深水導管架馬鞍口焊接冷裂紋的預防措施研究

董魯濤 劉蘭金 賈江濤 梁榮春 朱得銀

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266520）

隨著海洋油氣開發逐漸由淺水走向深水，海洋油氣開發配套的海洋油氣裝備的技術要求逐漸提高，尤其是鋼結構產品。隨著水深的增加，油氣裝備建造過程中使用的鋼板壁厚逐漸增大，這意味著鋼結構建造過程中的質量把控難度進一步加大。

導管架是一種比較常見且成熟的海洋鋼結構，由中空的腿柱和連接腿柱的縱橫桿組成，其主要受力的樁腿結構所用的鋼板壁厚已經逐漸增加至100 mm。導管架所有結構件的連接主要通過焊接實現。在冬季，由于周圍施工環境溫度惡劣，裂紋特別是冷裂紋的出現將對建造工期和質量造成不利影響。文章主要分析導管架馬鞍口冷裂紋出現的原因，并提出針對性的預防措施。

1 冷裂紋產生的原因分析

圖1 為我國典型的深水導管架，目前此類深水導管架多用于我國南海海域，水深為200 ～300 m。相較于渤海、東海的導管架，南海深水導管架的整體質量更重，建造難度更大。例如，2022 年建造完工的亞洲第一深水導管架“海基一號”長302 m、重達3 萬t，設計水深為284 m，是亞洲首例300 m 級深水導管架。

圖1 典型深水導管架

導管架主要由通過卷制焊接接長的主桿件、支撐管等結構組成。各結構通過焊接連接，形成管狀馬鞍口節點。管狀馬鞍口節點比較常見的類型有T 形、Y 形、K 形，如圖2 所示。在導管架的服役過程以及陸地建造過程中，管狀馬鞍口節點受力最為復雜。如果馬鞍口節點焊縫質量存在問題，在臺風等惡劣的海況條件下，存在斷裂及失效風險，可能導致整個導管架和上部平臺發生傾覆，造成災難性事故[1]。

圖2 典型馬鞍口節點

在焊接質量問題中，最為嚴重、潛伏性最強的是焊縫裂紋，特別是焊接冷裂紋，如圖3 所示。調查發現，焊接冷裂紋的延遲時間一般為48 ～72 h，部分延遲時間較長，為1 ～2 周或更長時間。此類延遲裂紋以及超級延遲裂紋的產生給建造施工帶來了巨大的風險。

圖3 典型冷裂紋形貌

延遲冷裂紋的發生具備隱蔽性，通過匯總分析發現此類裂紋具備以下典型特征：第一，裂紋大多深藏于焊縫內部，很少暴露于焊縫表面，具備隱蔽性，很難通過磁粉探傷發現，只能通過超聲波探傷發現；第二，裂紋呈現帶角度橫向特征，符合受應力影響的特征；第三，裂紋在馬鞍口的馬鞍點、冠點位置出現較多，其他位置出現較少；第四，裂紋較少出現在焊縫的熱影響區；第五，裂紋集中出現在安裝階段的焊口，較少在預制階段出現；第六，裂紋在冬季的發生概率高于其他季節。

針對發現的延遲裂紋，綜合分析其產生的影響因素，主要集中在4 個方面。第一，馬鞍口焊縫屬于封閉焊縫，拘束度較高。第二，在冬季，預熱溫度可能不足，工件表面水汽較大，焊縫熔池中含氫量偏高。第三，施工中焊縫層間清理打磨不夠徹底，焊縫金屬可能存在微小的夾雜物及夾渣，容易導致氫聚集，產生氫致延遲裂紋。第四，焊接過程可能存在焊接中斷或焊絲受潮。

理論上氫致延遲裂紋的產生與所在區域可能存在淬硬組織、含氫量過高、內應力大這3 方面的因素相關性較大，產生的原因較為復雜[2]。為了在冬季施工時避免出現冷裂紋，需要排查冷裂紋出現的原因。截取裂紋區域并進行清洗，其形貌如圖4 所示。通過觀察可以發現，在焊縫金屬分布的兩處細小夾渣中間有一條裂紋，說明裂紋的萌生區域為細小缺陷位置。

圖4 冷裂紋形貌

對裂紋區域進行顯微組織分析，結果如圖5 所示。通過觀察可以發現裂紋內部存在大量黑色填充物，判斷為氧化物夾渣。氧化物夾渣一般為因焊接過程中打磨清理不徹底而出現的細微氧化物。

圖5 冷裂紋頭部形貌

為了驗證裂紋產生區域的含氫量是否存在升高的情況，測試裂紋區域試樣的含氫量。測試結果顯示每100 g 試樣中擴散氫體積為5.65 mL。按照標準在焊材上焊接堆焊試塊，然后測試擴散氫體積。測試結果顯示每100 g 焊材中擴散氫體積為3.10 mL。實驗測試結果表明，裂紋擴展區域的含氫量有所升高，明顯高于正常焊材焊接后的水平，說明裂紋的產生與含氫量的增加有關。

橫向裂紋的產生具備一定的延遲性，極端情況下可延遲數月。焊縫橫向裂紋大多不從淬硬組織區域起裂，而是從夾雜物或第二相粒子區域起裂，意味著需要達到更高的臨界氫濃度才能產生裂紋。由于通過長時間的不斷聚集才能達到產生氫致裂紋所需的臨界濃度，延遲時間一般較長。延遲時間超長的原因可能是網狀先共析鐵素體的產生，同時擴散氫較為均勻地分布在整個焊縫金屬內。在這種情況下，需要較長時間的擴散作用才能達到臨界數值。聚焦效應往往需要很長時間，因此焊縫橫向裂紋的延遲時間變長，出現超級延遲裂紋。

