用于海洋平臺S420高強度鋼焊接工藝研究

靳偉亮

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島266520）

用于海洋平臺S420高強度鋼焊接工藝研究

靳偉亮

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島266520）

為了研究用于海洋石油平臺S420高強度鋼的焊接工藝，采用SAW和FCAW-G工藝對國產S420高強度鋼EH420進行了焊接試驗、力學性能測試及CTOD試驗測試。試驗結果表明，焊接接頭的各項性能均滿足相關標準的要求，且具有較好的斷裂韌性即抗裂性能，滿足南海深水油氣開發設計需求，在深水油氣開發中可取代S355鋼材，可有效降低海洋結構物總體質量、施工難度和開發成本。

焊接；S420鋼；焊接工藝；斷裂韌性

自1943年世界第一臺水深為6 m的導管架式采油平臺在墨西哥灣問世以來，至今世界各國對海洋資源的開發方興未艾。目前，海上油氣田的開發已從淺海到深海、冰海區域發展，前景廣闊，同時對海洋鉆井平臺制造技術的要求也越來越高。

海洋平臺是人類開發海洋資源的工具，屬于超大型焊接鋼結構，應用在波浪、海潮、風暴及寒冷流冰等嚴峻的海洋工作環境中，這些特征決定了海洋平臺用鋼必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂以及良好的可焊性和冷加工性能。20世紀60年代開始，歐美一些國家和日本已開始了對海洋石油平臺用鋼的研究和開發，S420鋼已普遍用于海洋石油平臺的建造[1]。而國內對于該強度級別鋼材的研究及使用相對滯后，尤其在海洋油氣開發工程主體結構中尚未使用S420鋼。目前國內海洋油氣開發工程主體結構仍然普遍使用S355鋼，而隨著國家海洋油氣開發逐步走向深水，海洋工程結構所用板厚增大，質量不斷增加，則焊接層道數也大幅增加，由此造成焊接殘余應力及焊縫中累積的擴散氫水平不斷增加，同時產生焊接缺陷的幾率也隨之增加，進而導致焊接冷裂紋發生及焊接變形問題，施工難度不斷增大[2-3]。如果海洋平臺采用更高強度級別鋼材，所用鋼材板厚可相應減小，上述問題能夠得到一定緩解，同時可減重約20%，降低施工難度，節省開發成本。

基于上述原因，開展了針對S420高強度鋼的焊接工藝開發，并對其焊接接頭的力學性能和斷裂韌性進行了測試，期望對S420鋼材在海洋平臺中的應用提供一定的技術支撐。

1 試驗材料

試驗材料選用寶鋼產EH420－Z35鋼，規格為1 000 mm×3 200 mm×80 mm，供貨狀態為TMCP，其化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 寶鋼產EH420－Z35鋼的化學成分 %

表2 寶鋼產EH420－Z35鋼的力學性能

AWS D1.1[4]鋼結構焊接規范中要求鋼材碳當量Ceq和冷裂紋敏感指數Pcm的計算公式為

將表1中數據代入公式（1）和公式（2）可得Ceq＝0.38%，Pcm＝0.18%。那么，按照國際焊接學會和中國造船規范推薦的碳鋼及低合金鋼常用的碳當量標準：當碳當量＜0.4%時，鋼材的淬硬傾向不明顯，可焊性優良；當碳當量為0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需要采取適當預熱，控制線能量等工藝措施；當碳當量＞0.6%時，淬硬傾向強，屬于較難焊的鋼材，需采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。由此得出本次所選試樣碳當量≤0.40%，具有較好的焊接性。

2 焊接工藝設計與開發

根據所選鋼材情況，焊接工藝設計時著重注意以下幾點：

（1）適當的預熱溫度和層間溫度。所選鋼材壁厚為80 mm，為降低焊接接頭拘束度及緩解焊接殘余應力，確定預熱溫度最低為110℃，層間溫度最高為200℃。

（2）嚴格控制焊接線能量。線能量過大，容易造成焊接接頭和熱影響區組織過熱，產生過熱組織而使其脆化，降低焊縫和熱影響區的硬度和韌性；線能量過小，焊接熱輸入不足，熔池溫度不夠，冷卻速度快，容易產生淬硬組織，如馬氏體，造成焊縫應力集中，嚴重產生變形和開裂。所以，本次試驗埋弧焊線能量控制在1.8～2.5kJ/mm，氣體保護藥芯焊線能量控制在1.0～2.0 kJ/mm。

