海洋平臺用大厚度齒條鋼焊接性研究

謝 云

(中國第一重型機械集團 海洋工程事業(yè)部，遼寧 大連 116113)

0 前言

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各國對石油消費的需求正不斷增加，當今的陸地石油資源早已不能滿足日益增長的經(jīng)濟發(fā)展需要，海洋油氣開發(fā)成為各國家的重要能源戰(zhàn)略［1］。作為海洋石油勘探開發(fā)中主流產(chǎn)品之一的自升式鉆井平臺，由于具有用造價低、水上完井、定位能力強及作業(yè)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在近海海洋石油開發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用。但長久以來，國內(nèi)建造海洋平臺所用的齒條鋼一直都依賴國外進口，并且還時常因不能按時供貨而延誤生產(chǎn)，嚴重影響了我國海工裝制造備業(yè)的正常發(fā)展。為打破國外的壟斷局面，盡早開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋平臺用齒條鋼，實現(xiàn)該類高強韌性鋼板的國產(chǎn)化，具有巨大的經(jīng)濟價值和重大的社會效益。

本研究以目前生產(chǎn)400英尺水深自升式鉆井平臺中廣泛采用的177.8 mm厚低合金高強度調(diào)質(zhì)鋼板ASTM A517Gr.Q為研究對象，重點研究了該齒條鋼的焊接性能，以期通過較為全面的焊接性試驗準確掌握該材料的焊接性，為該類高端齒條鋼的國產(chǎn)化提供可靠的依據(jù)。

1 海洋平臺用齒條鋼的性能特點

作為自升式鉆井平臺的主要部件之一，樁腿支撐著整個上部平臺的質(zhì)量，是平臺的主要承載結(jié)構(gòu);而齒條又是樁腿的核心部件，樁腿所承受的各種載荷最終都會或直接或間接的作用在齒條上，因此要求齒條材料必須具有較高的強度，同時為保證海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全，避免發(fā)生脆性斷裂，還要求其具有優(yōu)異的低溫韌性和焊接性能。當前，國際上的海洋平臺用齒條鋼普遍采用ASTM標準中的A517Q［2］，其化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 ASTM A517 Gr.Q鋼的化學成分 %

表2 ASTM A517 Gr.Q鋼的力學性能

2 焊接性試驗

按照ABS《移動式海上鉆井平臺建造與入級規(guī)范》的要求［3］，需對齒條板材料進行焊接性能試驗。為了全面了解該鋼材的焊接性，試驗方案包含了以下試驗項目:焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗和全厚度(177.8 mm)平焊位對接焊力學性能試驗。試驗用的焊條為伯合樂焊接技術(shù)(中國)有限公司生產(chǎn)的T Phoenix 11018，焊條直徑φ4 mm，其熔敷金屬的化學成分和力學性能如表3、表4所示。

表3 T Phoenix 11018熔敷金屬的化學成分 %

表4 T Phoenix 11018熔敷金屬的力學性能

在全厚度對接焊力學性能試驗中的焊縫坡口形狀和尺寸如圖1所示，焊接熱輸入量為15 kJ/cm，具體的焊接工藝參數(shù)見表5。焊后72 h的試板后用機加工方法切割出所需試樣，依照ABS《材料與焊接規(guī)范》進行取樣。焊接接頭的拉伸和側(cè)彎試驗在CSS－WAW1000DL電液伺服萬能(拉力)試驗機上進行，沖擊試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機ZBC2452－3C上進行。金相檢驗和硬度試驗用的試樣經(jīng)研磨、拋光后用4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液腐蝕，宏、微觀金相檢驗分別在ZEISS Stemi 2000－C低倍顯微鏡和OLYMPUS GX－71光學顯微鏡下進行;沿接頭T/2及距焊縫上、下表面各1 mm處進行HV硬度測試，測點間隔0.7 mm，所用硬度計為450SVD，載荷49 N，加載時間15 s。

圖1 全厚度對接焊試驗中的坡口形式

表5 全厚度對接焊的焊接工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 冷裂紋敏感性評價

鋼的化學成分對焊接熱影響區(qū)的冷裂紋敏感性有直接影響。為評定本試驗鋼材的冷裂傾向，采用目前常用的國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量計算公式和日本焊接協(xié)會提出的焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm來判斷鋼的焊接性:

根據(jù)以上公式可計算出該鋼材的碳當量Ceq=0.89%，冷裂紋敏感指數(shù)Pcm=0.42%。依據(jù)Graville焊接性評價圖可知，該鋼種處于難焊區(qū)內(nèi)，焊接性較差，具有較大的淬硬傾向;且冷裂紋敏感指數(shù)Pcm=0.42%＞0.20%，也說明該鋼種具有一定的冷裂傾向。

3.2 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗按照GB 4675.5－84《焊接性試驗－焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗法》進行，試驗條件見表6，焊接電流150～160 A，試驗結(jié)果如圖2所示。在室溫、80℃和120℃預熱條件下焊接時，熱影響區(qū)的硬度值大致維持在HV10=250～275(見圖2)，偏離母材硬度(HB≤260)的程度不大，說明從熔合線切點至母材范圍均沒有明顯的淬硬傾向。預熱120℃與室溫及預熱80℃條件下相比，熱影響區(qū)中硬度的變化程度最小，且最高硬度只有HV10=264，說明在該條件下焊接可進一步降低熱影響區(qū)的冷裂紋敏感性。

