李風(fēng)波，潘川，楊文華，梅飛強

1.鋼鐵研究總院 北京 100081

2.中遠(yuǎn)海運重工有限公司 上海 200086

1 序言

世界海洋油氣資源數(shù)量約占全球油氣資源總量的34%，主要分布在“三灣、兩海及兩湖”，其中55%～70%的海上石油儲量在水深＜200m的大陸架范圍內(nèi)[1]。從1897年美國最先用木棧橋打出世界第一口海上油井后的一個多世紀(jì)以來，隨著焊接、電子計算機技術(shù)、鋼鐵、造船及機械工業(yè)的發(fā)展，使海洋平臺具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價昂貴，能夠適應(yīng)各種惡劣工況的特點[2]。

自升式鉆井平臺作為大陸架石油開采的主要裝備，依靠數(shù)根樁腿不僅支撐著數(shù)百噸重的平臺及設(shè)備，而且還要承受風(fēng)、浪、流、地震等復(fù)雜多變的載荷，正是由于結(jié)構(gòu)及工作工況的特殊性，所以樁腿結(jié)構(gòu)的焊接成為自升式鉆井平臺建造中的重中之重。本文針對樁腿結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵材料——屈服強度為690MPa級的海洋工程用高強韌鋼的焊接工藝進行研究[3]。

2 試驗材料及分析

2.1 試驗材料

試驗用鋼板為進口E690海洋工程用調(diào)質(zhì)態(tài)高強板（厚度177.8mm），其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。焊材為自行研制的金屬粉藥芯焊絲，化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表3、表4。

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

表2 鋼板的力學(xué)性能

表3 金屬粉藥芯焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 金屬粉藥芯焊絲力學(xué)性能

2.2 材料分析

海洋工程用E690高強鋼具有很高的屈服強度和抗拉強度，良好的缺口韌性、抗腐蝕性。通常在滿足強度要求且不提高碳含量的前提下，適量添加Ni、Cr、Mo、V、Cu等元素改善其淬透性和抗回火軟化的傾向，通過調(diào)質(zhì)處理形成以回火索氏體或回火貝氏體為主的強韌化顯微組織。通過化學(xué)成分分析計算、冷裂紋敏感性試驗發(fā)現(xiàn)有一定的淬硬傾向，在焊接時容易出現(xiàn)冷裂紋、韌性下降等問題。

（1）冷裂紋

1）按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS），強度級別在500～1000MPa調(diào)質(zhì)低合金高強鋼碳當(dāng)量公式（Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14）計算，該鋼的碳當(dāng)量達0.61%，表明其焊接熱影響區(qū)淬硬傾向較大，有較強的冷裂紋敏感性。一方面，鋼淬硬之后形成脆硬的馬氏體組織，從金屬的強度理論可知，馬氏體是一種粗大晶粒的脆性組織，斷裂時總是消耗較低的能量，因此焊接接頭有馬氏體存在時，裂紋易于形成和擴展；另一方面，鋼淬硬傾向增大，導(dǎo)致位錯密度大幅度增加，相當(dāng)于增加了許多先天性的裂紋源，在應(yīng)力的作用下不斷擴展，最終形成宏觀裂紋[4]。

2）氫致裂紋作為一種最主要、最常見的冷裂紋形式，是低合金高強鋼焊接的主要問題，具有延遲性。當(dāng)焊縫中氫的濃度達到一定限值后，在應(yīng)力的作用下就會產(chǎn)生裂紋。氫致裂紋一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)，但是在焊接E690高強鋼時，由于焊縫的合金成分復(fù)雜，熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變可能先于焊縫，此時氫就從熱影響區(qū)向焊縫擴散，導(dǎo)致裂紋經(jīng)常發(fā)生在焊縫上。

