海洋工程結構焊材選用淺述

李玉鵬

（中海油安全技術服務有限公司 天津 300452）

海洋工程結構焊材選用淺述

李玉鵬

（中海油安全技術服務有限公司 天津 300452）

結合工作中所積累的一些經驗，對海洋工程中，結構焊材的選用作了一些簡要分析，希望能為同行業提供參考借鑒。

海洋工程；結構焊材

1 海洋工程關鍵材料焊接現狀

鋼鐵材料的焊接技術：

（1）焊接方法及工藝現狀

海洋工程用鋼鐵主要分為：海洋平臺、海底油氣管線、艦船制造、海洋風力發電用鋼鐵材料等，如海洋平臺樁腿齒條鋼使用的Q690、海底油氣管線使用的X65/70鋼、艦船制造使用的EQ56/70鋼、LNG船使用的殷瓦鋼等。現階段，歐美、韓國、新加坡等海洋工程裝備制造強國已經掌握鋼鐵材料的先進焊接制造技術，也是世界范圍內相關技術的引領者。國內海洋工程裝備制造中的普通鋼結構件焊接工藝已較為成熟，但重要結構件的特殊鋼材的焊接工藝整體水平還有待提升。國內針對海洋工程裝備用鋼鐵材料的焊接方法依然以傳統焊接方法為主，包括手工電弧焊（SMAW）、藥芯焊絲電弧焊（FCW）、鎢極氬弧焊（GTAW）、埋弧自動焊（SAW）、氣電立焊（EGW）、焊劑銅襯墊單面焊（FCB）等，其中手工電弧焊、埋弧自動焊、藥芯焊絲電弧焊是現階段海工裝備制造企業廣泛使用的焊接方法。隨著海洋平臺用鋼材強度和厚度的增加，高強度鋼板在海洋工程裝備制造中的應用比例逐漸升高。目前國內大厚板高強鋼的焊接仍采用手工電弧焊或半自動藥芯焊絲電弧焊方法，自升式平臺樁腿齒條板Q690鋼的焊接仍以手工電弧焊為主。因海工裝備制造用高強度鋼板均有一定厚度，手工電弧焊的工藝復雜，同時厚板的清根亦十分繁瑣，使得整體焊接效率不高。在勞動力成本高企不下的情況下，促使企業尋求更為高效的焊接方法和工藝。窄間隙焊接技術因其能顯著提高焊接效率，節省焊接材料，近年來成為海洋工程裝備大厚板焊接技術的熱點和發展趨勢。此外，復合焊接方法（激光電弧復合，等離子電弧復合等）因可集中利用各種焊接方法的優點，提高海洋平臺用鋼的焊接效率，且隨著自動化程度的提高，也日益受到海洋平臺用鋼鐵材料焊接制造的青睞。

（2）焊接材料現狀

海洋工程結構對焊接材料的選用要求苛刻，不僅需取得相關船級社的認可，還必須滿足海洋工程的特殊性能要求，在具有優良的焊接操作工藝性能前提下，在大厚度板拘束度高的情況下，應具有良好的抗裂性能，并保證焊縫金屬具有優良的低溫韌性及斷裂韌性（CTOD）。目前，國內海工裝備普通結構的焊接主要使用國產焊材，重要特殊結構材料的焊材仍依賴進口。如船體普通結構件的EH36/DH/36等鋼的焊接主要使用國產焊材，40kg級以上船體結構鋼、海洋平臺樁腿齒條鋼Q690、海工半潛船的E690鋼、LNG船的雙向不銹鋼、殷瓦鋼及焊劑銅襯墊埋弧自動單面焊（FCB）、氣電自動立焊等焊接均使用國外品牌焊材。主要是因為國產海工配套焊材整體質量穩定性不足，品種不齊全，更缺乏海工結構所需要的接頭斷裂韌性、熱處理后的接頭性能和完整的焊接工藝參數。歐美、日韓等國在海洋工程建設方面起步早，鋼材、焊材等方面研發投入較深，因此產品線齊全，有各級別的配套焊材。海洋工程用鋼一般需要采用低氫焊材進行焊接，因此采用無縫藥芯焊絲焊接是發展趨勢，其氫含量＜5mL/100g，抗吸濕性好，即使長期存放在潮濕環境下，無需烘干即可使用，但目前國內還很少生產無縫藥芯焊絲。

2 焊材選用分析

2.1 焊接材料

海洋工程用國產高端焊接材料缺乏，產品質量穩定性隨著國內焊接材料的不斷發展，市場已有滿足海洋工程使用的普通焊接材料，但其在質量穩定性和焊接操作工藝性能上與進口焊接材料仍存在一定差距。此外，國產海工焊接材料還存著產品種類不全，高端焊接材料匱乏的問題，如缺乏與EQ47以上等級鋼材、特殊材料（殷瓦鋼、鋁合金、鈦合金等）相匹配的焊接材料。分析其原因，一方面是海洋工程在建造質量的控制程序上遠遠高于普通船舶的建造，對焊接材料要求比普通船舶更為苛刻，使得國內高端海工焊接材料研發難度較高：另一方面國內焊材企業進入海工領域時間不長，技術積累與產品知名度與國外大廠商有一定差距，導致國產焊接材料市場推廣應用困難，阻礙產品質量進一步提升。

