海洋工程用高强钢焊接技术研究现状及发展趋势

李风波，潘川，杨文华，梅飞强

1.钢铁研究总院 北京 100081

2.中远海运重工有限公司 上海 200086

1 序言

世界海洋油气资源数量约占全球油气资源总量的34%，主要分布在“三湾、两海及两湖”[1]。海洋油气资源勘探开发的历程比较曲折，主要经历了由陆地到海洋、由浅海到深海、由简单到复杂的历程。随着全球能源短缺状况的日益严重，人类把目光转向海洋，致力于海上油气资源的开发，21世纪海洋油气资源的开发勘探对于各国的经济发展乃至对全球的经济发展都有着重要的意义。

世界海洋油气资源的勘探主要形成了由南美洲巴西、中美墨西哥湾和西非三个地区构成的深海油气勘探的“金三角”，特别是在巴西近海、美国墨西哥湾、安哥拉和尼日利亚近海，几乎集中了世界全部深海钻探井和新发现储量[2]。

在建设海洋强国的国家战略下，随着“21世纪海上丝绸之路”建设的日渐深入，我国加快了海洋开发的步伐，加大了海洋工程的研发力度，使海洋工程进入了快速发展的黄金时期，促进了我国浅海、深海、超深海油气的均衡发展。

海洋工程是海洋资源开发工程中的标志性装备，作为超大的焊接钢结构，由于高强钢所占比例高达 60%～90%，因此高强钢焊接接头的可靠性是保证海洋装备安全的关键因素。本文对目前国内外海洋平台用高强钢的焊接现状进行了综述，分析了海洋平台用高强钢焊接的发展趋势，为我国海洋工程用高强钢焊接技术的发展提供参考。

2 海洋工程用高强钢的发展

2.1 海洋工程用高强钢的历史

海洋工程用高强钢按化学成分划分属于低合金高强度钢，其发展经历了三个阶段。20世纪20年代以前，低合金高强度钢主要应用于桥梁和船舶。钢结构制造主要采用铆接，以抗拉强度为其主要设计参数，很少注意钢材的韧性、可成形性和焊接性，具有较高的碳含量。钢的强化主要靠碳以及加入单一合金元素，如Cr、Ni、Si等，总质量分数达到2%～3%，甚至更高。20世纪20～60年代，伴随着焊接技术的推广和使用，钢结构制造中逐步采取了焊接技术，低合金高强度钢主要以屈服强度、韧性和焊接性为设计准则。为了防止焊接裂纹，钢的化学成分向低碳多合金元素方向发展，一般wc≤0.2%，含2～4个有利于焊接性的合金元素。20世纪70年代以后，低合金高强度钢得到快速发展，钢中wc≤0.1%，采用Ti、V、Ni等合金元素进行强化，并且正向多元素复合合金化方向发展。我国低合金钢的开发起步于20世纪50年代、60年代初，正处于国际上低合金高强钢新的发展阶段。

2.2 海洋工程用高强钢的现状

当今海洋工程用高强钢，受轻量化及降低成本等因素的推动，同时精炼技术、微合金化技术、控轧控冷技术和形变热处理（TMCP）技术的推广应用，高强钢性能不断提高，使其在海洋领域的应用逐渐加大[3]。

世界海洋工程用高强度钢的主要级别为屈服强度为355MPa、420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa，低温性能一般要求－40℃时的冲击韧度，F级最低要求－60℃，抗层状撕裂性能达Z向35%，耐腐蚀性能良好，主要交货状态为TMCP、正火、调质。其中对海洋平台的桩腿、悬臂梁、升降电动齿轮、齿条机构等要求更加苛刻，需要690MPa以上钢级的高强度、大厚度专用钢，并要有优良的低温韧性、焊接性能、耐腐蚀性、抗开裂性能，厚度规格一般在100mm以上，最大达254mm。