3）高強鋼焊接時冷裂紋的產(chǎn)生，不僅取決于鋼本身的淬硬傾向和氫的有害作用，還取決于焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，甚至在某些情況下，應(yīng)力狀態(tài)還起決定性的作用。焊接接頭的拘束應(yīng)力包括不均勻加熱及冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和金屬相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力[5]。

綜上所述，海洋工程用E690高強鋼焊接時，產(chǎn)生冷裂紋的機理在于鋼材淬硬之后，受氫的誘發(fā)和促進使之脆化，在拘束應(yīng)力的作用下形成了裂紋。

（2）晶粒長大引起的沖擊韌度的下降 在焊接時，焊縫兩側(cè)的各個不同位置經(jīng)歷著不同的焊接熱循環(huán)，離焊縫邊界越近，其加熱的峰值溫度越高，且加熱速度和冷卻速度也越快。在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)母材的組織和性能發(fā)生明顯的改變。這一區(qū)域隨著焊縫熔合線距離、加熱峰值溫度的不同，又可分為過熱區(qū)（粗晶區(qū)）、正火區(qū)（細(xì)晶區(qū)）及不完全相變區(qū)（混合區(qū)）。在這三個區(qū)域中，過熱區(qū)（晶粒長大嚴(yán)重）和不完全相變區(qū)（M-A組織存在）往往韌性較差，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)[6]。

高強鋼焊接都存在一個韌性最佳的冷卻時間t8/3，t8/3過小或過大都會使韌性下降。t8/3過小時，韌性下降是由于焊縫金屬全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織導(dǎo)致的；當(dāng)t8/3增加時，除了奧氏體晶粒粗化引起的脆化外，主要是由于生成了上貝氏體和塊狀的M-A組元，如圖1、圖2所示。此外，焊接熱輸入量及層間溫度也是影響焊接熱循環(huán)過程的主要變量，因此焊接熱輸入及層間溫度也是影響焊接接頭低溫韌性的重要因素。

圖1 海洋工程用E690高強鋼焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變

圖2 海洋工程用E690高強鋼t8/3與HAZ組織組成關(guān)系

3 焊接性試驗

由材料分析可知，海洋工程用E690高強鋼冷裂敏感性較高，為了獲得良好的焊縫質(zhì)量，應(yīng)從兩方面加以控制[7]：①控制HAZ（焊接熱影響區(qū)）硬度值。②控制殘余擴散氫。根據(jù)NOSOK及DNV海工規(guī)范可知，該鋼種焊接時應(yīng)采用低氫焊條（HDM≤5mL/100g），在試驗中采用焊絲擴散氫含量為5mL/100g。

3.1 預(yù)熱及層間溫度

預(yù)熱是防止冷裂紋產(chǎn)生的有效措施之一。一方面，降低焊接接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫逸出，可避免氫致裂紋；另一方面，也能改善組織，減少焊接應(yīng)力，降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度。根據(jù)插銷試驗、斜Y形坡口焊接裂紋試驗以及最高硬度試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場實際，將預(yù)熱溫度設(shè)定為100～145℃。

為了保證接頭的低溫韌性、避免焊縫及熱影響區(qū)晶粒過度長大，必須嚴(yán)格控制層間溫度。綜合考慮施工的經(jīng)濟性、便利性因素，將層間溫度控制在150～210℃。

3.2 坡口形式

考慮工程的實際狀況及材料的特殊性，為了降低焊接變形量，采用45°雙V形坡口，如圖3所示。

圖3 坡口形式

3.3 焊接參數(shù)

熱輸入量為單位長度焊縫上由電弧或其他熱源所輸入的熱量，是影響焊接熱循環(huán)的主要因素，也就是說當(dāng)焊接材料及焊接方法一定時，焊接接頭的組織和性能主要取決于焊接熱輸入量的大小。如果熱輸入過大，則會導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)的組織粗大、韌性下降；如果熱輸入過小，則容易出現(xiàn)未焊透或因冷卻速度過快而產(chǎn)生淬硬組織，降低接頭的塑性。根據(jù)前期的冷裂紋敏感試驗結(jié)果，海洋工程用E690高強鋼熱輸入量控制在2.4kJ/mm以內(nèi)時接頭性能比較優(yōu)良，具體焊接參數(shù)見表5。