國產高效焊接工藝配套用焊接材料發展相對滯后目前國內海工裝備制造企業為提高焊接效率，已逐漸開始使用多種高效焊接工藝，如氣電自動立焊（單絲/雙絲）、FCB（焊劑銅襯墊）埋弧自動單面焊平面分段流水線、雙絲/多絲MAG（熔化極活性氣體保護電弧焊）焊等，此類高效焊接設備多從國外引進，其配套焊接材料亦使用進口焊材。國產配套焊材廠商需在吸收和消化焊接工藝后，再進行產品研發，導致國產配套焊材發展相對滯后，無法及時滿足配套焊材國產化需求，阻礙高效焊接工藝在海工裝備制造中的大規模應用。

鋁合金、鈦合金等有色金屬焊材缺乏隨著有色金屬材料在海洋工程領域的大量應用，對有色金屬焊材的需求與日俱增，但國內有色金屬焊材的研發還處于起步階段，尤其缺乏目前海工裝備制造急需的鋁合金、鈦合金焊材。如鋁合金船舶大量使用的5083鋁合金、在國內潛艦、鉆井管等使用的TC4鈦合金焊接均需使用大量進口焊材，價格昂貴，且國內尚無替代性產品，制約高性能有色金屬在海工裝備制造中的推廣應用。

2.2 焊接工藝

高強鋼焊接工藝復雜，焊接效率較低海洋石油平臺高強鋼的焊接多采用手工電弧焊，尤其在管子節點等關鍵部件焊接上使用。此類節點多為拘束度大、應力集中的重要結構，因其構件密集、狹小和焊接位置多樣化，導致焊接施工困難，焊接的機械化程度也受到一定限制。另一方面，高強鋼對焊接熱影響區的淬硬性和焊接裂縫敏感性較高，要求對預熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入和焊后冷卻速度等進行嚴格控制，使得高強鋼焊接工藝復雜，難以實現高效率的焊接自動化。大厚度高強鋼焊接結構件剛性大，焊后殘余應力高，變形難以控制大厚度高強鋼焊接時采用手工電弧多層多道焊，其焊接熱輸入量大，且海洋工程焊接件的結構尺寸大，使得焊后殘余應力高，變形難以控制。基于海工裝備服役的特殊環境，其對焊接接頭性能要求較高，若結構件尺寸變形較大，會導致不能滿足尺寸要求及裝配精度，增加復雜的后續加工，甚至致使整個結構件報廢。此外，焊接過程中產生的殘余應力峰值及分布情況將直接影響結構件的性能及服役時間。鋁合金焊接易產生氣孔，變形控制比鋼結構難度大和鋼材相比，鋁合金在焊接過程中，凝固點的溶解度會急劇下降，且由于鋁的導熱性強，導致冷卻速度快，不利于氣泡的浮出，導致焊縫容易產生氣孔。此外，由于鋁合金的導熱率大，使得在焊接過程中工件熱量分布不均勻，易產生不同程度的收縮和內應力（縱向內應力和橫向內應力），致使焊接結構產生各種變形，加大變形控制難度。

2.3 焊接設備及生產

焊接自動化水平較低，機器人焊接設備匱乏目前海工裝備制造使用的焊接設備仍以手工電弧焊、CO2半自動焊和埋弧焊機為主，專用的機器人焊接設備缺乏，且對大厚板高強鋼的加工裝配能力欠缺，整體自動化水平較低。

缺乏對焊接設備與焊接質量的信息化、智能化控制，焊縫質量穩定性不足普遍缺乏對生產線焊接設備信息化、智能化控制，各焊接部件信息量的傳遞十分有限，難以實現復雜的焊接工藝協調控制。且在焊接生產中主要對焊后的焊縫質量進行檢測，缺乏對焊接過程的在線質量監控，難以保證焊縫質量的重現性，也無法實現在焊接過程中實時優化工藝參數，以獲得最優的焊縫質量。

3 結束語

隨著焊接技術的發展，焊接已和電子技術、自動控制及信息化等多學科緊密結合。對未來海洋工程領域焊接技術的發展，主要集中在多學科協同合作的焊接智能化、自動化焊接系統、優質高效焊接工藝、高效焊接材料的選用與開發等方向。

[1]李獻軍，馮軍寧，羊玉蘭．鈦在海洋工程領域應用現狀及發展趨勢[J]．世界有色金屬，2014（9）：30～32．

[2]焦向東，朱加雷．海洋工程水下焊接自動化技術應用現狀及展望[J]．金屬加工－熱加工，2013（2）：24～27．

TG42

A

1004-7344（2016）24-0337-02

2016-8-5