典型海洋工程高强钢的使用情况见表1。

表1 典型海洋工程高强钢的应用

2.3 海洋工程用高强钢的发展趋势

近年来，世界上取得的重大油气发现大部分在海上，尤其是深海、极地区域。目前，海上油气勘探开发向深海、极地转移的趋势十分明显，深海、极地将是未来全球油气战略接替的主要区域，其油气的勘探开发已成为全球各大石油公司的投资热点。

为了适应深海、极地油气勘探开发的需要，海洋工程用高强钢的发展具有以下特点。

（1）高强度、高韧性 从海洋平台结构设计角度出发，提高钢的强度等级可以有效减轻平台结构自重，增加平台可变载荷和自持能力，提高总排水量与平台钢结构自重比。深海、极地区域海况复杂恶劣，要求海洋工程用高强钢必须具有优良的低温韧性。不同海洋工程类型目前所使用的高强钢级别及未来所需的级别[4]，见表2。

表2 海洋工程结构类型、工作水深及使用钢级

（2）优良的抗疲劳性、高止裂性 海洋工程在海上作业时受到风、浪、流等环境载荷以及作业动态载荷的反复作用，结构内部产生不断变化的应力，从而引起结构发生疲劳破坏。针对海洋工程所发生的一系列的结构件断裂灾难事故，国际工程领域提出了生产和应用具有止裂性性能钢板的要求，且正在形成并推广相关的国际标准。随着油气勘探开发向深海、极地转移，优良的抗疲劳性、高止裂性钢板将成为未来海洋工程用高强钢的又一发展趋势。

（3）优良的焊接性能 随着海洋工程的发展，结构大型化显著，构件厚度增加，结构也变得复杂，焊接工作量也随之增大，焊接最高占到建造总工时的40%。为了防止冷裂纹，确保接头的韧性和抗脆断性，传统的海洋工程用高强钢焊前需要进行预热，焊接时也要采取较小的热输入进行施焊，必要时在焊接过程中也要进行加热保温处理。因此，为了提高焊接效率，降低制造成本，确保焊接质量，不需要预热、能够适应大热输入等具有优良焊接性能的海洋工程用高强钢将是未来发展的重点。

3 海洋工程用高强钢焊接的研究现状

3.1 焊接材料

高强钢焊接材料是伴随着高强钢的发展而一起成长的，经过近半个世纪的发展，现已经形成手工焊、气保焊、埋弧焊等门类齐全的焊接材料。随着高强钢强度级别的不断提高，制约其进一步应用的焊接问题却日益突出，对焊接材料的性能要求也日渐苛刻。海洋工程设计要求焊接材料采用等强匹配，目前强度级别E550以上的高强钢焊接仍然以焊条和埋弧焊丝作为主要焊接材料。在矿山机械行业，随着屈服强度690MPa高强钢的应用，该级别的实芯焊丝得到一定应用，但由于工艺性及低温韧性的制约，所以无法满足海洋工程的焊接要求[5]。

3.2 焊接方法及装备

随着焊接技术的发展，新的焊接方法不断在海洋工程的建造中得到推广和应用。焊条电弧焊、氩弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊成为目前海洋工程建造的主要焊接方法，对于E420以下级别的高强钢气电焊、多丝埋弧焊等高效焊接方法也得到了部分使用。随着母材强度的提高，导致韧性储备较低，冷裂倾向大，软化、脆化明显，焊接方法也常常局限于焊条电弧焊、埋弧焊。尽管近年来随着焊接技术的发展，CO2气体保护焊也在E620及以上级别的高强钢得到了部分应用，但目前海洋工程制造还是以传统焊接工艺方法为主，存在自动化水平低、焊接效率低、焊接质量波动大等问题。焊接设备仍然以手工焊机、气保护焊机、氩弧焊机、埋弧焊机单机为主体，虽然部分企业配置T排焊接机、法兰焊接机等专用焊机，但专用焊机、自动化焊接设备、焊接机器人的比例和数量还是很低[6，7]。

3.3 焊接技术

焊接技术伴随着材料的应用而产生，并随着材料的发展不断进步。近年来，随着船舶及海洋工程制造业的蓬勃发展，提高焊接生产效率，保证产品质量，实现焊接生产的自动化和智能化越来越受到焊接生产企业的重视。

