深水導管架用超高強度鋼抗層狀撕裂性能評定

曾靖波,王火平,2,倫玉國

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518054; 2. 清華大學深圳國際研究生院,廣東 深圳 518000)

0 引 言

某導管架平臺所在作業水深超過300m,建成后將是亞洲最深、重量最大的深水導管架平臺。如果使用常規高強度鋼DH36(屈服強度不低于355MPa),其下水重量將超過國內最大下水駁船的安裝能力。為此,該導管架大規模采用超高強度鋼,超高強度鋼屈服強度不低于414MPa,最大厚度為100mm,用量超過2萬噸且全部實現國產化。這也是中國海油首次在導管架上使用該強度等級鋼材。

國外導管架平臺通常采用高強度鋼和超高強度鋼,最大厚度為101mm(4英寸),國產超高強度鋼還沒有在導管架應用的先例[1]。導管架平臺用鋼要求高強度、高韌性、易焊接等性能,同時要求抗疲勞、抗層狀撕裂等性能。導管架節點是整個結構中受力最大、疲勞壽命受限部位,除在縱向和橫向受力外,導管架節點厚度方向也會因為附近拉筋受拉應力。如果鋼板厚度方向韌性不足,則可能導致拉裂,形成層狀撕裂[2]。因此,這部分結構鋼材要求具有Z向性能,實際工程中鋼結構厚板常發生層狀撕裂現象[3、 4]。導管架結構有大量TKY節點,通過焊接實現結構連接。因此,節點部位的抗層狀撕裂性能對于導管架服役安全非常重要。

層狀撕裂屬于焊接裂紋,主要與鋼的潔凈度、夾雜物形態、結構厚度方向受力和焊接工藝[5、 6]等因素相關。衡量鋼板層狀撕裂性能最簡便的方法是鋼板厚度方向拉伸試驗,用斷面收縮率判定,國內海洋工程用鋼普遍采用這一指標判斷和劃分鋼的質量等級[7]。海洋平臺用Z向鋼通常要求Z35級,即厚度方向斷面收縮率3個試樣平均值不小于35%,單值不小于25%。此外,評定鋼層狀撕裂敏感性的焊接方法通常有Z向窗型拘束裂紋試驗、克蘭菲爾德裂紋試驗等[5、 6,8]。為保障超高強度鋼實現國產化并在導管架首次應用成功,本文通過常規試驗方法:化學成分分析和厚度方向拉伸試驗,同時采用焊接評估方法Z向窗型層狀撕裂試驗,對國產API 2Y-660典型厚板的層狀撕裂敏感性進行評定。Z向窗型層狀撕裂試驗結合焊接并模擬實際工程結構中厚度方向受力最為嚴重的情況,可為國產API 2Y-60鋼在深水導管架的首次應用提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗使用的鋼板和焊材均為該導管架建造實際使用材料,試驗鋼板厚度采用90mm和100mm兩個典型厚板厚度,供貨狀態為調質處理(淬火+回火處理),超聲波檢驗按照ASTM A578/A578M達到C級標準。為使試驗結果更具有代表性,兩個厚度鋼板為不同爐生產。Z向窗型層狀撕裂試驗件焊接采用氣保藥芯焊FCAW-G(flux cored arc welding-gas,保護氣體為80%Ar+20%CO2),焊材選用AWS(American Welding Society,美國焊接學會)類別E81T1-Ni1M、神鋼牌號DW-A55LSR,直徑φ1.2mm,試驗鋼板和焊材的化學成分和力學性能分別見表1和表2。鋼板拉伸試驗分別在鋼板頭尾部的角部、1/4板厚、橫向取樣,沖擊試驗在鋼板尾部、1/2板寬、1/2板厚橫向取樣,焊材的熔敷金屬擴散氫為3.4ml/100g,為低氫型。

表1 試驗用鋼板和焊材的化學成分(質量分數,%)Tab.1 Chemical compositions of API 2Y-60 steel plate and deposited metal(wt,%)

表2 試驗用鋼板和焊材的力學性能Tab.2 Mechanical properties of API 2Y-60 steel plate and deposited metal

1.2 試驗方法

1.2.1 厚度方向(Z向)拉伸試驗

按API SPEC 2Y附錄A S4厚度方向(Z向)試驗要求[9],在試驗鋼板頭、尾兩端的1/2板寬處,分別制備3個全尺寸厚度方向圓棒拉伸試樣,直徑為12.5mm,試樣的軸線與鋼板表面垂直。試樣加工及拉伸試驗按ASTM A370要求,斷面收縮率不小于30%。

