海洋装备用特种钢材的加工

伴随企业制造能力的增强，海洋装备的性能与品质不断提升，对特种钢材的需求正在逐渐增大，特种钢材的加工也就自然成为海洋装备制造企业面临的一大难题。为此，本期产业论坛特别邀请了来自海洋装备制造企业，主要从事焊接与切割的专业技术人员，分享特种钢材的焊接与切割经验。

招商局重工有限公司 陈淑梅

深圳赤湾胜宝旺工程有限公司 贾义庚

江苏金陵船厂设计公司 吉春正

海洋装备用特种钢材及其性能特点

陈淑梅：伴随我国海洋装备制造能力的日益增强，产品档次不断提升，不少海工装备制造企业目前已对超高强度钢、耐腐蚀钢、殷瓦钢、双相不锈钢、抗Z向冲击钢，以及水面和海底海工装备所需等一系列特种钢材产生了一定需求。

目前，我公司在建的各类型自升式钻井平台共有18座，包括CJ46.CJ50，JU2000E等一系列产品。由于海洋环境条件具有复杂性、随机性和多样性的特点，而且平台的桩腿部分要在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的海洋工作环境中，支撑重量上千吨的平台和钻井设备，保证远离陆地的操作人员的生存条件和安全，所以对材料性能和焊接制造要求非常苛刻。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。现在我公司在建平台桩腿上齿条板和主弦管大多采用屈服强度≥690MPa的超高强钢，抗拉强度在770~940MPa之间，伸长率≥14%，横向冲击吸收能量在-40℃条件下≥47J，通常是调质状态交货，且齿条板厚度往往≥150mm；高压泥浆管线用到4130等级的合金管，应符合ASTM—A519去应力状态下力学性能要求，即屈服强度≥585MPa，抗拉强度≥724MPa，伸长率≥10%，硬度≤95HRB。

张剑利：近年来，我国海洋装备发展迅速，已经成功设计和建造了浮式生产储卸装置、自升式钻井平台、半潜式钻井平台以及深水起重铺管船等多种海洋工程船舶。在这些装备的制造中，高强钢、双相不锈钢、复合管、镍基合金等特种钢材都得到了广泛的应用。

在有高耐腐蚀要求的油气管线中，双相不锈钢得到广泛应用。双相不锈钢由各约占50%的奥氏体相和铁素体相组成，它在一定程度上兼有奥氏体与铁素体钢的特性。奥氏体相的存在，降低了高铬铁素体不锈钢的脆性，防止了晶粒长大倾向，提高了韧性和焊接性；铁素体相的存在，提高了奥氏体不锈钢的室温强度，尤其是屈服强度和导热系数，降低线膨胀系数和焊接热裂倾向，同时大大提高了钢的耐应力腐蚀开裂性能，还改善了耐点蚀性能。但由于两相的存在，也带来了某些缺点，因铁素体含量较高，保留了高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向。因铁素体和奥氏体相的变形能力不同，故冷热加工性能也较差。

此外，高腐蚀性油气输送普遍采用耐蚀合金管道，然而，普通耐蚀管材中用作抗腐蚀的部分仅占1/3左右，其余部分用作结构支撑，造成了资源的极大浪费。为满足油气管道的耐腐蚀性能并兼顾成本，双金属复合管应运而生。双金属复合管衬管采用薄壁耐蚀合金材料，可根据不同的腐蚀环境选用相应的材料（不锈钢、镍基合金等），以保证良好的耐腐蚀性能；基管采用碳钢或其他合金钢保证优异的力学性能。双金属复合管从根本上改变了传统金属管道的单一性和局限性。

贾义庚：在海洋工程领域，制管的应用很普遍。但由于钢材本身的强度、厚度不断增加，卷管的难度也一直增加。这尤其对卷管机的轴提出了更高的要求，包括高强度、高韧性、高耐磨性及高抗疲劳性等。目前卷管机轴应用最广泛的材料就是42CrMo, 调质状态供货。42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，抗拉强度≥1080MPa，屈服强度≥930MPa，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。

吉春正：海洋工程用钢主要种类可分为：海洋平台、海洋风力发电以及海底油气管线用钢等三类。

海洋平台处在复杂、多变的海上，应用环境比较恶劣，要考虑到风载荷、波浪载荷、海流载荷、地震载荷等影响。这些特性要求海洋平台用钢拥有高强度、高韧性、抗疲劳、厚规格、耐腐蚀、抗层状撕裂，以及焊接性良好；在冶金质量上要求采取低磷、低硫、低夹杂及细化晶粒等控制措施。

海洋装备用特种钢材的焊接与切割难点

陈淑梅：基于海洋装备用特种钢材的特殊性能，也使其加工难度要远远大于普通钢材。下面以我公司承接项目中涉及到的特种钢材为例，说明其焊接难点。

我公司承接新加坡BestFord OFFshore的 6条CJ—46钻井船所用的桩腿材料：主弦管为A514—F，齿条为JFE—HITEN 780M—MOD—T，都属于ABS EQ70系列的超高强钢，加工过程中难点主要包括：①齿条接长对接厚度150mm，且焊接接头为全熔透，焊接填充量大，内应力较大，易产生裂纹。②焊件厚，并处于调质状态，预热层间温度要求高，预热温度为150℃，且注意加热均匀并控制加热冷却速率。③焊接变形较难矫正，为了保证调质钢的性能，热矫正温度不能太高并控制速率，火焰矫正常常需配合机械矫正。④焊后要立即进行消氢处理。

