摘要：随着世界各国经济的飞速发展，对能源的需求越来越大。当今，陆地上的石油资源已经不能满足日益增长的经济发展需要，这就迫切需要从海洋中获得新的石油资源。海洋面积占全球表面积的71%，地球上约有30%的石油和天然气资源在海底下。海洋工程结构在钢材选用上必须满足海洋工程的特殊要求，取得船级社的认可，具有各种特殊性能，尤其是低温韧性。为了减轻海洋工程结构的质量，同时又增加结构整体的安全性，采用材料的强度级别也越来越高。如海洋钻井平台升降腿已采用屈服强度690MPa以上的Z向钢制造，材料厚度不断增加，最大厚度达到210mm。这种高强度、大厚度材料对于焊接技术就提出了更高的要求。基于此，本文主要对海洋钻井平台升降腿焊接工艺及抗层状撕裂性能进行分析探讨。
关键词：海洋钻井平台；升降腿；焊接工艺；抗层状；撕裂性能；研究
1、试验材料及方法
试验齿条钢采用日本NipponSteel公司生产的WEL-TEN780Mod-037钢，试板尺寸为400mm×500mm×180mm，焊接坡口的形状和尺寸如图1所示。
图1
采用CO2和焊条电弧焊这两种焊接方法对试板进行对接焊，试验所用设备是由唐山松下产业机器有限公司生产的焊接波形控制多功能交直流焊机WXⅢ300。工件和垫板先用夹具固定，焊前预热工件。焊条电弧焊预热温度280℃，CO2气体保护焊的预热温度为275℃。把预热过的试样两端进行点焊，起到焊前固定作用，减少焊接变形。焊接过程中，焊速应均匀恒定。由于是大厚度板材，采用多层多道焊接法。正面焊接一定层数后再开始反面焊接，利用两边的变形互相抵消来控制平直度。焊后用棉被盖上以保温一段时间，以防止因焊缝冷却速度过快产生淬硬组织。
力学性能试验试样的取样方法按AWSD1.1《钢结构焊接规范》标准进行。对分别采用焊条电弧焊、CO2气保护焊接而成的试板取横向拉伸、Z向拉伸、低温冲击(-40℃，-60℃)试样，取样位置为焊接接头1/2t、1/4t和母材。试样标准分别根据GB2649-89《焊接接头机械性能取样法》、GB2650-89《焊接接头冲击试验方法》和GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》。拉伸试验在CMT5205微机控制电子万能(拉力)试验机上进行，冲击试验在摆锤式冲击试验机上进行，焊接接头冲击试样的缺口开在焊缝或热影响区。焊接接头金相试样在拉伸试样上截取，断口分析的试样在拉伸试样和冲击试样上直接截取，微观分析在ZEISS金相显微镜和JSW-6480扫描电镜上进行。
2、试验结果与分析
2.1焊接变形
焊接变形测试结果如下：焊条电弧焊的横向收缩量约为1mm，气体保护焊的横向变形量为0.9mm。由于在焊接时随时测量试板的角变形，并采用相应的焊道布置来控制焊接角变形，所以试板焊接后的角变形为零，也就是说在刚性固定的条件下，利用双面焊接时焊接变形的相互抵消，加上随时调整焊接顺序，就可以使焊接角变形控制在设计范围内。
2.2焊接方法、材料对焊接接头力学性能的影响
采用不同的焊接方法、焊接材料，其焊接接头拉伸性能和母材相比均有不同程度的下降，焊缝塑性均要低于母材。但从试验结果发现，不同的方法和焊接材料其拉伸性能的差别并不大，抗拉强度和屈服强度均在ABS要求的范围内(σs≥690MPa、770MPa<σb<940MPa)。
采用不同的焊接方法、材料的焊接接头的低温冲击性能与母材相比，在大多数情况下均有明显的提高。与拉伸性能不同，手工焊的低温韧性明显高于CO2气体保护焊试样的低温韧性，这主要和焊接材料的成分以及焊接方法、焊接保护条件、焊条烘干等因素有关。从焊接接头低温韧性试验结果发现：上述试样的低温韧性均在ABS要求的范围内(-60℃的冲击吸收功保证在33～46J)。
3、防止层状撕裂的措施
