海洋工程用钢的焊接技术现状及发展

　　摘要：海洋平台用钢具有高强度 大厚度等特点，不易于焊接， 需要制定合理的焊接工艺。本文探讨了海洋工程用钢的焊接技术现状及发展趋势。

　　关键词：海洋平台用钢；焊接技术；现状；发展趋势

　　Abstract: the offshore platform with steel has high intensity big thickness of characteristic, is not easy to welding, need to formulate rational welding process. This paper discusses the use of Marine engineering steel welding technology situation and development trend.

　　Keywords: sea platform with steel; Welding technology; The present situation; Development trend

　　中图分类号：P75         文献标识码：A           文章编号：

　　海洋周围储存着丰富的石油与天然气, 早在20 世纪70 年代英国与挪威就在北海地区开发油气田,随着人类对海洋的不断开发,大型海洋采油平台得到了迅速发展。海洋平台具有工作条件荷刻,安全可靠性要求严格,使用寿命长,维护保养困难等特点, 对钢的性能和冶金质量提出了很高的要求。

　　一、海洋平台用钢

　　1、海洋平台用钢分类

　　目前， 我国没有具体的海洋平台用钢标准， 主要使用的海洋平台标准有 EN10225、 API 、BS7191 以及船舶标准， 主要交货方式为 TMCP( 热机械轧制) 正火及调质态。

　　国际海洋平台用钢主要级别为 355 、420 、460MPa 主要牌号为355 MPa 级的 EN10225 的 S355、API 的 API2H250、 API2w250、 BS7191 的 350EM， 船标的 E36; 420 MPa 级的 EN10225 的 S420 、API 的API2Y260 、API2w260， 船标的E40、 E420; 460 MPa 级的 EN10225 的 S460， 船标的 E460。

　　国内海洋平台用钢主要牌号为 A、B、D、E( Z15，Z25， Z35) AH322 － FH32( Z15， Z25， Z35) AH362 －FH36 ( Z15， Z25， Z35 ) AH402 － FH40 ( Z15， Z25，Z35) API2H、 Cr42 、Cr50 等。

　　2． 海洋平台用钢的特性

　　（1） 高强度

　　随着海洋资源开发的发展,普通的 360 MPa 和400 MPa 级海洋平台用钢已经不能满足需要, 提高强度对于平台用钢的减重、 降低成本具有重要意义。新日铁采用TMCP 生产了厚度为16~ 70 mm、 屈服强度为500 MPa、 抗拉强度为 650 MPa、 - 40℃ 冲击功大于 200 J 的平台用钢; 并且屈服强度达到500~ 700 MPa 将成为未来发展的方向。国外的0X812、 SE702 或DSE690V 等高强度海洋平台用钢已经满足 30~ 100 mm 板厚固定平台结构的要求,屈服强度达到 690, 750, 700 MPa, 低温冲击功分别为100 J( - 80℃  ) , 120 J( - 40℃  ) 和 74 J ( - 60℃ ) ,碳当量比较低,已经成功用于海洋平台;新日铁开发的 210 mm 厚自升式海洋平台用特厚板( HT 80) ,屈服强度超过了700 MPa, 抗拉强度超过了850 MPa。

　　（2）厚规格

　　由于海洋平台的日益大型化, 尤其是自升式海洋平台,需要抗拉强度高达800 MPa级、 厚度达125~ 150 mm 的特厚板,增大厚度不仅造成焊接困难,且对强度和低温韧性产生重大影响。在轧制过程中由于中间变形较小和冷却速率较低,晶粒粗大, 强度和韧性较低, 而一般通过调质处理生产的厚板, 因合金含量的提高又影响了焊接性能,因此,合理的成分设计如铌、钒、 钛微合金的添加和 TMCP 工艺参数控制是生产厚板的关键。JFE 开发出了厚度为 140mm、 屈服强度为700 MPa、 抗拉强度为800 MPa的含镍平台用钢。迪林根生产的正火后 355 MPa

　　级钢板可以在保证焊接性能的条件下厚度达到 120mm,而采用T MCP 生产的钢板厚度一般不超过90mm; 420 MPa级的 TMCP 钢板和调质钢板厚度可以达到100 mm。

　　（3）高的低温韧性

　　随着对海洋开发区域的日益扩大, 海洋用钢的低温韧性更显重要, F 级钢板需求量将大增。通过轧机性能和控制冷却能力的提高、 合理的成分设计和T MCP 工艺参数控制,通过细化晶粒可以满足低温韧性的需要;不同生产商也采用在超厚板中适当添加镍含量提高其低温韧性, 韧脆转变温度可以达到- 60 ℃ 。迪林根开发的用于北极圈库页岛的S450 钢在- 60 ℃  时冲击功超过300 J, 满足了此类地区海洋开发的需要。

　　（4）高耐腐蚀性能

　　由于海洋用钢结构长期处于盐雾、 潮气和海水等环境中,受到海水及海生物的侵蚀作用而产生剧烈的电化学腐蚀,漆膜易发生剧烈皂化、 老化, 产生非常严重的结构腐蚀, 不仅降低了结构材料的力学性能, 缩短其使用寿命, 而且又因远离海岸, 不能像船舶那样定期进行维修、 保养。所以对其耐腐蚀性能的要求更高。

