潘東民，張良鋒，李連波，任勝漢，魯欣豫，何培龍

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

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DH36海洋平臺(tái)鋼水下局部干法多層多道焊接工藝研究

潘東民1，張良鋒1，李連波1，任勝漢1，魯欣豫1，何培龍2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

采用自行研制的水下焊接壓力艙試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬研究了不同水深下的環(huán)境壓力對(duì)DH36海洋工程用鋼的局部干法水下多層多道焊接工藝和質(zhì)量的影響，根據(jù)AWS D3.6M—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。結(jié)果表明，60 m以淺水深下，局部干法焊接接頭的宏觀(guān)檢測(cè)、力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足B級(jí)接頭質(zhì)量要求，而且水深對(duì)于力學(xué)性能基本沒(méi)有影響，但接頭最高硬度會(huì)隨著水深增加而略有提高。金相顯微分析得知熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織為粒狀貝氏體和少量板條馬氏體，焊縫柱狀晶區(qū)組織為沿晶界析出的先共析鐵素體和大量的針狀鐵素體。

DH36；水下局部干法焊接；壓力艙試驗(yàn)

石油是當(dāng)今世界最主要的能源之一，我國(guó)陸地油氣資源經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)大規(guī)模的開(kāi)發(fā)，其儲(chǔ)量和產(chǎn)量都已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要。然而我國(guó)廣闊的海洋中蘊(yùn)含著十分豐富的油氣資源，因此，大力開(kāi)發(fā)海洋石油資源有著非常廣闊的前景。隨著海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的深入以及海洋石油管道等各種大型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役，大量的海洋工程建設(shè)和修復(fù)維護(hù)工作需要先進(jìn)的水下焊接技術(shù)作為支撐[1]。

目前，水下焊接主要有濕法焊接和干法焊接，而要想獲得質(zhì)量穩(wěn)定、性能良好的焊縫接頭，必須排除水的干擾，即在干式環(huán)境下進(jìn)行焊接；但大型干式艙焊接的焊接維修成本非常高，且適用性有限。水下局部干法焊接綜合了濕法水下焊接和干法水下焊接兩者的優(yōu)點(diǎn)，焊接局部區(qū)域排除了水的干擾，改善了焊接接頭質(zhì)量且不需要大型焊接艙，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作靈活，是一種較先進(jìn)的水下焊接方法，也是當(dāng)前水下焊接的重要研究方向[2]。

本試驗(yàn)采用自行研制的水下焊接壓力模擬試驗(yàn)艙系統(tǒng)，采用FCAW焊接方法得到不同模擬水深下的局部干法多層多道焊的焊接接頭，分析判斷接頭外觀(guān)、力學(xué)性能是否滿(mǎn)足美國(guó)焊接學(xué)會(huì)的AWS D3.6M—2010標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)接頭質(zhì)量要求[3]，為水下局部干法焊接和修復(fù)海洋構(gòu)件提供理論探索和依據(jù)。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料和設(shè)備

本試驗(yàn)所用母材為海洋工程船用結(jié)構(gòu)鋼DH36，板厚12.7 mm。DH36高強(qiáng)度船板鋼不僅對(duì)低溫沖擊韌性有較高的要求，而且具有良好的焊接性能。DH36鋼主要化學(xué)成分與力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2[4]。

表1　DH36鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

表2　DH36鋼的力學(xué)性能

試驗(yàn)選用京雷公司生產(chǎn)的GFL-71Ni藥芯焊絲，直徑為1.2 mm。該焊絲為490 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼氣保護(hù)藥芯焊絲，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3和表4。

表3　GFL-71Ni焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

表4　GFL-71Ni焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

試驗(yàn)所用的壓力艙及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖1所示，增壓來(lái)模擬水下環(huán)境的壓力。為模擬局部干法的水冷卻效果而設(shè)計(jì)的圍堰結(jié)構(gòu)如圖2所示，圍堰結(jié)構(gòu)放置在壓力艙內(nèi)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的水槽中。為適應(yīng)水下焊接試驗(yàn)的要求，該壓力艙內(nèi)部直徑為2.0 m，直筒段長(zhǎng)度為3.0 m，主體采用臥式放置，穩(wěn)定工作壓力為0.1～3.0 MPa。二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)X、Y方向上的運(yùn)動(dòng)，焊槍/焊條運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Y、Z方向上的運(yùn)動(dòng)。