而高压泥浆系统用的4130管，主要难点是保证焊后力学性能及防应力腐蚀性能良好，只有通过严格的焊后热处理，才可保证以上性能，特别是焊缝及热影响区的硬度要求。因为常常为了降低硬度不得不进行较长时间的热处理，而热处理又会影响到母材的整体性能，所以热处理保温时间和保温温度是重要的因素，需通过焊接工艺评定来确定。

张剑利：我公司钻井船齿条使用的S690钢是最小屈服强度为690MPa的低合金超高强度钢，它是低碳调质钢的一种。在焊接时要注意马氏体转变时的冷却速度不能太快，使生成的马氏体进行“自回火”处理，以防止冷裂纹；合理控制热输入和预热温度，使获得最佳的800~500℃之间的冷却速度，提高热影响区韧性。因此确定焊前合适的预热温度，严格控制热输入及最大层间温度，焊后保温缓冷是S690钢焊接的关键。

实际焊接中，需保证：①预热温度至少150℃，最大层间温度200℃。②焊条电弧焊热输入控制在1.0~2.5kJ/mm，气体保护焊热输入控制在0.9~1.5kJ/mm。③焊接结束后，采用电阻加热器在焊缝两侧各150mm的范围内进行后热处理，温度控制在200~300℃，保温2h，以减小焊接接头的扩散氢含量，并改善焊接接头的综合性能。④焊接过程中要注意焊道的布置，由坡口的两边向中间焊接，盖面焊道采用回火焊道。

同时，由于S690本身的高碳当量，在使用火焰切割时，需要先用电加热片进行加热，然后才能进行切割作业，以防止切口处发生淬硬或产生裂纹。切割时，为保证预热温度，距离切割处一定长度的未切钢板上的电加热器要继续放置不能撤离，电加热器的撤离要根据切割所进行到的位置，按区域顺序成批地进行。对于切割完毕的切割路线，要使用保温棉进行保温缓冷。

贾义庚：在卷管过程中，由于卷管轴存在截面突变，导致轴的断裂破坏时有发生。在这种情况下，一般都要采取焊接修复的手段重新利用。但42CrMo的高碳当量造成了它在焊接时易产生冷裂纹，并且随着轴径的增大，焊接难度增大。此外，焊材的选择、层间温度的控制、污染物的清洗也是焊接中必须面对的难题。

针对以上焊接难点，在焊接42CrMo过程中需注意以下要点：①由于轴的抗拉强度＞1000MPa，故焊材的选择宜采用低匹配原则，适当牺牲部分强度，提高韧性。②选用超低氢焊材。因为此类材料的冷裂倾向比较严重，必须控制氢的来源，超低氢焊材是必然的选择。③焊前预热。因为预热能够较大程度的降低冷却速度和有益于扩散氢的溢出，对预防冷裂纹是十分必要的。预热温度至少要提高到250℃，并且加热速度要缓慢，不能造成外热内冷的假象。④焊接过程中，采用对称焊接，最大程度的减小残余应力。⑤焊后热处理。焊接完成后，立即采取焊后热处理。温度约650℃保温5h，延长扩散氢的逸出，然后缓冷至室温。

海洋装备用特种钢材对焊接设备与材料、切割设备的需求

陈淑梅：超高强度钢由于焊接困难，焊接过程中需预热、后热及打磨等工序，自动化程度不高，效率低。如何提高焊接的自动化程度，保证焊接质量稳定可靠，是目前企业关注的主要问题。大力发展机器人等智能焊接，已成为目前提高节能减排、降本增效的一个新发展方向，这样对焊材也提出了更高的要求，特别是MIG、MAG焊丝，要求性能稳定，送丝顺畅均匀。目前国内焊材仍有待于提高，特别在超高强的焊接方面，仍无法取代进口焊材。

吉春正：在海洋工程制造中常会采用大厚度（177.8 mm）低合金高强度钢板（如Dillimax690E）作为平台升降齿条钢，该钢经切割后可直接应用于升降齿条无需再加工，该齿条有CJ46、JU200E 两种规格，为此对切割技术提出了极高的要求。

首先切割的火焰必须要长，其切割嘴的风线要高速、高压，这样才能切出光洁的断面；在切割中还要防止钢板变形，可以采用双头对称的切割技术，大厚度钢板切割时首先要预先考虑增大进气管直径，选用专用减压器割锯，采用大罐液氧作为助燃和切割气体，在选用丙烷和氧气切割时要适当降低切割速度，最好在切割前对大厚度钢板进行预热，以便清除钢板表面水分进一步提高切割质量，切割的中心焰要调节切割氧的压力为0.6MPa，丙烷压力为0.06 MPa。

海洋平台用钢的焊接方法主要有焊条电弧焊、CO2气体保护焊和药芯焊丝气体保护焊等，部分使用埋弧焊。对于焊接材料的选择，要求焊缝金属力学性能应接近母材性能，一般采用“等强匹配”。但是对于一些大厚度，强度级别更高的海洋平台用钢，往往会采用“低强匹配”。在不影响其整体力学性能的情况下，通过牺牲一定的强度，来获得比较好的焊缝韧性。