2 冷裂紋的預防措施

通過分析可以看出，深水導管架馬鞍口節點裂紋的產生與焊縫中存在的夾渣以及偏高的含氫量有直接關系，因此在施工中可以有針對性地采取措施，包括但不僅限于提高預熱溫度、增加后熱消氫處理、選擇高Ni 焊材、層間打磨吹掃等措施。

2.1 提高預熱溫度

經過實踐證明，提高預熱溫度能降低產生橫向裂紋的概率。在冬季施工時，周圍環境的溫度偏低，提高預熱溫度可以降低焊接冷卻速度，能夠有效降低產生淬硬組織的概率，同時減少焊縫周圍的水汽和內部的氫。導管架馬鞍口節點的總裝一般在高空施工階段完成，冬季風速大，做好節點附近的防風措施將有助于預熱處理的有效實施。具體的預熱溫度可以根據AWS D1.1 標準中焊縫的敏感指數與拘束度、焊縫金屬厚度等進行選擇[3]。需注意，標準給出的推薦值為最低值，對于大型深水導管架來說，因其壁厚較厚、拘束度高等，其預熱溫度應在推薦值的基礎上適當提高。例如，某深水導管架項目，標準推薦的預熱溫度為80 ℃，但在冬季施工時，將預熱溫度提高至110 ℃，后期復查未發現裂紋。

2.2 增加后熱消氫處理

鋼在不同溫度下的塑性不同[4]。當溫度為-200 ～1 400 ℃時，鋼的塑性變形有3 個塑性高峰區和4 個塑性低谷區。焊接預熱和后熱在焊件塑性在第1 塑性區域的高峰區內較為有利，尤其是拘束度較高的厚壁焊件，如果無法產生彈性變形就會導致開裂。焊縫金屬產生適當的塑性變形，釋放拘束應力，能夠對防止開裂起到一定的作用。

后熱消氫處理的溫度通常設定在200 ～300 ℃，可以滿足氫逸出的需要。如果高于這個溫度范圍，就會進入回火脆性區。因此，在施工中可以采取如下后熱消氫處理措施：將焊件加熱至200 ～250 ℃并保溫4 h，然后緩慢冷卻。需注意，保溫結束后不能立刻去掉保溫棉，而是要用保溫棉包覆實現緩慢冷卻。后熱處理過程中，質量檢驗人員要全程旁站，通過熱電偶精準控制加熱和保溫溫度，必要時使用紅外線測溫槍輔助檢測溫度。

馬鞍口在焊接完成后可以進行焊后消應力熱處理，其效果優于后熱消氫處理。一般推薦對壁厚大于50 mm 的馬鞍口采取焊后熱處理，熱處理保溫溫度一般為594 ～650 ℃。

然而，在實際施工中，由于在熱處理高溫條件下高空總裝馬鞍口節點存在變形的可能，再加上高空電加熱設備的能力有限和高空保溫難度較大，進行焊后熱處理的難度極大。在焊接過程中，一般采用裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Distance，CTOD）和工程臨界評估（Engineer Critical Assessment，ECA），檢驗非熱處理狀態下焊接接頭的性能是否滿足要求，若滿足要求可免除標準規定的焊后熱處理。因此，焊后消應力熱處理雖然有效，但施工一般不采納。綜上所述，后熱消氫是一種較為簡單、經濟的降低冷裂紋產生概率的方法。

2.3 選擇高Ni 焊材

避免網狀先共析鐵素體的產生可以有效降低裂紋發生的概率。目前，我國深海導管架使用的主結構鋼材為《船舶及海洋工程用結構鋼》（GB/T 712—2022）中規定的DH36 和EH36 鋼板，其設計屈服強度為355 MPa。在焊材的選擇上，一般選擇70 kg 級的焊材。例如，設計標準為AWS A5.20/A5.20M 的E71T-1CJ 焊材，其設計最低屈服強度為400 MPa，金屬元素Ni 的質量分數為0.5%左右。增加焊材中的金屬元素Ni 的質量分數可以有效減少先共析鐵素體的產生，因此對于深海導管架的馬鞍口節點，特別是壁厚大于50 mm 的馬鞍口節點，建議選取Ni 質量分數更高、強度為80 kg 級的焊材進行焊接，以提升焊縫金屬的韌性及抗裂性能。目前，應用效果較好的焊材為以AWS A5.29 為設計標準的E81T1-K2M 焊材。推薦使用日本神鋼DW-A55L 焊絲，其具有極為優秀的低溫韌性和抗開裂能力。

2.4 層間打磨吹掃

通過分析可以看出，裂紋多產生于焊縫金屬中的細微夾渣處。此類夾渣在超聲波檢測（Ultrasonic Test，UT）中多被識別為點狀超標缺陷，產生原因是焊接過程中清理不到位，再加上熔池冷卻速度過快，導致夾渣未浮出熔池。為防止出現此類夾渣，在焊接過程中應避免焊道之間出現尖銳凹槽，若出現凹槽則要及時打磨、處理焊縫。打磨處理后，使用壓縮空氣吹掃焊道及其周圍，去除打磨塵土、碎屑等，可以有效避免此類點狀缺陷的產生[5]。

通過采取以上措施，在2023 年交付的某南海海域深水導管架，從建造開工到冬季建造，再到完工后的復檢，未發現一例裂紋，證明以上措施有效。

3 結語

深海導管架馬鞍口節點在冬季施工時冷裂紋產生的概率較大。冷裂紋的產生大多與焊縫金屬中的細微夾渣以及局部的氫聚集有關。通過采取提高預熱溫度、增加后熱消氫處理、選擇高Ni 焊材、層間打磨吹掃等措施，可以有效降低裂紋發生概率。