概述了国内外海洋平台用钢管的现状及发展。阐述了海洋平台用钢管焊接时的常见问题。讨论了焊接方法、焊接热输入及焊后热处理等不同的焊接工艺对海洋平台用钢管焊接接头性能的影响。

海洋平台是各种海上固定式或移动式平台的总称,是一种开采海上石油及天然气等资源的超大型焊接钢管结构。海洋平台工作环境十分严酷,会受到海潮、风暴、寒冷流冰等影响,支撑的设备质量超过数百吨,而且海洋平台服役时间有一定要求,所以海洋平台用钢管要有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、好的焊接性、耐腐蚀等性能。这对提高海洋平台用钢管的服役时间以及独立开发海洋资源有重要影响。

我国在海洋平台用高强钢管的研发、生产和应用方面已加大发展力度,力求赶上欧美日韩等发达国家。我国已经具备EH40以下的海洋平台用高强度结构钢管材的生产能力,并且已成功研发生产船体及海洋平台用钢管FH6905,但和欧美等发达国家和地区相比仍有不足,许多高性能的钢管材只能依靠从国外大量进口,导致我国海洋资源开发能力受到限制。

因此,我国今后重点研究方向应放在研发和完善高强度、厚规格、可焊接性,尤其是耐腐蚀性能好的海洋平台用钢管以及改善并发展其焊接工艺。本文概述了国内外海洋平台用钢管的发展及现状,分析了海洋平台用钢管的焊接性,包括焊接冷裂纹、层状撕裂和低温韧性。在此基础上,重点概述了焊接工艺对海洋平台用钢管焊接接头性能的影响。

1海洋平台用钢管的发展及现状

1887年世界上第一座海洋平台问世,它坐落于美国加利福尼亚海岸。直到1950年左右,海洋平台才得到新的发展1947年,第一座设备与功能比较完善的自容式平台问世。目前全球有能力从事海洋资源勘探和开发的国家已超过100个,所开发的油气产量大约为全世界产量总和的35%,发展的速度非常快。经统计,如今全球已有近700台移动式钻井平台,最大适应水深能力已超过3000 m,钻井深度达到12000m

同西方发达国家相比,我国在海洋平台的建设方面起步相对较晚。我国海洋工业于20世纪60年代末期才开始得以发展,最早的海洋石油开发始于渤海湾地区,该地区水深较浅,多为20m。到20世纪80年代末期,开始在南海100m左右水深的范围内进行工作。

随着各国海洋战略逐渐转向深海开发,因此对海洋平台用钢管的强度和耐腐蚀性需要更高要求现在全球最优质的海洋平台用钢管主要由德国迪林根和日本的新日铁JFE和住友金属公司生产,如表1所示。日本已开发出耐海水腐蚀、大线能量焊接及低温用等系列的高强钢管板,最高强度可达980MPa

国内海洋平台用钢管主要产品牌号为ABDEZ15Z25Z35AH32-FH32Z15Z25Z35),AH36-FH36Z15Z25Z35)、AH40-FH40Z15Z25Z35API2H.Cr42Cr50等。

2海洋平台用钢管焊接时的常见问题

随着海洋平台的发展和应用,对钢管材的强度和厚度要求越来越高,同时焊接冷裂纹、层状撕裂、低温韧性等相关问题也需要着重考虑。

2.1焊接冷裂纹

海洋平台焊接使用的多为大厚度高强钢管,焊接时会存在较大的拘束应力。经实践与理论研究得到产生冷裂纹主要有以下三个主要因素:钢管种的淬硬倾向,焊接接头含氢量及其分布和接头所承受的拘束应力状态。同时冷裂纹受钢管种的化学成分影响也较大,可以凭借碳当量来判断钢管种的冷裂敏感性,碳当量越大,则钢管种的冷裂敏感性越强,产生冷裂纹倾向越大1不同的板厚、坡口形式和焊缝位置,在焊接时都会产生不同的拘束应力,因而对焊接接头的裂纹倾向产生直接影响。通常来说,板厚越大拘束度越大,导致产生裂纹倾向就越大。如果使用过大焊接线能量,会使热影响区过热晶粒粗大,焊接热影响区性能急剧恶化,极易产生焊接冷裂纹。如果使用过小的焊接线能量,会因冷却时间较短,热影响区发生淬硬,氢不利于逸出,因此也会增加冷裂倾向。