（3）焊接材料選用與母材等強匹配的低氫焊材，降低氫致裂紋發生幾率。

2.1 焊前準備

根據 AWS D1.1 及 DNV－OS－C401[5]標準要求，分別確定埋弧焊1G橫焊和氣體保護藥芯焊3G立焊試驗。焊縫坡口形狀及尺寸如圖1所示。

焊前應采取打磨等措施徹底清除坡口表面及附近25 mm內的鐵銹和油污等異物。

圖1 焊縫坡口形狀及尺寸

2.2 焊接工藝

（1）焊前預熱溫度不小于110℃，層間溫度不超過200℃。采用電阻加熱器對焊縫兩側各150 mm進行預熱，層間溫度不得低于預熱溫度。

（2）采用多層多道焊，選用適當的焊接參數，嚴格按上述要求控制焊接線能量，具體焊接工藝參數見表3。

（3）焊接完成后，立即使用保溫棉包裹焊縫區進行緩冷處理。

表3 焊接工藝參數

3 檢驗及結果分析

3.1 無損檢驗

焊接完成48 h后進行NDT（無損檢驗）檢驗，包括焊縫外觀檢驗、MT和UT探傷，檢驗結果均滿足AWS D1.1鋼結構焊接規范的要求。

3.2 力學性能試驗

根據AWS D1.1鋼結構焊接規范對焊接工藝評定試驗的要求，分別進行減截面拉伸、全焊縫拉伸、側向彎曲、夏比沖擊和宏觀硬度試驗[4]，試驗結果見表4～表7。

表4 拉伸試驗結果

表5 彎曲試驗結果

表6 夏比沖擊試驗結果

表7 宏觀硬度試驗結果

由表4～表7可知：①全焊縫拉伸試驗結果均高于GB 712—2011[6]標準要求，證明所選焊接材料匹配適合；②彎曲試驗采用50.8 mm壓頭進行側彎試驗，所有試件彎曲面均無裂紋，證明焊縫金屬塑性滿足需求；③－40℃夏比V形沖擊試驗結果良好，均高于標準要求，證明焊接接頭具有較好的沖擊韌性；④所有宏觀硬度試驗滿足DNV－OS－C401標準對S420材料 HV10最大 350的要求。

4 斷裂韌性試驗

斷裂韌性是表征材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料韌性好壞的一個定量指標。其中CTOD（crack-tip opening displacement，裂紋尖端張開位移）試驗是目前普遍用于測試材料斷裂韌性的一種試驗方法。通過CTOD試驗不但可以選擇材料韌度，而且可以為結構的安全可靠性的評定提供試驗依據[7-9]。本次試驗根據 DNV－OS－C401和BS 7448－2[10]標準要求，分別對兩種不同焊接工藝的焊接接頭按圖2進行疲勞裂紋預制并進行CTOD試驗。具體試驗結果見表8。

圖2 疲勞裂紋預制

表8 CTOD試驗結果

典型焊接接頭熱影響區和焊縫CTOD試驗斷口形貌如圖3和圖4所示，均為典型的塑性斷裂。

按照DNV－OS－C401標準要求：①3～5個有效結果時，CTOD試驗最小結果應大于0.15 mm；②6～10個有效結果時，CTOD試驗第二小結果應大于0.15 mm；③11～15個有效結果時，CTOD試驗第三小結果應大于0.15 mm。

由此可見，本次試驗結果完全滿足DNVOS－C401標準要求，且能滿足部分歐洲項目CTOD值大于0.25 mm的要求，證明焊接接頭在－10℃環境下具有良好的抗裂性能，進一步證明了焊接材料和焊接工藝的適用性。

圖3 不同焊接工藝的CTOD試驗熱影響區斷口形貌

圖4 不同焊接工藝的CTOD試驗焊縫斷口形貌

5 結 論

（1）依據AWS D1.1標準成功地對80 mm EH420鋼板進行了埋弧焊和氣體保護藥芯焊工藝開發，各項試驗結果均滿足標準要求。焊接接頭具有較好的強度、韌性和低溫沖擊性能，滿足海洋工程設計要求。

（2）分別對兩種焊接工藝的焊接接頭進行了斷裂韌性CTOD試驗，試驗結果表明：－10℃服役條件下斷裂韌性CTOD試驗結果均滿足DNV－OS－C401標準大于0.15 mm的要求，兩種工藝的焊接接頭具有良好的抗裂性能，同時－10℃服役條件基本能夠覆蓋南海深水油氣開發的服役溫度要求。

（3）通過選用S420高強度鋼替代目前普遍使用的S355鋼材，能夠降低海洋工程用鋼材壁厚，進而降低焊接殘余應力及焊縫中累積的擴散氫水平，從而降低焊接冷裂紋發生幾率和焊接變形問題。

（4）本研究為后續深水油氣開發工程采用S420高強鋼替代目前普遍的S355鋼材、減輕海洋工程結構物質量及施工難度和開發成本，提供了一定的技術支撐。

［1］侯曉英.海洋平臺用鋼的開發及應用現狀[J].萊鋼科技， 2014（6）： 1－3.

［2］陳燕紅.焊接冷裂紋的預防技術[J].企業技術開發，2006， 25（7）： 54－55.

［3］林浩.船用高強度鋼焊接冷裂紋的形成和預防[J].造船技術， 2003（3）： 30－32.

［4］ AWS D1.1—2010， Structural Welding Code-steel[S].

［5］ DNV－OS－C401—2009， Fabrication and Testing of Offshore Structures[S].

［6］GB 712—2011，船舶及海洋工程用結構鋼[S].

［7］曹軍，李小巍，溫志剛.CTOD斷裂韌度試驗在海洋平臺建造中的應用[J].中國海上油氣，2004，16（2）：129.

［8］霍立興.焊接結構工程強度[M].北京：機械工業出版社，1995.

［9］霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業出版社，2000.

［10］ BS 7448 －2—1997， Fracture Mechanics Toughness Tests， Part 2.Method for Determination of KIC，Critical CTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials[S].

Research on Welding Process of S420 High Strength Steel Used for Ocean Platform

JIN Weiliang
（Offshore Oil Engineering(Qingdao)CO.,Ltd.,Qingdao 266520,Shandong,China）

In this article,in order to research the welding process of S420 high strength steel used for ocean platform,the welding tests,mechanical performance tests and CTOD test for S420 high strength steel were carried out by adopting SAW and FCAW－G welding process.Test results showed the performance of welded joints all meet the requirements of the related standard and possesses good crack resistance，which also meet the design requirements of oil and gas development in the South Sea,it can replace S355 steel in deep-water oil and gas development.This research effectively reduces the overall quality of marine structure,construction difficulty and the cost of development.

welding;S420 steel;welding process;fracture toughness

TG438.2

A

1001－3938（2015）12-0023-05

靳偉亮（1981—），男，工程師，主要從事海洋石油工程焊接工藝開發和設計工作。

2015－08－08

李紅麗