海工鋼構Z向裂紋的成因及控制

陳曉宇

摘 要：Z向裂紋是一種危害極大的鋼結構裂紋。隨著近年來我國船舶工業的迅速發展，船舶與海洋工程鋼結構產品中的Z向

裂紋問題日益突出。本文結合現代船舶工業的特點，分析現代船舶與海洋工程鋼結構產品中Z向裂紋產生的原因，并

介紹該類裂紋的預防措施及常規檢測方法。

關鍵詞：海洋工程 Z向裂紋 質量控制

進入二十一世紀以來伴隨著全球經濟的日趨繁榮世界范圍內船舶工業迅速發展，各種海洋結構物的種類和數量迅速增加，船舶建造工藝和生產管理模式也針對性地進行了革新。隨著這些新型船舶陸續投入營運，很多傳統船舶中并不突出的問題開始涌現出來。船舶與海洋工程鋼結構中的Z向裂紋就是現代造船中需要重點關注的新問題之一。

Z向裂紋的定義、成因及常見位置

1、Z向裂紋的定義

Z向裂紋也稱層間撕裂（Lamellar Tearing）是指板厚方向（垂直于鋼板平面方面）的鋼板及焊縫內部裂紋。這種裂紋通常表現為冷裂紋，在某些結構剛性大焊接工藝不良的位置也可能表現為熱裂紋。Z向裂紋常見于大型船舶厚板的角接接頭，海洋平臺管節點位置全熔透的K型、T型、Y型接頭以及船舶、海洋平臺組塊的吊耳、頂撐點等集中受力位置。與其他方向裂紋不同的是，Z向裂紋經常出現于關鍵節點位置，一旦發生將導致結構迅速失效。更為嚴重的是相對其他類型的裂紋而言，Z向裂紋在鋼結構內部形成的破壞面很大，且很難采用常規方法檢出，修理這類損壞所耗費的時間和資源也非?？捎^。

2、Z向裂紋的成因及常見位置

鋼材Z向裂紋的原因可以概括為內因和外因兩個方面。鋼結構內材質的不均勻是導致Z向裂紋產生的內因。通常軋制鋼材中都不可避免地存在一定數量的雜質，主要成分是硫化物和硅酸鹽。如果這些雜質在某一個區域上過于集中，就容易在鋼材內部形成一種脆弱的夾層。通常鋼板厚度越大，在軋制的過程中越容易形成夾層。也就是說相對而言厚板更容易產生Z向裂紋。鋼結構內部材質不均勻的另一個原因是母材與焊材的化學成分本身存在一定的差異，這種差異必然會導致焊道位置及其附近的材質不均勻，進而導致剛才內部出現Z向裂紋。這也就是Z向裂紋多發生在焊縫與母材熔合線位置附近的原因。

焊接接頭在Z向產生較大的拉伸應變是引發Z向裂紋的外因。引起這種應變的主要是焊接導致的材料殘余應力。對于厚度較大的板材以及海洋工程導管架中的T、K、Y型管節點，不可避免地存在焊接過程中熱量梯度較大的問題，因此而產生的殘余應力也相對較大。同時，這些位置對材料變形的約束較大（即通常所說的剛性較大），如果殘余應力得不到有效的釋放，這些位置的材料就會在Z向上產生一個較大的應變。而常規鋼材抵抗Z向應變的能力比另外兩個方向要弱很多，一旦鋼材無法抵抗這種應變就會導致材料內部發生Z向裂紋。另外，施加在鋼結構上較大的Z向外力也會導致鋼材局部產生較大的內應力，進而導致Z向裂紋。所以Z向裂紋多發生在海洋平臺導管架、大型起重機基座、吊耳及其基座等結構剛性較大且主要承受Z向外力的位置。

現代船舶工業的特點及其與Z向裂紋的關系

船體結構Z向裂紋的問題的日益突出與現代船舶結構型式的轉變以及造船工藝的進步有著非常密切的關系?，F代船舶的大型化、工作環境的復雜化、造船焊接工藝的進步以及起重能力的大幅提升共同導致了在當代船舶工業中，Z向裂紋的問題不容忽視。

1、現代船舶的特點與Z向裂紋的關系

與傳統運輸船舶相比，現代船舶呈現出明顯的大型化趨勢，現代大型船舶的船長普遍超過150m，超大型集裝箱船的船長已超過366m。船長的增加必然導致船舶總縱強度問題的突出，這就使得在甲板等需承受總縱強度的關鍵位置的船殼板厚度大大增加?，F代大型集裝箱船的甲板板厚已經達到80mm，大型散貨船船中區域甲板厚度也在30mm以上，這對船用鋼材以及焊接的質量提出了更高的要求。厚板在軋制的過程中更容易產生薄弱夾層，也就更容易發生Z向裂紋。

隨著陸地資源的日益枯竭，人們開始將目光轉向海洋，海洋工程配套裝備的需求量開始大幅增加。海洋工程類產品所工作的環境更為惡劣，其鋼結構承受載荷的情況也與傳統意義上的船舶有很大的區別。特別是平臺導管架部分以及下浮體部分結構剛性大，且需要承受較大的Z向力。所以相對船舶而言，海洋工程項目更容易產生Z向裂紋。

2、現代造船技術的特點與Z向裂紋的關系

隨著材料科學的進步與船廠生產條件的日趨改善，現代船舶建造模式與傳統模式相比有了很大的變化，其中最大的特點之一就是建造速度的明顯加快。隨著船用鋼材及焊材質量的日益改善，FCB等快速焊接方法在造船也中普遍推廣。這些焊接方法雖然效率很高，但是極易引起焊接過程中線能量輸入過大，這將導致焊接結束后結構產生更大的殘余應力。當采用這類工藝施焊的結構受約束程度較高時，Z向裂紋的可能性就會大大增加。

