用于海洋平台S420高强度钢焊接工艺研究

靳伟亮

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛266520）

用于海洋平台S420高强度钢焊接工艺研究

靳伟亮

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛266520）

为了研究用于海洋石油平台S420高强度钢的焊接工艺，采用SAW和FCAW-G工艺对国产S420高强度钢EH420进行了焊接试验、力学性能测试及CTOD试验测试。试验结果表明，焊接接头的各项性能均满足相关标准的要求，且具有较好的断裂韧性即抗裂性能，满足南海深水油气开发设计需求，在深水油气开发中可取代S355钢材，可有效降低海洋结构物总体质量、施工难度和开发成本。

焊接；S420钢；焊接工艺；断裂韧性

自1943年世界第一台水深为6 m的导管架式采油平台在墨西哥湾问世以来，至今世界各国对海洋资源的开发方兴未艾。目前，海上油气田的开发已从浅海到深海、冰海区域发展，前景广阔，同时对海洋钻井平台制造技术的要求也越来越高。

海洋平台是人类开发海洋资源的工具，属于超大型焊接钢结构，应用在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的海洋工作环境中，这些特征决定了海洋平台用钢必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂以及良好的可焊性和冷加工性能。20世纪60年代开始，欧美一些国家和日本已开始了对海洋石油平台用钢的研究和开发，S420钢已普遍用于海洋石油平台的建造[1]。而国内对于该强度级别钢材的研究及使用相对滞后，尤其在海洋油气开发工程主体结构中尚未使用S420钢。目前国内海洋油气开发工程主体结构仍然普遍使用S355钢，而随着国家海洋油气开发逐步走向深水，海洋工程结构所用板厚增大，质量不断增加，则焊接层道数也大幅增加，由此造成焊接残余应力及焊缝中累积的扩散氢水平不断增加，同时产生焊接缺陷的几率也随之增加，进而导致焊接冷裂纹发生及焊接变形问题，施工难度不断增大[2-3]。如果海洋平台采用更高强度级别钢材，所用钢材板厚可相应减小，上述问题能够得到一定缓解，同时可减重约20%，降低施工难度，节省开发成本。

基于上述原因，开展了针对S420高强度钢的焊接工艺开发，并对其焊接接头的力学性能和断裂韧性进行了测试，期望对S420钢材在海洋平台中的应用提供一定的技术支撑。

1 试验材料

试验材料选用宝钢产EH420－Z35钢，规格为1 000 mm×3 200 mm×80 mm，供货状态为TMCP，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。

表1 宝钢产EH420－Z35钢的化学成分 %

表2 宝钢产EH420－Z35钢的力学性能

AWS D1.1[4]钢结构焊接规范中要求钢材碳当量Ceq和冷裂纹敏感指数Pcm的计算公式为

将表1中数据代入公式（1）和公式（2）可得Ceq＝0.38%，Pcm＝0.18%。那么，按照国际焊接学会和中国造船规范推荐的碳钢及低合金钢常用的碳当量标准：当碳当量＜0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，可焊性优良；当碳当量为0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热，控制线能量等工艺措施；当碳当量＞0.6%时，淬硬倾向强，属于较难焊的钢材，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。由此得出本次所选试样碳当量≤0.40%，具有较好的焊接性。

2 焊接工艺设计与开发

根据所选钢材情况，焊接工艺设计时着重注意以下几点：

（1）适当的预热温度和层间温度。所选钢材壁厚为80 mm，为降低焊接接头拘束度及缓解焊接残余应力，确定预热温度最低为110℃，层间温度最高为200℃。

（2）严格控制焊接线能量。线能量过大，容易造成焊接接头和热影响区组织过热，产生过热组织而使其脆化，降低焊缝和热影响区的硬度和韧性；线能量过小，焊接热输入不足，熔池温度不够，冷却速度快，容易产生淬硬组织，如马氏体，造成焊缝应力集中，严重产生变形和开裂。所以，本次试验埋弧焊线能量控制在1.8～2.5kJ/mm，气体保护药芯焊线能量控制在1.0～2.0 kJ/mm。