海洋钻井平台的层状撕裂和许多因素有关。主要影响因素有：材料成分、非金属夹杂物的种类、数量和分布、扩散氢的含量，纵向拘束应力的大小等。防止层状撕裂主要从两个方面来考虑：一是选择对层状撕裂敏感性小的材料，二是从结构设计和工艺角度来考虑。
由于大厚度管相交的角焊缝在厚度方向上拘束力大，海洋工程重点节点容易在临近焊缝的母材上产生层状撕裂，对钢进行脱S处理，改善钢材性能，有利于防止层状撕裂的发生。另外，对于钢材抗层状撕裂性能的要求，各船级社都对移动式海洋钻井平台的Z向断面收缩率ψZ和低温韧性提出特别的要求。
从本研究看，海洋钻井平台制造的材料选择均为具有良好抗层状撕裂性能的钢材，下面着重分析如何从结构设计和工艺的角度来减小层状撕裂的敏感性。
(1)从结构设计角度考虑。改变焊缝布置以改变焊缝收缩应力方向，尽量避免焊接接头的受力方向与厚度方向垂直；同时，亦可改变坡口方向来改变受力方向；焊接接头坡口间隙的大小对层状撕裂的敏感性也有影响，过大的坡口间隙在焊接时会使焊接区产生较大的收缩量，从而产生较大的拘束应力，在实际焊接施工中，一般宜将间隙控制在1mm以下。此外，在保证结构强度的前提下，应尽量减小焊脚尺寸，从而减小焊缝金属体积，以减小焊缝收缩应变。
(2)从焊接工艺、方法角度考虑。选用低氢的CO2气体保护焊，应能减小冷裂敏感性，从而有利于减小层状撕裂敏感性。焊接材料的选择在保证接头强度要求的条件下，尽量选择低强匹配的焊接材料，低强匹配易使应变集中于焊缝而减轻母材热影响区的应变，从而改善抗层状撕裂性能。在焊接工艺方面，合理的焊接程序是改善焊接接头受力状况的有效措施；采用多层、多道焊，适当小的线能量均有利于降低层状撕裂倾向，但小的线能量必须以防止产生冷裂为前提；施焊时还要防止因焊缝扩散氢引起冷裂纹而诱发层状撕裂，故借助预热和后热可减少和防止层状撕裂的产生，但它比防止氢致裂纹要求的预热温度要高(一般要高50℃～100℃)，并与钢材的含硫量有关，尤其在焊接高拘束接头时，更应引起重视。
4、结论
(1)采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊，配合相应的焊接材料焊接高强度、大厚度的WEL-TEN780Mod-037钢，在合理的焊接工艺条件下，均能得到高质量的焊接接头。
(2)对大厚度焊接接头，焊接过程中采用多层多道焊并选择合适的工艺参数，工件正面和反面开不对称剖口，注意合理的安排焊接顺序，可使接头正反两边产生的变形相互抵消，从而保证工件的平直度，控制焊接变形。
(3)焊接工艺、方法、材料以及试样和缺口的位置等因素均会影响焊接接头的力学性能。但在本研究采用的试验条件下，采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊的焊接接头，其接头的强度、-60℃低温韧性和Z向断面收缩率ψZ均能满足ABS对海洋钻井平台的要求。
(4)从防止层状撕裂的角度分析，采用的WELTEN780Mod-037钢母材和采用两种焊接材料焊接的焊缝均具有良好的抗层状撕裂性能。在实际生产中，还可从结构设计和工艺角度采取措施防止层状撕裂。
(5)CO2气体保护焊的生产效率大大高于焊条电弧焊，在两者均满足使用要求的前提下，建议优先采用二氧化碳气体保护焊并配合合适的焊接材料焊接海洋钻井平台升降腿。
参考文献
[1]中国焊接学会.焊接手册[M].北京:机械工业出版社，2002.
[2]杨蕴续.角接接头层状撕裂及预防措施[J].石油化工设备，2001，30(4):52- 53.
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第32期
论文发表时间:2019/3/1
标签：层状论文; 试样论文; 材料论文; 焊条论文; 性能论文; 电弧论文; 低温论文; 《建筑学研究前沿》2018年第32期论文;