曾靖波,王火平,2,倫玉國(guó)

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518054; 2. 清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院,廣東 深圳 518000)

0 引 言

某導(dǎo)管架平臺(tái)所在作業(yè)水深超過(guò)300m,建成后將是亞洲最深、重量最大的深水導(dǎo)管架平臺(tái)。如果使用常規(guī)高強(qiáng)度鋼DH36(屈服強(qiáng)度不低于355MPa),其下水重量將超過(guò)國(guó)內(nèi)最大下水駁船的安裝能力。為此,該導(dǎo)管架大規(guī)模采用超高強(qiáng)度鋼,超高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度不低于414MPa,最大厚度為100mm,用量超過(guò)2萬(wàn)噸且全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。這也是中國(guó)海油首次在導(dǎo)管架上使用該強(qiáng)度等級(jí)鋼材。

國(guó)外導(dǎo)管架平臺(tái)通常采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼,最大厚度為101mm(4英寸),國(guó)產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼還沒(méi)有在導(dǎo)管架應(yīng)用的先例[1]。導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼要求高強(qiáng)度、高韌性、易焊接等性能,同時(shí)要求抗疲勞、抗層狀撕裂等性能。導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)中受力最大、疲勞壽命受限部位,除在縱向和橫向受力外,導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)厚度方向也會(huì)因?yàn)楦浇钍芾瓚?yīng)力。如果鋼板厚度方向韌性不足,則可能導(dǎo)致拉裂,形成層狀撕裂[2]。因此,這部分結(jié)構(gòu)鋼材要求具有Z向性能,實(shí)際工程中鋼結(jié)構(gòu)厚板常發(fā)生層狀撕裂現(xiàn)象[3、 4]。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)有大量TKY節(jié)點(diǎn),通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接。因此,節(jié)點(diǎn)部位的抗層狀撕裂性能對(duì)于導(dǎo)管架服役安全非常重要。

層狀撕裂屬于焊接裂紋,主要與鋼的潔凈度、夾雜物形態(tài)、結(jié)構(gòu)厚度方向受力和焊接工藝[5、 6]等因素相關(guān)。衡量鋼板層狀撕裂性能最簡(jiǎn)便的方法是鋼板厚度方向拉伸試驗(yàn),用斷面收縮率判定,國(guó)內(nèi)海洋工程用鋼普遍采用這一指標(biāo)判斷和劃分鋼的質(zhì)量等級(jí)[7]。海洋平臺(tái)用Z向鋼通常要求Z35級(jí),即厚度方向斷面收縮率3個(gè)試樣平均值不小于35%,單值不小于25%。此外,評(píng)定鋼層狀撕裂敏感性的焊接方法通常有Z向窗型拘束裂紋試驗(yàn)、克蘭菲爾德裂紋試驗(yàn)等[5、 6,8]。為保障超高強(qiáng)度鋼實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并在導(dǎo)管架首次應(yīng)用成功,本文通過(guò)常規(guī)試驗(yàn)方法:化學(xué)成分分析和厚度方向拉伸試驗(yàn),同時(shí)采用焊接評(píng)估方法Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn),對(duì)國(guó)產(chǎn)API 2Y-660典型厚板的層狀撕裂敏感性進(jìn)行評(píng)定。Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)結(jié)合焊接并模擬實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中厚度方向受力最為嚴(yán)重的情況,可為國(guó)產(chǎn)API 2Y-60鋼在深水導(dǎo)管架的首次應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的鋼板和焊材均為該導(dǎo)管架建造實(shí)際使用材料,試驗(yàn)鋼板厚度采用90mm和100mm兩個(gè)典型厚板厚度,供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理(淬火+回火處理),超聲波檢驗(yàn)按照ASTM A578/A578M達(dá)到C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。為使試驗(yàn)結(jié)果更具有代表性,兩個(gè)厚度鋼板為不同爐生產(chǎn)。Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)件焊接采用氣保藥芯焊FCAW-G(flux cored arc welding-gas,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2),焊材選用AWS(American Welding Society,美國(guó)焊接學(xué)會(huì))類別E81T1-Ni1M、神鋼牌號(hào)DW-A55LSR,直徑φ1.2mm,試驗(yàn)鋼板和焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。鋼板拉伸試驗(yàn)分別在鋼板頭尾部的角部、1/4板厚、橫向取樣,沖擊試驗(yàn)在鋼板尾部、1/2板寬、1/2板厚橫向取樣,焊材的熔敷金屬擴(kuò)散氫為3.4ml/100g,為低氫型。

表1 試驗(yàn)用鋼板和焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Tab.1 Chemical compositions of API 2Y-60 steel plate and deposited metal(wt,%)

表2 試驗(yàn)用鋼板和焊材的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of API 2Y-60 steel plate and deposited metal

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 厚度方向(Z向)拉伸試驗(yàn)

按API SPEC 2Y附錄A S4厚度方向(Z向)試驗(yàn)要求[9],在試驗(yàn)鋼板頭、尾兩端的1/2板寬處,分別制備3個(gè)全尺寸厚度方向圓棒拉伸試樣,直徑為12.5mm,試樣的軸線與鋼板表面垂直。試樣加工及拉伸試驗(yàn)按ASTM A370要求,斷面收縮率不小于30%。