（3）焊接材料选用与母材等强匹配的低氢焊材，降低氢致裂纹发生几率。

2.1 焊前准备

根据 AWS D1.1 及 DNV－OS－C401[5]标准要求，分别确定埋弧焊1G横焊和气体保护药芯焊3G立焊试验。焊缝坡口形状及尺寸如图1所示。

焊前应采取打磨等措施彻底清除坡口表面及附近25 mm内的铁锈和油污等异物。

图1 焊缝坡口形状及尺寸

2.2 焊接工艺

（1）焊前预热温度不小于110℃，层间温度不超过200℃。采用电阻加热器对焊缝两侧各150 mm进行预热，层间温度不得低于预热温度。

（2）采用多层多道焊，选用适当的焊接参数，严格按上述要求控制焊接线能量，具体焊接工艺参数见表3。

（3）焊接完成后，立即使用保温棉包裹焊缝区进行缓冷处理。

表3 焊接工艺参数

3 检验及结果分析

3.1 无损检验

焊接完成48 h后进行NDT（无损检验）检验，包括焊缝外观检验、MT和UT探伤，检验结果均满足AWS D1.1钢结构焊接规范的要求。

3.2 力学性能试验

根据AWS D1.1钢结构焊接规范对焊接工艺评定试验的要求，分别进行减截面拉伸、全焊缝拉伸、侧向弯曲、夏比冲击和宏观硬度试验[4]，试验结果见表4～表7。

表4 拉伸试验结果

表5 弯曲试验结果

表6 夏比冲击试验结果

表7 宏观硬度试验结果

由表4～表7可知：①全焊缝拉伸试验结果均高于GB 712—2011[6]标准要求，证明所选焊接材料匹配适合；②弯曲试验采用50.8 mm压头进行侧弯试验，所有试件弯曲面均无裂纹，证明焊缝金属塑性满足需求；③－40℃夏比V形冲击试验结果良好，均高于标准要求，证明焊接接头具有较好的冲击韧性；④所有宏观硬度试验满足DNV－OS－C401标准对S420材料 HV10最大 350的要求。

4 断裂韧性试验

断裂韧性是表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。其中CTOD（crack-tip opening displacement，裂纹尖端张开位移）试验是目前普遍用于测试材料断裂韧性的一种试验方法。通过CTOD试验不但可以选择材料韧度，而且可以为结构的安全可靠性的评定提供试验依据[7-9]。本次试验根据 DNV－OS－C401和BS 7448－2[10]标准要求，分别对两种不同焊接工艺的焊接接头按图2进行疲劳裂纹预制并进行CTOD试验。具体试验结果见表8。

图2 疲劳裂纹预制

表8 CTOD试验结果

典型焊接接头热影响区和焊缝CTOD试验断口形貌如图3和图4所示，均为典型的塑性断裂。

按照DNV－OS－C401标准要求：①3～5个有效结果时，CTOD试验最小结果应大于0.15 mm；②6～10个有效结果时，CTOD试验第二小结果应大于0.15 mm；③11～15个有效结果时，CTOD试验第三小结果应大于0.15 mm。

由此可见，本次试验结果完全满足DNVOS－C401标准要求，且能满足部分欧洲项目CTOD值大于0.25 mm的要求，证明焊接接头在－10℃环境下具有良好的抗裂性能，进一步证明了焊接材料和焊接工艺的适用性。

图3 不同焊接工艺的CTOD试验热影响区断口形貌

图4 不同焊接工艺的CTOD试验焊缝断口形貌

5 结 论

（1）依据AWS D1.1标准成功地对80 mm EH420钢板进行了埋弧焊和气体保护药芯焊工艺开发，各项试验结果均满足标准要求。焊接接头具有较好的强度、韧性和低温冲击性能，满足海洋工程设计要求。

（2）分别对两种焊接工艺的焊接接头进行了断裂韧性CTOD试验，试验结果表明：－10℃服役条件下断裂韧性CTOD试验结果均满足DNV－OS－C401标准大于0.15 mm的要求，两种工艺的焊接接头具有良好的抗裂性能，同时－10℃服役条件基本能够覆盖南海深水油气开发的服役温度要求。

（3）通过选用S420高强度钢替代目前普遍使用的S355钢材，能够降低海洋工程用钢材壁厚，进而降低焊接残余应力及焊缝中累积的扩散氢水平，从而降低焊接冷裂纹发生几率和焊接变形问题。

（4）本研究为后续深水油气开发工程采用S420高强钢替代目前普遍的S355钢材、减轻海洋工程结构物质量及施工难度和开发成本，提供了一定的技术支撑。

［1］侯晓英.海洋平台用钢的开发及应用现状[J].莱钢科技， 2014（6）： 1－3.

［2］陈燕红.焊接冷裂纹的预防技术[J].企业技术开发，2006， 25（7）： 54－55.

［3］林浩.船用高强度钢焊接冷裂纹的形成和预防[J].造船技术， 2003（3）： 30－32.

［4］ AWS D1.1—2010， Structural Welding Code-steel[S].

［5］ DNV－OS－C401—2009， Fabrication and Testing of Offshore Structures[S].

［6］GB 712—2011，船舶及海洋工程用结构钢[S].

［7］曹军，李小巍，温志刚.CTOD断裂韧度试验在海洋平台建造中的应用[J].中国海上油气，2004，16（2）：129.

［8］霍立兴.焊接结构工程强度[M].北京：机械工业出版社，1995.

［9］霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：机械工业出版社，2000.

［10］ BS 7448 －2—1997， Fracture Mechanics Toughness Tests， Part 2.Method for Determination of KIC，Critical CTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials[S].

Research on Welding Process of S420 High Strength Steel Used for Ocean Platform

JIN Weiliang
（Offshore Oil Engineering(Qingdao)CO.,Ltd.,Qingdao 266520,Shandong,China）

In this article,in order to research the welding process of S420 high strength steel used for ocean platform,the welding tests,mechanical performance tests and CTOD test for S420 high strength steel were carried out by adopting SAW and FCAW－G welding process.Test results showed the performance of welded joints all meet the requirements of the related standard and possesses good crack resistance，which also meet the design requirements of oil and gas development in the South Sea,it can replace S355 steel in deep-water oil and gas development.This research effectively reduces the overall quality of marine structure,construction difficulty and the cost of development.

welding;S420 steel;welding process;fracture toughness

TG438.2

A

1001－3938（2015）12-0023-05

靳伟亮（1981—），男，工程师，主要从事海洋石油工程焊接工艺开发和设计工作。

2015－08－08

李红丽