隨著起重設備的迅速發展，現代船廠的起重能力普遍得到了很大的提高。為節約起運成本，現代造船模式下合攏階段起重量普遍在500t以上，海洋工程海上安裝組塊的重量甚至可達到4000t，這就導致船舶的部分結構在起運過程中需要承受更多的Z向載荷。相對而言吊耳或頂升支撐座位置的結構剛性都很大，一旦結構承受較大的Z向載荷將在很大程度上增加發生Z向裂紋的可能性。如果母材或焊道內已經存在細微的缺陷，則發生Z向裂紋是必然的。

常用的Z向裂紋預防方法

從前文的分析中可以看出，當代船舶與海洋工程產品Z向裂紋問題的日益突出與現代船舶以及造船技術的發展有著不可分割的聯系。如何既能充分發揮當代先進造船技術的優勢又能夠有效地避免Z向裂紋就成了現代船舶工業中亟待解決的問題。導致Z向裂紋的因素主要有內因和外因兩個方面，只要消除其中一個因素即可有效地避免Z向裂紋。在工程實踐中可以采取的措施如下：

1、適當地采用Z向原材料

普通鋼抵抗Z向應變的能力較差是導致Z向裂紋的內因。通常鋼材中的含硫量越高Z向延展性越差，拉斷后斷面收縮百分比（ΦZ）較小。工業上將ΦZ>15%的鋼材稱為Z向鋼。Z向鋼通常根據鋼材含還硫量進行分類，具體如下：

在大型起重機座、大型結構起吊點、海洋平臺導管架中的K、T、Y節點等需要承受Z向拉伸力又在焊接過程中受約束程度較高的位置采用Z向鋼并在焊接時選用與之相對應的焊材可以有效地避免Z向開裂。需要注意的是Z向鋼材與普通鋼材在外觀上幾乎沒有差別，在結構建造過程中應特別關注原材料的使用以免用錯。

2、改善承受Z向力位置的結構型式

鋼結構約束程度過大，焊后材料中的殘余應力難以釋放是導致Z向裂紋的主要外因，所以在進行鋼結構型式以及施工方案設計時要盡可能減小結構鋼性以避免局部產生較大的內應力。對容易產生Z向裂紋的位置采用加強結構要特別慎重，因為這些加強都會增加焊縫區域的約束程度。在建造過程中將一個大模塊分成幾個部分分別焊接后再拼裝可以有效地減少鋼材焊接時受約束的程度，進而降低焊后發生Z向裂紋的可能。

改善結構型式的另一個方法是通過合理的結構布局，避免出現集中承受Z向外力的位置，從而減少結構內應力。例如，對于起重量較大的分段或組塊可以采用增加吊環數量的方法減少局部吊點的受力，降低出現Z向裂紋的可能。對于某些原本需要選用較厚板材的板架位置可適當增加板架內的骨材密度，從而達到減少板厚降低發生Z向裂紋可能性的目的。

3、調整焊接工藝必要時進行焊后熱處理

適當的焊接工藝可以確保焊接質量，有效減少焊后殘余應力，進而避免鋼材Z向裂紋。通常而言FCAW方式焊接線能量輸入相對SMAW而言較小，的冷裂紋傾向也小，對于容易產生Z向裂紋的位置可以考慮盡可能多地采用FCAW的焊接方法。在實踐中采用多層多道焊的方式進行焊接可以有效地減少焊接區域的線能量輸入，進而避免焊道位置附近產生較大的殘余應力。另外、在焊后采用錘擊或局部熱處理的方式也是除殘余應力的有效方式。

對于厚板角接及管節點結構采用合理的焊接結構型式也可有效地減少焊后殘余應力。嚴格地控制焊道裝配間隙可以減少不必要的電焊工作量，從而減少焊接線能量的輸入進而減少收縮應力。采用雙面坡口對稱施焊的焊接型式可以有效地平衡部分焊后收縮變形。是對于厚板角接以及海洋工程導管架中的K、T、Y型管節點，在確保連接強度的前提下可以采用部分融透焊代替傳統的全融透接頭，從而減少不必要的線能量輸入。這些辦法都可以有效地減少焊接焊后殘余應力，避免Z向裂紋的產生。

4、針對性地選擇無損檢測方法

與常規的裂紋相比Z向裂紋存在較顯著的方向性，如果采用RT檢測時射線照射的方向與缺陷面垂直，或采用UT超聲波傳入材質內部的方向與缺陷方向平行該類缺陷很難被檢出。所以無論采用何種無損檢測方式，都應當選擇至少兩個相互垂直的方向進行檢查從而有效地避免漏檢。考慮到Z向裂紋具有顯著的冷裂紋特點，檢測的時機也非常重要。在實踐中不僅應在焊后48小時進行檢測，還應在焊后15天再進行一次檢測，從而有效地杜絕安全隱患。

結語

綜上所述，Z向裂紋是現代船舶工業中必須面對的問題。內因是決定矛盾的主要方面，所以預防Z向裂紋的關鍵是控制鋼材和焊材的質量，在鋼材和焊材的使用上應當嚴格把關。同時在設計中采用合理的結構型式，在施工中選用合適的焊接工藝并在完工后采用正確的質量控制方法進行檢測，就能有效地避免Z向裂紋對鋼結構的影響。

（作者單位：中國船級社上海分社）