表6 HAZ最高硬度試驗的試驗條件

圖2 焊接熱影響區(qū)的最高硬度分布曲線

3.3 全厚度平焊位對接焊力學性能試驗

由于鋼板厚度較大，所以采用分層拉伸試驗，試驗結(jié)果如表7所示。試驗結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強度均大于等于790 MPa，斷口位置都處于焊縫處，能夠滿足ABS船級社的相關(guān)技術(shù)要求(770 MPa＜Rm＜940 MPa)。

表7 焊接接頭的強度性能

焊接接頭的低溫沖擊韌性試驗結(jié)果如表8所示。T/2處焊縫和熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性總體上要弱于接頭表面處，這與參考文獻［4］得到的試驗結(jié)果類似，該現(xiàn)象與厚板的中心偏析所導致的中心性能降低有關(guān)，這一點可以從表8中所示的接頭T/2處遠離熔合線的母材區(qū)域的沖擊韌性值得到印證。

表8 焊接接頭低溫沖擊韌性

焊接接頭的橫向側(cè)彎試驗(試樣尺寸10 mm×38 mm ×150 mm，D=5a，α =180°)結(jié)果表明:試樣均未出現(xiàn)裂紋，冷彎性能全部達到要求。

接頭各處的硬度試驗結(jié)果如圖3所示。在接頭上、下表面及T/2處的焊縫區(qū)及母材區(qū)的硬度都較低，基本維持在HV5=250～280;但熱影響區(qū)的硬度值卻普遍偏高，超過了ABS相關(guān)規(guī)范限定的HV5=350的最高值，表明該接頭熱影響區(qū)的淬硬程度較大，存在一定的冷裂風險［5］。將該試驗結(jié)果與此前完成的焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗結(jié)果進行對比，可發(fā)現(xiàn)當試板厚度從20 mm增加至177.8 mm之后，熱影響區(qū)的淬硬程度明顯增大，這與全厚度試板的冷卻速度和接頭拘束應(yīng)力較大不無關(guān)系［6］。

焊后72 h對焊接接頭進行宏觀檢驗的形貌如圖4所示，由圖4可知，在距離焊縫下表面59～64 mm處存在一處裂紋，裂紋整體位于焊接熱影響區(qū)內(nèi)，縱向長度約5 mm。這也正好說明全厚度焊接接頭的熱影響區(qū)確實存在較大的冷裂紋風險。

圖3 焊接接頭的硬度分布

圖4 焊接接頭的宏觀形貌

母材與焊接接頭中熱影響區(qū)的微觀金相組織如圖5、圖6所示。母材組織中的板條束貝氏體形態(tài)顯著，而焊接熱影響區(qū)組織中的板條馬氏體的形態(tài)卻異常明顯，且距離熔合線越近則馬氏體板條束越粗大，晶粒粗化越來越嚴重。焊接接頭的力學性能與其微觀組織密切相關(guān)，由于熱影響區(qū)的組織中包含大量的板條馬氏體，所以熱影響區(qū)具有高的強度和硬度。

4 結(jié)論

(1)焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗表明，當該鋼種的焊接試板的厚度較薄時(20 mm)，熱影響區(qū)沒有明顯的淬硬傾向，且在預熱至120℃焊接時，HAZ最高硬度只有HV10264，冷裂傾向最低。

圖5 母材的金相組織

圖6 熱影響區(qū)的金相組織

(2)177.8 mm厚齒條鋼A517Q在全厚度對接焊接時，接頭T/2處的低溫韌性比接頭表面處要低，且在大厚度試板的快冷速和高拘束應(yīng)力的作用下，接頭熱影響區(qū)整體的淬硬傾向明顯增大，局部出現(xiàn)冷裂紋，表明熱影響區(qū)的冷裂敏感性較大。

(3)全厚度對接焊接頭中熱影響區(qū)的組織主要為板條馬氏體，這是齒條鋼A517Q接頭的熱區(qū)具有高強度和高硬度的主要原因。

:

［1］ 鄒家生，嚴 鏗，馬 濤，等.海洋鉆井平臺升降腿焊接工藝及抗層狀撕裂性能的研究［J］.電焊機，2007，37(6):81－85.

［2］ ASTM International.A517/A517M － 10，Standard Specification for Pressure Vessel Plates，Alloy Steel，High －Strength，Quenched and Tempered［S］.West Conshohocken:ASTM International，2010.

［3］ ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］.Houston:American Bureau of Shipping，2012.

［4］ 王元清，胡宗文，石永久，等.鋼結(jié)構(gòu)厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2010，7(5):1 －5.

［5］ 孫俊生，田志凌，欒守成，等.JG590鋼的焊接冷裂紋敏感性［J］.鋼鐵研究學報，2006，18(12):38 －42.

［6］ 張文鉞.焊接冶金學(基本原理)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.