海洋鋪管船支撐結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

摘要：對(duì)海洋鋪管船鋪管裝備支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及類型進(jìn)行了簡單分析，對(duì)帶有法蘭眼板（180 mm的鋼鍛件）的支撐鉸座的焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，最終獲得滿足工藝要求的產(chǎn)品，可為高端海工項(xiàng)目的監(jiān)造提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼鍛件；焊接檢驗(yàn)；質(zhì)量控制；海工裝備；方法

中圖分類號(hào)：U671.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）03-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.022

0" " 引言

海洋鋪管船是鋪設(shè)海底管道專用的大型海工裝備，多用于海底輸油管道、海底輸氣管道、海底輸水管道的鋪設(shè)。艉部鋪管裝備支撐結(jié)構(gòu)主要由鋼鍛件、板材和型鋼等焊裝組成，受到鋪管裝備自重和鋪管拉力的疊加作用力，尤其是兩個(gè)承受動(dòng)載荷的法蘭眼板，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更易處于應(yīng)力危險(xiǎn)集中的狀態(tài)，因此支撐結(jié)構(gòu)對(duì)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊縫強(qiáng)度要求都比較高。

1" " 鋪管裝備支撐結(jié)構(gòu)簡介

艉部的支撐結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)帶法蘭的鉸座，鉸座是由厚度為180、100、80 mm等規(guī)格的加厚板焊裝成具有內(nèi)部空間的箱體（先對(duì)接焊成4個(gè)片體，再加入加強(qiáng)腹板焊成2個(gè)箱體），如圖1所示；鉸座法蘭是兩個(gè)外緣180 mm厚，內(nèi)孔460 mm厚，內(nèi)徑1 100 mm的法蘭眼板（鋼鍛件），鍛件放進(jìn)鉸座側(cè)板開孔處，外緣與側(cè)板對(duì)接焊成一體，如圖2所示；焊裝形成的這兩個(gè)鉸座根部與船體主結(jié)構(gòu)連接，支撐整個(gè)鋪管裝備。整個(gè)鋪管裝備的重量約為4 000 t，用兩個(gè)軸與鉸座連接，通過軸轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)角度進(jìn)行鋪管作業(yè)。

為了使鉸座滿足承重能力，技術(shù)人員設(shè)計(jì)鉸座時(shí)用了高強(qiáng)度的E級(jí)鋼板[1]，屬于焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度淬火回火鋼，可在-40 ℃下達(dá)到所需的沖擊韌性[2]，屈服強(qiáng)度為460 N/mm2；兩個(gè)法蘭眼板的材質(zhì)為VLF600AW，是抗拉強(qiáng)度為600 N/mm2的合金鋼；異種鋼組合在一起的焊接接頭除了要滿足常規(guī)的機(jī)械性能（如拉伸強(qiáng)度、彎曲、夏比沖擊、硬度）外，還要滿足不易開裂的要求。

2" " 焊接質(zhì)量問題分析

2.1" " 冷裂紋

冷裂紋[2]主要受材料特點(diǎn)、焊接應(yīng)力集中、出現(xiàn)淬硬組織、氫脆因素的影響，對(duì)于VLF600AW和E460這種淬硬傾向大的鋼材，在焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋。冷裂紋有三種分布形式：焊縫內(nèi)部裂紋、表面裂紋、橫向裂紋，橫向裂紋走向基本垂直于焊縫，有的橫向截?cái)嗾麄€(gè)焊縫并撕裂熱影響區(qū)。

2.2" " 熱裂紋

熱裂紋[2]是在焊接過程中高溫階段焊縫或熱影響區(qū)開裂的現(xiàn)象，一般含鎳、鉻量高的鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼焊縫對(duì)熱裂紋比較敏感，熱裂紋可分布在焊縫截面、熱影響區(qū)、焊道層間或弧坑，部分開口熱裂紋的斷口有氧化色。E460板與VLF600AW鍛件都屬于合金鋼母材，焊材選擇不當(dāng)容易出現(xiàn)熱裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的主要原因是焊材中碳、硫、磷元素含量超標(biāo)，局部區(qū)域材質(zhì)偏析。

2.3" " 層狀撕裂[2]

在法蘭眼板與鋼制軸筒連接的T型接頭（圖3）、側(cè)板面板與腹板加強(qiáng)的T型接頭（均為厚板全熔透角接）還應(yīng)防止出現(xiàn)層狀撕裂。層狀撕裂是指焊接時(shí)，沿鋼板軋制層形成開裂的一種裂紋，這種缺陷出現(xiàn)在接頭的面板或熱影響區(qū)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)延伸到母材中，有些出現(xiàn)在焊趾處，比較常見的是在熱影響區(qū)。當(dāng)鋼材軋制過程中存在片狀?yuàn)A雜物或夾層，就會(huì)大大削弱鋼板Z向的抗拉性能；對(duì)于T型接頭，焊接結(jié)束冷卻過程中，面板板厚方向存在溫差，焊縫冷卻收縮時(shí)會(huì)在面板母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變超過面板Z向的抗拉韌性時(shí)，就會(huì)形成裂口，隨著拉應(yīng)力的增加，裂口尖端沿鋼板軋制方向延伸形成層狀撕裂。層狀撕裂的產(chǎn)生是鋼板片狀缺陷、焊接應(yīng)力不均勻、材質(zhì)偏析和母材Z向性能低等因素互相作用的結(jié)果。