2.2层状撕裂

层状撕裂是沿钢板轧制方向出现的阶梯状裂纹,它的全貌基本是由平行于轧向的平台与大体垂直于平台的剪切壁组成。层状撕裂与钢种的强度级别关系不大,影响它的主要有两大因素:一是钢材承受较强的拉伸应力,二是主要与钢中夹杂物数量、分布状态有关110钢板越厚其内部的非金属夹杂物越多,拉伸应力越大,产生层状撕裂的危险性越大。目前,解决层状撕裂的较好办法是从材料入手,选用z向性能好的Z向钢。

2.3低温韧性

海洋工程中的焊接接头都是在极其恶劣的环境下工作的,尤其是在深海平台中工作的焊接接头。低温韧性则是一项非常重要的指标,其直接影响钢管的使用范围和服役安全性。材料的韧脆转变温度越高,低温韧性越差。

3焊接工艺对钢管焊接接头性能的影响

3.1焊接方法对接头性能的影响

如今,海洋工程结构建造中主要用到的焊接方法有手工电弧焊、埋弧焊、Co,气体保护焊和氩弧焊等。焊条电弧焊设备简单、操作灵活,适用于各种位置焊接,尤其是导管架T.KY节点的全位置焊接。埋弧焊的优点是效率高、焊缝质量好,但是使用有局限性,只能焊平位置的直缝和环缝,不能焊接空间焊缝。在CO,气体保护焊中,CO,受到电弧加热后体积增大,起到了保护电弧和避免熔池侵入有害气体的作用,但不可以在有风的地方作业。氩弧焊焊接应力与变形小,焊缝性能优良,但是成本较高,所以常适用于不锈钢管、耐热钢管和非铁金属的焊接。

海洋平台导管为海洋平台建造的重要组成部分之一,但是国内在这方面的技术发展相对落后,手工电弧焊打底、单丝埋弧焊填充盖面为国内制管生产线普遍的焊接工艺,采用传统的碳弧气刨方式进行焊缝清根。文献[16]STT(表面张力过渡)加单丝、STT加双丝两种焊接工艺进行了比较。分析表明,焊接效果最好的焊接工艺为STT加双丝埋弧焊焊接。在坡口与材料相同的条件下对双丝焊焊缝进行了拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、金相试验、硬度试验和CTOD(裂纹尖端张开位移)试验,试验结果均符合要求。而且单丝埋弧焊的熔敷速度比双丝埋弧焊的慢35.9%

文献对厚度为25mmD36钢管通过Plasma-MIG复合电弧焊进行了对接试验。Plasma-MIG为一种具有很大优势的复合热源焊接工艺,这种焊接方法属于等离子弧焊。采用12道多层多道焊焊接工艺参数可以得到良好的焊缝,其成型美观,没有气孔、夹杂、未熔合等缺陷。和传统的MIGD36钢管接头抗拉强度相比,这种焊接工艺可以使D36钢管的接头强度得到提高,并且可以得到良好低温冲击韧性的焊缝。

焊接方法的选择对接头组织、性能有着至关重要的影响。因此,选用的焊接方法必须以保证焊接质量为前提,同时还需提高焊接生产效率、降低成本。根据母材的性能和结构特征、不同焊接方法的优点,同时结合生产条件等因素,综合分析后选定适宜的焊接方法。