表5 焊接參數(shù)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 拉伸試驗

拉伸試驗是將拉伸試樣固定在WEW-1000型萬能試驗機上，然后對其施加拉應(yīng)力，造成試樣軸向伸長變形直至被拉斷為止，是衡量焊接接頭強度的主要指標(biāo)。根據(jù)DNV海工規(guī)范，每個試件上取2個拉伸試樣進行試驗，結(jié)果見表6。

表6 拉伸試驗結(jié)果

由于焊材的強度與母材等匹配，即使在焊接過程中存在合金元素的燒損，使強度略有下降，試驗結(jié)果仍滿足DNV 海工規(guī)范不低于該級別最低抗拉強度（770MPa）的要求[8]。

4.2 彎曲試驗

彎曲試驗是檢驗焊接接頭承受變形的能力，同時也可以反映出接頭各區(qū)域的塑性差別，暴露焊接缺陷和考核熔合線的質(zhì)量。將加工好的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣在WEW-1000型萬能試驗機上進行彎曲試驗，根據(jù)DNV海工規(guī)范，在焊接接頭上取4個側(cè)彎試樣進行彎曲試驗，彎曲變形時所承受大的拉伸變形的部位為焊接HAZ部分，雖然該部位晶粒有所長大，局部強度有所下降，但由于晶粒為相變重結(jié)晶和不完全相變重結(jié)晶區(qū)的等軸晶，相當(dāng)于材料的正火或退火組織，其塑性反而比母材好，因而彎曲變形時抵抗破壞的能力較大，試驗后試樣彎曲部分外側(cè)無裂紋及其他缺陷，滿足規(guī)范要求。

4.3 沖擊試驗

沖擊試驗主要是測定焊接接頭的沖擊韌度和缺口敏感性，沖擊試驗采用JB-30B沖擊試驗機，按照DNV海工規(guī)范分別在焊縫中心、熔合線、熔合線+2mm、熔合線+5mm取標(biāo)準(zhǔn)試樣，進行－40℃的夏比沖擊試驗，結(jié)果見表7。

表7 沖擊試驗結(jié)果 （J）

由試驗結(jié)果可以看出，通過合理的控制熱輸入量，熱影響區(qū)未產(chǎn)生韌性惡化的現(xiàn)象；由于受焊材本身韌性的影響，焊縫中心處的韌性最低，但接頭沖擊值滿足DNV規(guī)范要求（≥69J）。

4.4 宏觀及硬度試驗

通過焊縫宏觀檢查（見圖4）發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透，無裂紋等缺陷。

分別對接頭的上下表面進行硬度測量（見圖5），可得到焊接接頭的硬度曲線，如圖6所示。

圖5 硬度取值位置

圖6 焊接接頭的硬度曲線

從圖6可以看出，小坡口側(cè)熱影響區(qū)的硬度值較高，大坡口側(cè)熱影響區(qū)發(fā)生焊接軟化硬度值較低，整個接頭的硬度值均低于325HV10，滿足DNV海工規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

1）采用自行研制的金屬粉藥芯焊絲焊接E690海洋工程用高強鋼，在合理的焊接工藝條件下，能得到高質(zhì)量的焊接接頭，滿足DNV海工規(guī)范的要求。

2）預(yù)熱溫度、層間溫度、熱輸入量作為重要的焊接參數(shù)，對E690高強鋼的焊接接頭性能尤為重要。在實際施工過程中，必須嚴(yán)格執(zhí)行工藝紀(jì)律、注重細(xì)節(jié)，確保預(yù)熱溫度100～145℃、層間溫度150～210℃、熱輸入量不超過2.4kJ/mm。