圖1　壓力艙及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

圖2　圍堰結(jié)構(gòu)示意圖

1.2試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)中，通過(guò)往壓力艙內(nèi)分別通入0.1、0.2、0.4和0.6 MPa的壓縮空氣，來(lái)模擬10、20 、40 和60 m的水深環(huán)境，采用FCAW焊接方法進(jìn)行V型坡口平板對(duì)接試驗(yàn)，保護(hù)氣和排水氣體均采用二氧化碳，電源極性為DCEP，所用焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

表5　不同水深下的焊接參數(shù)

為了補(bǔ)償壓力對(duì)電弧的作用，電壓隨著水深而略有增加。多層多道焊的焊接次序及坡口細(xì)節(jié)如圖3所示。另外，在艙外0.5 m深水池環(huán)境中也進(jìn)行一組局部干法FCAW試驗(yàn)，從而得到5種不同水深環(huán)境下的焊接接頭。根據(jù)AWS D3.6M-2010標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)接頭的要求，需要進(jìn)行的工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀(guān)檢測(cè)、X射線(xiàn)檢驗(yàn)、剪截面拉伸、側(cè)彎、夏比沖擊、宏觀(guān)試驗(yàn)及硬度分布試驗(yàn)等。

圖3　坡口細(xì)節(jié)及多層多道焊接次序

2　結(jié)果討論與分析

2.1宏觀(guān)檢驗(yàn)與無(wú)損探傷

5種水深下得到的焊縫宏觀(guān)照片如圖4所示，從圖中可以看出，5種接頭焊縫都沒(méi)有咬邊和夾渣缺陷，成形較好。宏觀(guān)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫中沒(méi)有裂紋與夾渣等缺陷的存在，20 m水深接頭焊縫典型的宏觀(guān)腐蝕形貌如圖5所示。對(duì)5種水深環(huán)境下所得接頭焊縫進(jìn)行X射線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果表明，5種接頭焊縫中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔和夾渣等可記錄性缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4　焊縫宏觀(guān)照片

圖5　宏觀(guān)腐蝕形貌(20 m)

2.2接頭力學(xué)性能檢測(cè)[5-6]

表6為不同水深條件下得到的V型坡口多層多道焊焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

表6　力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

減截面拉伸試驗(yàn)在200 t YDL萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂位置均在母材上，所測(cè)試樣的抗拉強(qiáng)度都大于母材的最低抗拉強(qiáng)度，滿(mǎn)足了B級(jí)接頭的標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明焊縫強(qiáng)度是足夠的。

夏比沖擊試驗(yàn)測(cè)得不同水深下的接頭焊縫和熱影響區(qū)的吸收能量平均值都非常高，甚至達(dá)到了A級(jí)陸地焊縫的性能要求，具備良好的沖擊性能。

側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果表明，20 m水深的2個(gè)試樣焊縫根部和熱影響區(qū)分別出現(xiàn)了1 mm和3 mm的裂紋，但裂紋長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)在B級(jí)接頭質(zhì)量要求范圍之內(nèi)，因而5種水深下的接頭都是滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的。同時(shí)也可以看出，水深雖然不同，但是5種接頭的抗拉強(qiáng)度、吸收能量等力學(xué)性能指標(biāo)相差不大，因而60 m以淺水深范圍內(nèi)水深對(duì)于力學(xué)性能影響很小。

本文也采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察了幾組典型試樣的斷口，20 m水深接頭焊縫試樣的斷口微觀(guān)形貌如圖6所示。從圖中可以看出，斷口中有較大面積的韌窩狀形貌，雖然韌窩尺寸很小而且很淺，但總體表現(xiàn)為韌性斷裂；同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)有少量的解理河流花樣，受解理斷口的影響，接頭的韌性會(huì)略微下降。

圖6　20 m水深接頭斷口微觀(guān)形貌

圖7　不同水深下焊接接頭的硬度分布

不同水深下焊接接頭蓋面焊道附近的硬度分布如圖7所示。從圖中可以看出，對(duì)于同一種水深環(huán)境，焊縫金屬比母材硬度略高，這說(shuō)明局部干法焊接過(guò)程中水的作用雖然使得強(qiáng)度提高，但組織淬火硬化的危險(xiǎn)卻大大降低。熱影響區(qū)硬度明顯高于母材，硬度最高的位置在熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近的粗晶區(qū)，而且都不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)所要求的375 HV；同時(shí)，也可以看出2條熔合線(xiàn)附近的硬度值也有很大差異，這與焊接過(guò)程中的焊道排布有關(guān)。經(jīng)過(guò)后續(xù)焊道的回火處理，粗大的柱狀晶分解得到較均勻的等軸晶粒，因而硬度降低。而對(duì)于不同的水深環(huán)境，硬度變化規(guī)律則基本一致，但最高硬度隨著水深增加略有提高。