3.2焊接热输入对接头性能的影响

焊接热输入是熔焊时焊接能源输送给单位长度焊缝上的热能。焊接热输入也是一项重要的焊接工艺技术指标。

文献对F550Z海洋平台用钢管采用不同热输入进行试验。分析不同的焊接热输入对接头的强度、韧性、微观组织及硬度的影响。结果表明:当焊接热输入量增大时,接头抗拉强度可满足中国船级社(China Classification Society简称CCS)要求的最低值670 MPa,接头强度对热输入变化不敏感;焊接接头的硬度比较均匀地分布,母材处与焊缝中心相比稍高,但不会有较大的波动文献[19对海洋平台用EQ56高强钢管EQ70高强钢管的冷裂纹敏感性进行了斜Y型坡口试验,优化选择EQ56高强钢管EQ70高强钢管匹配的焊接材料。对EQ56EQ70药芯焊丝气体保护焊焊接接头的显微组织和力学性能进行了对比分析。发现在EQ56EQ70钢管焊缝中心的显微组织为先析铁素体+针状铁素体,不同的预热温度、热输入及焊后热处理会使先析铁素体和针状铁素体的量发生变化。焊缝组织为大量的针状铁素体,这可以使焊缝具有良好的抗拉强度及低温冲击性能。因此,EQ56EQ70高强钢管焊接时若想使焊接接头性能良好,可选用较低的焊接热输入和预热温度并进行适当的焊后热处理。EQ56200A电流下焊缝区微观金相组织如图1所示。

文献对海洋平台用DH36钢管分别用焊接线能量83045J/m进行焊接试验。分析其对接头中焊缝、过渡热影响区、粗晶粒热影响区和亚过渡热影响区断裂韧度的影响。结果表明:焊接接头的裂纹尖端张开位移(CTOD值)会随着焊接线能量的增加有降低的趋势。热影响区的CTOD值高于焊缝,亚过渡热影响区的断裂韧度高于粗晶粒热影响区的断裂韧度。焊接热输入的选择会影响焊接接头性能。但焊接热输入过大则会消耗能源而且会降低焊接接头的韧性,还会产生咬边等缺陷。热输入较小,则会产生未焊透等缺陷,铁焊接点的强度将会降低,容易造成事故。

3.3焊后热处理对接头性能的影响

焊后热处理是焊后对工件进行回火、退火或时效等的处理,从而达到降低焊后残余应力和改善焊后组织的作用,同时提高焊缝腐蚀性能、疲劳性能和力学性能文献采用正交试验方法,对690MPa级海洋工程用钢管的热处理工艺参数进行了研究,分析了不同淬火温度、冷却介质、回火温度和回火保温时间对轧后的690MPa级海洋工程用钢管组织和性能的影响。通过正交试验分析得出,回火温度和回火时间对试验钢管强度和塑性有非常大的影响,淬火温度和淬火介质次之;但对于断面收缩率来说,淬火温度和回火温度是主要的影响因素。

文献研究了不同淬火温度和不同回火温度与组织及性能的关系。在对EQ70级海洋平台用钢管进行调质热处理时,提高淬火温度则组织晶粒尺寸逐渐增大,强度逐渐升高,韧性会逐渐下降。当回火温度升高时,组织逐渐细化、均匀,贝氏体含量降低,逐渐出现铁素体,同时伴随少量渗碳体出现在组织间隙中,从而可以获得良好的综合力学性能。焊后热处理是海洋平台用钢管焊接中一项重要的工艺。但如果焊后热处理温度过低,或者没有足够的保温时间,焊接残余应力就不会被完全去除,也得不到良好的力学性能。如果焊后热处理温度过高,或者保温时间过长,接头的组织会出现结晶粗化从而降低力学性能、蠕变性能和缺口韧性。

4结语

由于海洋平台在建造中需要不同的材料,而且材焊接位置也不同,并且成本也有差别,所以选用焊接方法时应以保证焊接质量为前提,根据母材的性能和结构特征,结合实际生产条件选用适宜的焊接方法。

焊接时需要合理选择焊接热输入大小。焊接热输入不宜过大,否则会消耗能源并且降低焊接接头的韧性,而且还会产生咬边等缺陷。焊接热输入较小,则会产生未焊透等缺陷,焊接点的强度达不到要求,这对支撑着数百吨设备的海洋平台来说是绝对禁止的。

为了防止海洋平台用钢管焊接后由于韧性下降导致腐蚀开裂等安全性问题,可以通过焊后热处理来消除残余应力,减少焊接区的含氢量,同时起着平衡焊接接头组织、改善性能的作用。进行焊后热处理时要选择适当的温度和保温时间,否则会对钢管材的强度造成影响。