1.2.2 Z向窗型層狀撕裂試驗

1. 試板制備

試板制備參考CB 1116 Z向窗型層狀撕裂試驗方法[10],兩個板厚的試驗鋼板分別制備1組3件試件。如圖1所示,試件由窗型板和試驗板組成?？紤]工程實際情況,本次試驗窗型板由長400mm×寬350mm增加到長510mm×寬510mm,厚度與試驗板厚度相同,從50mm增加到90mm/100mm,試驗板高度由100mm增加到200mm,試驗板寬度方向為鋼板軋制方向,試驗板寬度為100mm。試板焊接使用藥芯焊絲氣保護焊FCAW-G,先完成拘束焊縫Ⅰ和Ⅱ的焊接,檢驗合格后再完成試驗焊縫Ⅲ和Ⅳ的焊接。焊接過程使用電加熱保溫,焊后自然冷卻,焊接期間環境為溫度21～31℃,濕度33%～90%。試驗焊接完成48h后,對拘束焊縫和試驗焊縫分別進行外觀、磁粉和超聲波檢測,試驗過程照片如圖2所示。

t-試驗板和窗型板厚度,Ⅰ、Ⅱ-拘束焊縫,Ⅲ、Ⅳ-試驗焊縫圖1 Z向窗型層狀撕裂試板示意圖Fig.1 Z-type window test specimen for lamellar tearing

(a) 試板裝配完成(b) 試板焊接完成圖2 Z向窗型層狀撕裂試驗過程照片Fig.2 Z-type window test specimen for lamellar tearing

2. 腐蝕、觀察和裂紋計算

焊接試板無損檢測合格后,每塊試板切割成5塊小試樣,并將小試樣的8個橫截面磨光(不包括兩端)后用4%硝酸酒精腐蝕;然后,用清水、酒精沖洗表面,電吹風烘干后觀察。重點觀察中間試板的熱影響區及母材是否存在裂紋,測量并計算裂紋率。實際切割前的試板照片如圖3所示。

圖3 裂紋觀察試樣加工實際照片Fig.3 Specimen preparation for crack observation

2 焊接工藝確定

2.1 導管架建造焊接工藝

國內首次在導管架上使用超高強度鋼API 2Y-60,除了強度較通常使用的DH36/EH36有一定提升外,熱處理交貨狀態有明顯差異。DH36/EH36為正火態交貨,API 2Y-60為調質態交貨。此外,合金成分設計有一定差異。為此,導管架建造設計開發的焊接工藝十分嚴格,工藝參數見表3。對于板厚超過50mm的結構若使用藥芯焊絲氣保護焊FCAW-G,當母材厚度50mm

表3 導管架建造用厚板焊接工藝參數Tab.3 Welding procedure parameters in the construction of jacket

2.2 Z向窗型層狀撕裂試驗焊接工藝

參考導管架建造用焊接工藝,試件焊接工藝參數見表4。采用多層多道焊,預熱溫度不小于110℃,層間溫度不超過200℃。焊接過程使用電加熱保溫,焊后自然冷卻,不再進行后熱保溫處理,焊接保護氣體為80%Ar+20%CO2。試驗焊接工藝較導管架實際焊接工藝有一定程度的放寬。

表4 試驗用焊接工藝參數Tab.4 Parameters of the welding procedure

3 試驗結果分析

3.1 化學成分結果分析

由表1可知,90mm和100mm厚試驗鋼板的硫含量分別為0.0021%、 0.0023%,滿足API SPEC 2Y針對Z向性能鋼附錄A S5硫含量不大于0.006%的要求。鋼材的層狀撕裂傾向主要取決于鋼中硫等非金屬夾雜物的含量和形態[3～5]。非金屬夾雜物一般為脆性相,與鋼板基體金屬的結合強度低。軋制鋼板在軋制方向和寬度方向變形較大,非金屬夾雜物被壓扁,嚴重影響鋼板厚度方向的性能。GB 712-2011中要求DH36/E36的硫含量不大于0.025%,本次導管架用超高強度鋼生產采用API SPEC 2Y,非Z向鋼要求硫含量不大于0.010%,Z向鋼要求硫含量不大于0.006%,鋼板熔煉潔凈度高于常規高強度鋼。硫含量低為鋼板的抗層狀撕裂性能提供了基本保障。