1.2.2 Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)

1. 試板制備

試板制備參考CB 1116 Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)方法[10],兩個(gè)板厚的試驗(yàn)鋼板分別制備1組3件試件。如圖1所示,試件由窗型板和試驗(yàn)板組成?？紤]工程實(shí)際情況,本次試驗(yàn)窗型板由長(zhǎng)400mm×寬350mm增加到長(zhǎng)510mm×寬510mm,厚度與試驗(yàn)板厚度相同,從50mm增加到90mm/100mm,試驗(yàn)板高度由100mm增加到200mm,試驗(yàn)板寬度方向?yàn)殇摪遘堉品较?試驗(yàn)板寬度為100mm。試板焊接使用藥芯焊絲氣保護(hù)焊FCAW-G,先完成拘束焊縫Ⅰ和Ⅱ的焊接,檢驗(yàn)合格后再完成試驗(yàn)焊縫Ⅲ和Ⅳ的焊接。焊接過(guò)程使用電加熱保溫,焊后自然冷卻,焊接期間環(huán)境為溫度21～31℃,濕度33%～90%。試驗(yàn)焊接完成48h后,對(duì)拘束焊縫和試驗(yàn)焊縫分別進(jìn)行外觀、磁粉和超聲波檢測(cè),試驗(yàn)過(guò)程照片如圖2所示。

t-試驗(yàn)板和窗型板厚度,Ⅰ、Ⅱ-拘束焊縫,Ⅲ、Ⅳ-試驗(yàn)焊縫圖1 Z向窗型層狀撕裂試板示意圖Fig.1 Z-type window test specimen for lamellar tearing

(a) 試板裝配完成(b) 試板焊接完成圖2 Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)過(guò)程照片F(xiàn)ig.2 Z-type window test specimen for lamellar tearing

2. 腐蝕、觀察和裂紋計(jì)算

焊接試板無(wú)損檢測(cè)合格后,每塊試板切割成5塊小試樣,并將小試樣的8個(gè)橫截面磨光(不包括兩端)后用4%硝酸酒精腐蝕;然后,用清水、酒精沖洗表面,電吹風(fēng)烘干后觀察。重點(diǎn)觀察中間試板的熱影響區(qū)及母材是否存在裂紋,測(cè)量并計(jì)算裂紋率。實(shí)際切割前的試板照片如圖3所示。

圖3 裂紋觀察試樣加工實(shí)際照片F(xiàn)ig.3 Specimen preparation for crack observation

2 焊接工藝確定

2.1 導(dǎo)管架建造焊接工藝

國(guó)內(nèi)首次在導(dǎo)管架上使用超高強(qiáng)度鋼API 2Y-60,除了強(qiáng)度較通常使用的DH36/EH36有一定提升外,熱處理交貨狀態(tài)有明顯差異。DH36/EH36為正火態(tài)交貨,API 2Y-60為調(diào)質(zhì)態(tài)交貨。此外,合金成分設(shè)計(jì)有一定差異。為此,導(dǎo)管架建造設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的焊接工藝十分嚴(yán)格,工藝參數(shù)見(jiàn)表3。對(duì)于板厚超過(guò)50mm的結(jié)構(gòu)若使用藥芯焊絲氣保護(hù)焊FCAW-G,當(dāng)母材厚度50mm

表3 導(dǎo)管架建造用厚板焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding procedure parameters in the construction of jacket

2.2 Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)焊接工藝

參考導(dǎo)管架建造用焊接工藝,試件焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。采用多層多道焊,預(yù)熱溫度不小于110℃,層間溫度不超過(guò)200℃。焊接過(guò)程使用電加熱保溫,焊后自然冷卻,不再進(jìn)行后熱保溫處理,焊接保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。試驗(yàn)焊接工藝較導(dǎo)管架實(shí)際焊接工藝有一定程度的放寬。

表4 試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)Tab.4 Parameters of the welding procedure

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分結(jié)果分析

由表1可知,90mm和100mm厚試驗(yàn)鋼板的硫含量分別為0.0021%、 0.0023%,滿足API SPEC 2Y針對(duì)Z向性能鋼附錄A S5硫含量不大于0.006%的要求。鋼材的層狀撕裂傾向主要取決于鋼中硫等非金屬夾雜物的含量和形態(tài)[3～5]。非金屬夾雜物一般為脆性相,與鋼板基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度低。軋制鋼板在軋制方向和寬度方向變形較大,非金屬夾雜物被壓扁,嚴(yán)重影響鋼板厚度方向的性能。GB 712-2011中要求DH36/E36的硫含量不大于0.025%,本次導(dǎo)管架用超高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)采用API SPEC 2Y,非Z向鋼要求硫含量不大于0.010%,Z向鋼要求硫含量不大于0.006%,鋼板熔煉潔凈度高于常規(guī)高強(qiáng)度鋼。硫含量低為鋼板的抗層狀撕裂性能提供了基本保障。