2.4" " 焊接變形

精度控制是保證整個(gè)鉸座監(jiān)造質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，而焊接變形也是影響精度的主要因素之一。結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后雖然可以通過開刀或物理矯正等方法來修復(fù)，但如果變形太大對(duì)于180 mm厚的鋼板而言也基本無法修復(fù)，即使修復(fù)了也很難再次滿足結(jié)構(gòu)精度要求。不僅如此，還會(huì)增加很大的返工成本，影響下道工序的按時(shí)施工，進(jìn)一步造成監(jiān)造周期延長，局部區(qū)域的修復(fù)還會(huì)增加焊縫的應(yīng)力集中，嚴(yán)重可致裂。

3" " 焊接質(zhì)量問題的控制要點(diǎn)

3.1" " 法蘭眼板與鉸座側(cè)板的裝配控制

嚴(yán)格按照?qǐng)D紙控制裝配間隙[3]及尺寸，不僅可以減少焊接收縮量，避免因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，還可減少焊接變形。

3.1.1" " 專用平臺(tái)

為保證法蘭眼板與整個(gè)鉸座裝配精度及焊后尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)制作專用裝焊平臺(tái)（圖4）。裝焊平臺(tái)的要求：應(yīng)具有一定剛性，平臺(tái)板厚度不小于15 mm，平面度不大于2 mm，普通材質(zhì)鋼板即可。

3.1.2" " 鉸座側(cè)板裝配

鉸座側(cè)板由80～100 mm不同厚度鋼板焊接而成，焊前嚴(yán)格檢查側(cè)板的定位尺寸，圖紙要求公差小于1 mm，并按圖紙檢查雙面對(duì)接全焊透坡口的尺寸、角度、間隙。為減少對(duì)接焊產(chǎn)生的變形，還應(yīng)將鉸座側(cè)板用馬板與平臺(tái)焊接固定。

3.1.3" " 法蘭眼板裝配

鉸座在專用平臺(tái)上采取以外側(cè)板為基面的側(cè)裝方式裝配，先在裝焊平臺(tái)畫出法蘭眼板中心點(diǎn)的十字線、肋位線、甲板線，將外側(cè)板在工裝平臺(tái)上定位，并按各定位線將側(cè)板上結(jié)構(gòu)裝配到位、點(diǎn)焊固定；最后吊裝鉸座內(nèi)側(cè)板及法蘭眼板上裝焊平臺(tái)裝配固定。

法蘭眼板的坡口設(shè)計(jì)：180 mm板與100 mm板的對(duì)接焊縫接頭坡口形式如圖5所示；坡口的設(shè)計(jì)旨在減少母材的焊縫融合比，增大焊縫寬度與厚度之比，良好的接頭形式有助于防止因應(yīng)力導(dǎo)致的焊縫裂紋出現(xiàn)；對(duì)于T型接頭，也可減少鋼板的Z向應(yīng)變，防止層狀撕裂產(chǎn)生。

另外，肋位定位、甲板定位尺寸、兩側(cè)板間高度偏差、法蘭眼板中心軸偏差、兩側(cè)板與中心軸垂直度偏差均應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的1 mm以內(nèi)；法蘭眼板定位時(shí)應(yīng)保證邊緣與側(cè)板的平整度，定位焊以相同的角度均勻布置在眼板周圍，還應(yīng)以眼板軸心吊線的方法核實(shí)平臺(tái)上提前畫出的十字中心線（圖6）。

3.2" " 選擇正確的焊接順序

根據(jù)鉸座結(jié)構(gòu)和法蘭眼板焊縫截面過大的特點(diǎn)，考慮到使焊接應(yīng)力得到有效釋放并防止熱輸入不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)變形，先焊鉸座側(cè)板內(nèi)部非全焊透的角接縫，再焊鉸座側(cè)板內(nèi)部全焊透的角接縫及對(duì)接縫，最后焊接法蘭眼板周圍一圈全熔透焊縫。分散、對(duì)稱、退焊，每焊一焊道、焊層，均需測量鉸座工作面和基準(zhǔn)線變化狀況，隨時(shí)調(diào)整焊接部位，力求保證鉸座工作面平面度和眼板軸心位置尺寸正確。焊接時(shí)應(yīng)從根部打底，然后一層一層蓋面，當(dāng)完成一側(cè)約1/3時(shí)，為防止變形應(yīng)從反面焊接，每完成1/3厚度就應(yīng)到另一側(cè)焊接，直至完成整道焊縫。