3.2 厚度方向(Z向)拉伸試驗結果分析

90mm和100mm厚試驗鋼板厚度方向拉伸試驗的斷面收縮率結果見表5。目前,船舶及海洋工程用鋼通常采用Z向拉伸斷面收縮率,評價鋼板厚度方向層狀撕裂性能[6],Z向性能級別分為Z25和Z35,海洋平臺節點要求使用Z35級Z向性能鋼材。API SPEC 2Y規定Z向鋼厚度方向斷面收縮率不小于30%。本次試驗的兩種厚板的Z向斷面收縮率單值最低為58%,平均值最低為59%,滿足API SPEC 2Y要求,且有較大余量。較高的厚度方向斷面收縮率,表明鋼板厚度方向具有較高的塑性變形能力和良好的Z向抗層狀撕裂性能。

表5 試驗鋼板厚度方向斷面收縮率Tab.5 Reduction of area through thickness of API 2Y-60 steel plate

3.3 Z向窗型層狀撕裂試驗結果分析

無損檢測結果顯示,拘束焊縫和試驗焊縫表面及內部均未發現裂紋。圖3所示的小試樣經腐蝕清洗烘干后觀察,2個厚度鋼板的2組6個試板共48個橫截面的焊縫、熱影響區及母材均未發現裂紋,橫截面裂紋率均為0,如表6所示。兩種厚度鋼板焊接接頭橫截面的典型照片如圖4所示。Z向窗型層狀撕裂試驗結果受焊接工藝參數影響很大[6],在其他情況不變的前提下,提高預熱溫度或層間溫度、降低焊材的強度,可以降低裂紋率。預熱溫度和層間溫度與焊接過程中擴散氫溢出有關,溫度高,易于擴散氫溢出,避免了材料的脆化;焊材強度降低,結構母材及熱影響區受到的厚度方向的殘余應力降低,有效降低了裂紋率。導管架建造要求65mm以上的厚板焊接預熱溫度應大于150℃,此次Z向窗型層狀撕裂試驗90mm/100mm試驗板焊接預熱溫度大于110℃,且采用加大熱輸入,焊后取消后熱處理,沒有發生層狀撕裂。這表明導管架建造使用的焊接工藝有一定的安全裕度。

表6 Z向窗型層狀撕裂試驗橫截面裂紋率Fig.6 Cracking ratio of Z-type window tests

(a) 90mm鋼板

(b) 100mm鋼板圖4 試驗焊接接頭橫截面典型照片Fig.4 Typical cross section photos of test steel plate

與分析鋼板硫含量和Z向拉伸試驗的斷面收縮率相比,Z向窗型層狀撕裂試驗包含了鋼板、焊接材料、焊接工藝參數(預熱及道間溫度、熱輸入等)與導管架實際建造相關的一系列因素,是一種對海洋工程結構用鋼抗層狀撕裂性能更為直接的試驗方法。90mm和100mm試驗用鋼Z向窗型層狀撕裂試驗,進行試件的無損檢測,截面試樣均未發現裂紋,表明導管架建造采用的鋼板、焊接材料及焊接工藝制作的焊接接頭層狀撕裂敏感性較低,具有良好的抗層狀撕裂性能。

4 結 論

本文采用化學成分分析、厚度方向拉伸試驗和Z向窗型層狀撕裂試驗,評定首次在導管架應用的超高強度鋼API 2Y-60的抗層狀撕裂性能,結論如下:

(1) 試驗鋼板硫含量分別為0.0021%、 0.0023%,滿足鋼板生產規范API 2Y對Z向性能鋼的要求。

(2) 試驗鋼板厚度方向斷面收縮率分別為67%、 70%、 59%和60%,滿足鋼板生產規范不小于30%的要求,且有較大余量,Z向性能良好。

(3) 采用導管架建造用焊接材料,參照導管架建造實際焊接工藝,90mm和100mm試驗鋼板的Z向窗型層狀撕裂試驗未發現裂紋,表明焊接工藝與試驗鋼板匹配良好,層狀撕裂敏感性低。

上述試驗結果表明,深水導管架用國產超高強度鋼API 2Y-60鋼板抗層狀撕裂性能良好,層狀撕裂敏感性低,導管架建造焊接工藝有一定安全裕量。后續類似結構鋼的首次應用論證可以參考本文方法,評定鋼板的抗層狀撕裂性能。