3.2 厚度方向(Z向)拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

90mm和100mm厚試驗(yàn)鋼板厚度方向拉伸試驗(yàn)的斷面收縮率結(jié)果見(jiàn)表5。目前,船舶及海洋工程用鋼通常采用Z向拉伸斷面收縮率,評(píng)價(jià)鋼板厚度方向?qū)訝钏毫研阅躘6],Z向性能級(jí)別分為Z25和Z35,海洋平臺(tái)節(jié)點(diǎn)要求使用Z35級(jí)Z向性能鋼材。API SPEC 2Y規(guī)定Z向鋼厚度方向斷面收縮率不小于30%。本次試驗(yàn)的兩種厚板的Z向斷面收縮率單值最低為58%,平均值最低為59%,滿足API SPEC 2Y要求,且有較大余量。較高的厚度方向斷面收縮率,表明鋼板厚度方向具有較高的塑性變形能力和良好的Z向抗層狀撕裂性能。

表5 試驗(yàn)鋼板厚度方向斷面收縮率Tab.5 Reduction of area through thickness of API 2Y-60 steel plate

3.3 Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)結(jié)果分析

無(wú)損檢測(cè)結(jié)果顯示,拘束焊縫和試驗(yàn)焊縫表面及內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)裂紋。圖3所示的小試樣經(jīng)腐蝕清洗烘干后觀察,2個(gè)厚度鋼板的2組6個(gè)試板共48個(gè)橫截面的焊縫、熱影響區(qū)及母材均未發(fā)現(xiàn)裂紋,橫截面裂紋率均為0,如表6所示。兩種厚度鋼板焊接接頭橫截面的典型照片如圖4所示。Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)結(jié)果受焊接工藝參數(shù)影響很大[6],在其他情況不變的前提下,提高預(yù)熱溫度或?qū)娱g溫度、降低焊材的強(qiáng)度,可以降低裂紋率。預(yù)熱溫度和層間溫度與焊接過(guò)程中擴(kuò)散氫溢出有關(guān),溫度高,易于擴(kuò)散氫溢出,避免了材料的脆化;焊材強(qiáng)度降低,結(jié)構(gòu)母材及熱影響區(qū)受到的厚度方向的殘余應(yīng)力降低,有效降低了裂紋率。導(dǎo)管架建造要求65mm以上的厚板焊接預(yù)熱溫度應(yīng)大于150℃,此次Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)90mm/100mm試驗(yàn)板焊接預(yù)熱溫度大于110℃,且采用加大熱輸入,焊后取消后熱處理,沒(méi)有發(fā)生層狀撕裂。這表明導(dǎo)管架建造使用的焊接工藝有一定的安全裕度。

表6 Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)橫截面裂紋率Fig.6 Cracking ratio of Z-type window tests

(a) 90mm鋼板

(b) 100mm鋼板圖4 試驗(yàn)焊接接頭橫截面典型照片F(xiàn)ig.4 Typical cross section photos of test steel plate

與分析鋼板硫含量和Z向拉伸試驗(yàn)的斷面收縮率相比,Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)包含了鋼板、焊接材料、焊接工藝參數(shù)(預(yù)熱及道間溫度、熱輸入等)與導(dǎo)管架實(shí)際建造相關(guān)的一系列因素,是一種對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼抗層狀撕裂性能更為直接的試驗(yàn)方法。90mm和100mm試驗(yàn)用鋼Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn),進(jìn)行試件的無(wú)損檢測(cè),截面試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋,表明導(dǎo)管架建造采用的鋼板、焊接材料及焊接工藝制作的焊接接頭層狀撕裂敏感性較低,具有良好的抗層狀撕裂性能。

4 結(jié) 論

本文采用化學(xué)成分分析、厚度方向拉伸試驗(yàn)和Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn),評(píng)定首次在導(dǎo)管架應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋼API 2Y-60的抗層狀撕裂性能,結(jié)論如下:

(1) 試驗(yàn)鋼板硫含量分別為0.0021%、 0.0023%,滿足鋼板生產(chǎn)規(guī)范API 2Y對(duì)Z向性能鋼的要求。

(2) 試驗(yàn)鋼板厚度方向斷面收縮率分別為67%、 70%、 59%和60%,滿足鋼板生產(chǎn)規(guī)范不小于30%的要求,且有較大余量,Z向性能良好。

(3) 采用導(dǎo)管架建造用焊接材料,參照導(dǎo)管架建造實(shí)際焊接工藝,90mm和100mm試驗(yàn)鋼板的Z向窗型層狀撕裂試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)裂紋,表明焊接工藝與試驗(yàn)鋼板匹配良好,層狀撕裂敏感性低。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,深水導(dǎo)管架用國(guó)產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼API 2Y-60鋼板抗層狀撕裂性能良好,層狀撕裂敏感性低,導(dǎo)管架建造焊接工藝有一定安全裕量。后續(xù)類似結(jié)構(gòu)鋼的首次應(yīng)用論證可以參考本文方法,評(píng)定鋼板的抗層狀撕裂性能。