1）目前，海洋工程制造领域仍以传统焊接工艺方法为主，自动化水平低，焊接效率低。

2）焊接变形、裂纹、接热影响区的脆化及韧性降低等，仍然是目前高强钢焊接所面临的主要问题。

3）随着数字化、信息化的发展，焊接数据库、焊接专家系统已经开始得到应用，但由于焊接生产的自动化、网络化、智能化程度还比较低，所以焊接数据库、焊接专家系统的应用仅局限于焊接单机上。

4 海洋工程用高强钢焊接的发展

焊接作为海洋工程制造中的关键技术，直接制约甚至决定海洋工程的应用及服役寿命。

4.1 焊接材料

随着海洋工程结构趋于大型化、复杂化，服役环境越来越恶劣，焊接材料的发展将呈现以下趋势[8]。

1）高强韧、超低氢、高抗疲劳将是海洋工程用焊材的研发重点。

2）增强焊接材料的自动化、数字化焊接的适应性。

3）改进焊材的材料配方设计，开发低碳环保的绿色焊材。

4.2 焊接方法及设备

未来，激光电弧复合焊、热丝TIG、窄间隙焊等自动化程度高、焊接效率高、质量可靠的焊接方法将是海洋工程焊接的发展方向[8]。对海洋工程建造而言，要提高竞争优势就需要提高焊接效率，而成本效益的改善往往是通过高效可靠的焊接设备、提高焊接自动化水平来实现。

随着电子技术、计算机技术、自动化技术及通信技术的发展，焊接装备将呈现以下特点[9]。

1）焊接装备的节能化、环保化、人性化。

2）焊接装备的高精度、高质量、高效率、高可靠性。

3）焊接装备的自动化、智能化、柔性化。

4.3 焊接技术

智能控制技术、数字化信息处理技术、图像处理及传感器技术、高性能CPU芯片等高新技术的融入，将会使未来的焊接技术产生新的重大飞跃。

1）焊接接头组织、性能的均一。传统的焊接技术由于热场分布极不均匀，温度梯度非常大，与扩散有关的过程极不充分，导致组织和性能极不均匀，使接头成为一个最薄弱的环节，成为焊接结构最容易发生破坏事故的区域。未来，通过焊接技术的进步，钢材、焊材、焊接设备的发展，组织、性能与母材一致的焊接接头将是焊接技术未来发展的终极目标。

2）焊接数值模拟与虚拟制造的有机结合。焊接是一个涉及到传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程。单纯采用理论方法，很难准确地解决生产实际问题，往往采用试验手段作为基本方法，按照“理论－试验－生产”模式进行焊接生产技术的研究。将来随着数值模拟及虚拟制造技术的快速发展，焊接研究将转为“理论－虚拟－生产”的模式，推动焊接技术实现由经验到科学、由定性到定量的飞跃[10]。

3）焊接技术与人工智能、传感等新技术深度融合具有网络化、智能化、柔性化特点。通过网络通信技术将生产管理与焊接过程自动控制一体化；人工神经网络、模糊控制等人工智能技术的应用，使焊接技术可以实现焊缝自动跟踪、焊接参数自我调整、焊接质量实时监控等；传感技术、自动化技术使焊接技术具有了柔性化，可满足不同材质、不同工件的焊接要求[11]。

5 结束语

焊接作为一门古老而年轻的技术，到19世纪末，随着电力、材料技术的发展，焊接开始进入高速发展期，经过一百多年的发展，焊接技术已经从过去的一种单纯意义上的加工工艺逐渐发展成为集多种学科为一体的工程工艺科学，现已广泛地应用于工业生产的各个部门，在推动工业的发展和产品的技术进步以及促进国民经济的发展都发挥着重要作用。现代焊接技术自诞生以来一直受到诸学科最新发展的直接影响与引导，随着材料、信息通信、传感、计算机等学科发展，不仅促进了数十种焊接新工艺的问世，而且也使得焊接行业正经历着从传统的手工慢慢向自动化、智能化、柔性化的过渡，这已成为公认的发展趋势。