打底焊道因?yàn)槭艿胶罄m(xù)焊道的回火作用，焊縫、熱影響區(qū)附近的硬度都顯然低于蓋面焊道處的硬度值，因而不會(huì)對(duì)接頭性能產(chǎn)生很大影響。

2.3金相組織分析

經(jīng)顯微金相分析發(fā)現(xiàn)，5種焊接接頭的金相組織沒(méi)有太大差別，說(shuō)明60 m以淺水深對(duì)接頭組織形態(tài)沒(méi)有太大影響。40 m水深焊接接頭蓋面焊道熱影響區(qū)和焊縫的典型金相組織[7]分別如圖8和圖9所示。

圖8　HAZ粗晶區(qū)組織

圖9　焊縫柱狀晶組織

從圖8可以看出，蓋面焊道熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒粗大，組織主要是粒狀貝氏體和邊界上分布的少量板條馬氏體。焊接熱循環(huán)過(guò)程中，熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大；雖然水下局部干法焊接接頭區(qū)域?yàn)闊o(wú)水干式環(huán)境，但是周?chē)鷧^(qū)域仍然與水接觸，使得熱量大量散失，冷卻速度比陸地焊接要快，因而冷卻以后形成保留了原奧氏體晶界的粗大組織。由于冷卻速度并未達(dá)到臨界淬火速度，因而晶內(nèi)組織大多轉(zhuǎn)化成粒狀貝氏體，只有邊界分布有少量板條馬氏體。由于馬氏體組織的存在以及熔合線(xiàn)附近的晶粒最為粗大，其硬度約為325 HV。

由圖9可以看出，焊縫的柱狀晶組織主要為沿原奧氏體晶界析出的先共析鐵素體和大量針狀鐵素體。焊縫金屬冷卻到較高溫度，由奧氏體晶界析出細(xì)條狀先共析鐵素體，隨著溫度的降低，在晶內(nèi)形成針狀鐵素體。而針狀鐵素體是中溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，它對(duì)裂紋擴(kuò)展有著很強(qiáng)的抵抗能力，因而接頭具有良好的斷裂韌性。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出如下結(jié)論。

1)60 m以淺水深水下局部干法焊接所得接頭的宏觀(guān)檢測(cè)、力學(xué)性能指標(biāo)都滿(mǎn)足AWS D3.6M—2010 B級(jí)接頭要求。

2)60 m以淺水深下，不同水深的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、吸收能量等力學(xué)性能都相差不大，說(shuō)明水深對(duì)于力學(xué)性能沒(méi)有太大影響；接頭最高硬度會(huì)隨著水深增加而略有提高。

3)60 m以淺水深下，水深對(duì)于接頭組織形態(tài)基本沒(méi)有影響，蓋面焊道熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒粗大，典型組織主要為粒狀貝氏體和少量板條馬氏體，焊縫的柱狀晶組織主要為沿原奧氏體晶界析出的先共析鐵素體和大量的針狀鐵素體。

[1] 焦向東,朱加雷. 海洋工程水下焊接自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 金屬加工(熱加工),2013(2):24-26.

[2] 陳英,許威,馬洪偉,等. 水下焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 焊管,2014(5):29-34.

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[7] 張文鉞. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

責(zé)任編輯馬彤

Study on the Technology of DH36 Underwater Local Dry Multi-pass Welding

PAN Dongmin1, ZHANG Liangfeng1, LI Lianbo1, REN Shenghan1, LU Xinyu1, HE Peilong2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China; 2. School of Material Science and Technology,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Self-designed underwater welding pressure chamber testing system is utilized to simulate the effect of environment pressure in various depth of water on the DH36 steel used in the oceanographic engineering by means of underwater local dry multi-pass welding procedure. The procedure qualification is conducted according to the standard of AWS D3.6 M—2010. Experimental results show that the macroscopic examination and mechanical performance indexes of local dry welding joint satisfy with performance requirements of grade B. And the depth of water has no effects on mechanical performances while the maximum hardness would increase slightly along with the deeper depth. Metallographic analysis reveals that the coarse-grained heat-affected zone is filled with granular bainites and few lath bainites while the crystallizing morphologies on the weld seam are proeutectoid ferrites along with grain boundaries and large amount of acicular ferrites.

DH36， underwater local dry welding， pressure chamber test

TG 47;TG 442

A

潘東民(1963-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事海洋石油工程結(jié)構(gòu)等方面的研究。

2015-12-18