3.3" " 預(yù)熱、焊后熱處理的控制

3.3.1" " 坡口預(yù)熱

預(yù)熱[1]是焊接前對(duì)被焊鋼板的坡口及兩側(cè)一定范圍內(nèi)按照工藝進(jìn)行加熱的工藝措施，可以促進(jìn)氫的擴(kuò)散和逸出，減少淬硬組織的出現(xiàn)；可以減小焊縫焊后的冷卻速度，還可以減少焊接應(yīng)力及變形，是防止產(chǎn)生冷裂紋的有效措施。根據(jù)鋼鍛件及高強(qiáng)鋼的板厚（180 mm），預(yù)熱溫度要求較高，通常在120～230 ℃；測量預(yù)熱溫度時(shí)，紅外線測溫槍的紅點(diǎn)要打在坡口及坡口兩側(cè)75 mm范圍內(nèi)，以保證整個(gè)焊接接頭均勻加熱到焊接工藝要求的溫度；通常使用陶瓷履帶片電加熱法和火焰加熱法。

3.3.2" " 焊后保溫

焊后熱處理[1]的主要作用是消除焊縫中的殘余應(yīng)力，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度，提高塑性和韌性，進(jìn)一步降低氫元素含量，有助于減少產(chǎn)生裂紋的可能。焊后保溫溫度和時(shí)間很關(guān)鍵，不可以過度。保溫時(shí)間與材質(zhì)、焊縫厚度有關(guān)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，厚度180 mm的高強(qiáng)鋼，一般不低于0.5 h；溫度達(dá)到200 ℃以上，氫在鋼中大大活躍起來，消氫效果較好；后熱溫度的上限一般不超過馬氏體轉(zhuǎn)變終結(jié)溫度，依據(jù)焊接工藝中后熱溫度250～275 ℃，冷卻速度≤100 ℃/h來監(jiān)控保溫溫度和時(shí)間。

3.4" " 焊接變形控制

為了預(yù)防整個(gè)支撐鉸座焊后變形，同時(shí)保證法蘭眼板的平面度和軸心度不因焊接熱輸入變形，可采取如下措施。

3.4.1" " 設(shè)計(jì)對(duì)稱的焊接結(jié)構(gòu)

選用對(duì)稱截面的結(jié)構(gòu)，比如X形坡口和K形坡口的設(shè)計(jì)以及內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均勻布置等，使焊接中形成對(duì)稱軸，避免在焊接過程中出現(xiàn)扭曲或較大的彎曲變形。

3.4.2" " 采用反變形措施

根據(jù)結(jié)構(gòu)板厚及檔距，在待焊接結(jié)構(gòu)及平臺(tái)上釋放反變形量，可以在縱向每檔肋距加放1 mm的焊接收縮量，橫向每檔肋距加放0.5 mm的焊接收縮量，這樣能較好地抵消總尺寸的縮短，同時(shí)使整個(gè)鉸座結(jié)構(gòu)在焊接過程中能較好地采用反變形措施。

4" " 焊縫無損檢測創(chuàng)新

根據(jù)規(guī)范要求，整個(gè)基座所有焊縫均為全熔透焊縫，100%射線檢測，但板厚為80～180 mm，300 kV能量的X射線機(jī)只能穿透50 mm以下鋼板，如用伽馬源[4]進(jìn)行透照，長度300 mm的焊縫需透照2～3 h，不可行。通過多方研究，結(jié)合新技術(shù)相控陣超聲波檢測[4]（Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT）與常規(guī)X射線檢測技術(shù)的優(yōu)勢對(duì)比（表1），最終選擇采用PAUT代替射線檢測。

經(jīng)過編碼器校準(zhǔn)、模擬試塊缺陷對(duì)比、程序臨時(shí)編寫等大量準(zhǔn)備工作之后，PAUT技術(shù)在鉸座對(duì)接、角接接頭中全面運(yùn)用，尤其是在法蘭眼板周圍的圓形焊縫檢測中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，大大提升了焊接質(zhì)量。此類圓形焊縫采用PAUT技術(shù)，船舶行業(yè)比較少見。

5" " 結(jié)束語

綜上所述，為保證鉸座的焊接質(zhì)量，需從以下幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行控制：裝配質(zhì)量、焊接順序、預(yù)熱、焊后熱處理、焊接變形控制、無損檢測技術(shù)。上述措施的應(yīng)用在海洋鋪管船鋪管裝備支撐鉸座制作過程中效果明顯，實(shí)現(xiàn)了99.5%的一次探傷合格率，無裂紋等嚴(yán)重缺陷出現(xiàn)，整體精度、法蘭眼板端面平面度、軸孔同心度均達(dá)到工藝要求，為整條船的建造質(zhì)量和建造周期提供了保障。本文的研究可為高端海工裝備的建造提供參考，助推海工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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[2] 陳保國.金屬材料焊接工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[3] 中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 34000—2016[S].

[4] 船舶焊接檢驗(yàn)指南：GD04—2017[S].

收稿日期：2024-11-06

作者簡介：王克強(qiáng)（1987—），男，山東濟(jì)南人，工程師，研究方向：船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量。