore Oil Engineering(Qingdao)CO.,Ltd.,Qingdao 266520,Shandong,China）

In this article,in order to research the welding process of S420 high strength steel used for ocean platform,the welding tests,mechanical performance tests and CTOD test for S420 high strength steel were carried out by adopting SAW and FCAW－G welding process.Test results showed the performance of welded joints all meet the requirements of the related standard and possesses good crack resistance，which also meet the design requirements of oil and gas development in the South Sea,it can replace S355 steel in deep-water oil and gas development.This research effectively reduces the overall quality of marine structure,construction difficulty and the cost of development.

welding;S420 steel;welding process;fracture toughness

TG438.2

A

1001－3938（2015）12-0023-05

靳偉亮（1981—），男，工程師，主要從事海洋石油工程焊接工藝開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)工作。

2015－08－08

李紅麗