　　3、海洋平台用钢的焊接性

　　金属焊接性是指金属能否适应焊接加工而形成完整的。 具备一定使用性能的焊接接头的特性 金属焊接性包括两个方面: 一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性; 二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。 也可以认为， 焊接性不仅要考虑到金属的结合性能， 而且还要考虑到焊接后的使用性能 一般情况在分析焊接性的时候， 十分重视具体工艺条件， 也就是说要着重于分析。 工艺焊接性采用什么样的方法对焊接性进行评定取决于实际的使用情况， 其中最常用的方法是用碳当量来确定。 碳当量是衡量淬硬性的指标， 可由钢中的化学成分算出来 另一个重要参数是裂纹敏感指数， 这可以确定钢的预热温度及层间温度。 海洋平台用钢大部分是 TMCP 钢， 其碳含量很低， 但是其含有一定量的合金元素， 这些合金元素在焊接接头中会导致过度硬化， 从而增加冷裂纹敏感性。

　　（1） 热裂纹

　　海洋平台用钢一般含碳量较低， 含锰量较高， 且含磷、 硫杂质控制较严， 因此热裂纹的倾向较小。

　　（2） 焊接冷裂纹

　　冷裂纹分为延迟裂纹、 淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。 一般所讲的冷裂纹大部分是指延迟裂纹。 延迟裂纹又与钢材的淬硬组织、 接头中的含氢量以及接头所处的拘束应力状态有关。 在进行海洋平台用钢焊接时， 由于这些高强钢都是大厚度的， 所以焊接时拘束比较大， 而且这种钢大部分都是经过TMCP 处理的 经过 TMCP 处理后， 氢在高强钢母材、 热影响区 、焊缝中的溶解度依次加大。 在母材中， 氢扩散的主要路径为等轴铁素体， 铁素体渗碳体( 珠光体) 等区表面的晶粒边界上; 在热影响区， 氢扩散的主要路径为针状或板条状贝氏体区表面的晶界上; 在焊缝中， 氢扩散的主要路径为铁素体， 针状铁素体边界区的断晶边界上 可见在稍有缺陷的焊接接头上， 氢极易聚集， 诱发氢致裂纹， 所以这种钢的焊接易产生冷裂纹。

　　（3）焊接热影响区 HAZ 的韧性

　　HAZ 中韧性的恶化是由于在较大的焊接线能量下 HAZ 晶粒粗化导致的。 从1983 年开始就一直有人关心用高强度厚钢板制造的海洋采油平台钢中焊缝的 HAZ 韧性。 海洋平台用钢常使用铌、 钒作为合金元素进行微合金化， 但是铌、 钒曾被许多专家认定是对 HAZ 韧性有害的元素， 这就使得平台用钢在高热输入焊接时实现良好的焊接 HAZ 韧性成为问题。 在海洋平台用钢的焊接过程中， 规定最高 HAZ许用硬度已经非常普遍， 约为300 HV10。

　　二、 海洋平台用钢的焊接技术

　　1、 海洋平台用钢的焊接现状

　　（1） 焊接材料

　　对于焊接材料的选择， 要求所得焊缝金属的机械性能应接近于母材的机械性能， 一般采用 "等强匹配"。 但是对于一些大厚度， 强度级别更高的海洋平台用钢， 往往会采用" 低强匹配"。 在不影响其整体机械性能的情况下， 通过牺牲一定的强度， 来获得比较好的焊缝韧性。 焊条电弧焊进行焊接时， 经过 TMCP 处理的海洋平台用钢对延迟裂纹有一定的敏感性，一般选用低氢焊条。 药芯焊丝是焊接海洋平台用钢理想的材料， 通过混合气体的保护，一方面降低了气体保护焊所带来的飞溅问题，另一方面又提高了焊接的效率。

　　（2）焊接方法

　　目前， 在我国船厂， 海洋平台用钢常用的焊接方法主要有手工电弧焊， 二氧化碳气体保护焊， 保护药芯焊丝气体保护焊， 部分使用埋弧焊。

　　2、海洋平台用钢焊接技术的发展趋势

　　随着深海油气资源的开发， 我国海洋平台的建造技术必然会有长足的发展， 进而海洋平台用钢的焊接技术也必然会快速的发展。

　　焊条电弧焊在工艺和应用上可以满足海洋平台用钢的焊接要求 但是， 焊条电弧焊存在着耗能大污染严重、工作环境恶劣、生产效率低等缺点，制约了海洋平台的建造周期。药芯焊丝气体保护焊热输入集中，效率高，熔池保护好，易于实现，是现阶段船厂广泛使用的一种焊接方法。 随着海洋平台用钢厚度的不断增加，埋弧焊和气电立焊可以快速提高生产效率， 可以有效改善海洋平台用钢的焊接现状。由于海洋平台用钢都是大厚度钢板的焊接，窄间隙焊接能量集中，可以减少海洋平台用钢坡口的处理，是未来海洋平台用钢焊接的发展方向。复合焊接方法可以集中利用各种焊接方法的优点， 提高海洋平台用钢的焊接效率 随着船厂自动化设备的普及， 激光焊接和机器人焊接也可以应用到海洋平台用钢的焊接。

　　参考文献：

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