分类:电子论文 时间:2022-03-28 热度:728
摘要: 焊接技术是海洋平台建造的关键工艺。随着深海油气资源的勘探开发,海洋平台用钢向着高强度、大厚度、良好的低温韧性等方向发展,国内海洋平台焊接技术存在自动化水平低、焊接效率低、焊接质量波动大等问题,严重制约着国内海洋工程装备制造的发展。大厚度高强钢的高效焊接技术、高强钢焊接热影响区的脆化和软化、焊接结构的应力与变形控制是现阶段海洋平台焊接亟待解决的问题。窄间隙焊接、激光电弧复合焊、K-TIG、热丝 TIG 是新型的高效高质量焊接工艺,适用于海洋平台用钢的焊接,可进一步深入研究并在海洋平台建造领域推广应用。
关键词: 海洋平台用钢; 高强钢; 大厚度; 高效焊接技术
0 前言
随着全球经济的发展,人类对能源的需求越来越高。预期到 2040 年,全球能源需求将增长 26% ,达到 177 亿吨油当量。石油仍将是第一大能源,在一次能源中占比 32%[1]。全球陆地及近海经过长期的开采,重大油气资源探明量逐年减少,深海将成为未来油气资源的主要产区。
进入 21 世纪,中国提出“建设海洋强国”的战略目标,大力推进海洋油气资源开发关键技术的研究。海洋平台是勘探开发海洋油气资源的主要工程装备。焊接技术是海洋平台建造的关键工艺,在平台建造中占有重要地位,焊接工时约占平台建造总工时的 30% ~ 40% ,焊接成本约占平台建造总成本的 30% ~ 50% 。随着海洋油气资源勘探开发从浅海向深海区域的扩展,海洋平台用钢向着高强度、大厚度、良好的低温韧性和焊接性等方向发展,海洋平台用钢的焊接也面临新的挑战。然而,国内海洋工程装备制造业现有焊接工艺仍以传统的焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊为主,存在机械化程度低、焊接效率低、焊接质量波动大等问题,难以满足海洋平台用钢的焊接需求,制约着国内海洋工程装备制造业的发展。如何实现海洋平台用钢的高效高质量焊接成为近年来研究的热点问题。
文中介绍了海洋平台的发展、海洋平台用钢及其发展趋势、海洋平台焊接技术现状及其存在的问题,论述了现代高效焊接技术在海洋平台建造中应用的可行性。
1 海洋平台的发展
从 1897 年美国加州 Summer Land 建起世界上第一个木质海洋平台开始,海洋平台不断升级进化,发展至今已形成十多种适用于不同作业水深、不同工况的平台[2]。根据运动方式,海洋平台可分为固定式、半固定式和移动式平台。
1. 1 固定式平台
固定式平台主要包括钢结构固定平台、水重力平台、导管架平台等。钢结构固定平台根据作业水深又可分为极浅水钢混结构固定平台、浅水钢结构固定平台和深水钢结构固定平台[3]。极浅水钢混结构固定平台作业水深一般小于 15 m,采用钢结构加混凝土结构或钢沉箱加砂土的结构,通过打桩方式在海底固定。浅水钢结构固定平台作业水深通常在 50 m 以下,采用单立柱结构支撑上部甲板平台,底部采取三支腿或四支腿的形式固定。深水钢结构固定平台最大作业水深可达 450 m,采用打桩或拉索锚定形式固定,在导管架平台出现之前是应用最多的近海平台。水重力平台一般采用钢筋混凝土结构或钢筋混凝土与钢结构的复合体结构,靠自身重力( 必要时灌水) 在海底固定,无需打桩 ,作业水深可达300 m以上。导管架平台是目前应用最多的近海固定式平台,最大作业水深可达 411 m[4]。导管架平台由上部结构、导管架和桩组成,导管架在陆地预制好后,拖运至海上安装,顺着导管打桩,桩与导管之间灌入混凝土,使桩与导管连成一体固定于海底。
1. 2 半固定式平台
半固定式平台介于固定式和移动式平台之间,作业水深一般在 300 ~ 2 000 m 之间,主要包括张力腿平台( Tension Leg Platform,TLP) 和 立 柱 式 平 台 ( Spar Platform) 。张力腿平台一般由上部甲板、下沉箱、张力钢索、锚系、底基组成,平台及下沉箱受海水浮力,通过张力钢索与海底基座固定[5]。立柱式平台上部由一座单柱直径几十米的圆筒形柱体结构支撑,柱体下方通过垂直或斜向拉伸张力钢索,通过底部重力锚或吸力锚固定[6]。按照主体结构的不同,立柱式平台先后经历了传统立柱式( Classic Spar) ,桁架式立柱式( Truss Spar) 和多柱式立柱式( Cell Spar) 三个阶段。
1. 3 移动式平台
移动式平台分为接地式和浮式两种。接地式平台包括坐底式平台和自升式平台。坐底式平台主要用于水深 15 m 以下的近海,平台到达钻采区后在沉箱中灌水使平台沉入海底坐牢,钻采结束后将沉箱中水排出,平台上浮,再拖航至新的钻采区。自升式平台由上部甲板和能够升降的桩腿组成,按照有无动力系统,可分为拖航式和自航式。随着海上自航运输船的出现,自航式已趋于淘汰。自升式平台不受海底土壤环境限制,建造方便,移动性好,可重复利用,是目前应用最多的移动式平台,适用于 120 m 以下的水深作业[7]。浮式平台主要包括半潜式平台和钻井船平台。半潜式平台由上部甲板、立柱、支撑、浮体等组成,大部分浮体没于水面之下以稳定船体。半潜式平台抗风浪能力强,装载量大,适用于工况环境复杂的深水、超深水海域,最大作业水深可达 3 000 m 以上[8]。钻井船是浮船式钻井平台的一种,船体机动性好,甲板空间大,储油能力大,可变载荷高,适用于深水钻井。
人类对海洋油气资源的勘探开发已逾百年,从几十米深的近海发展至几千米深的深海,海洋平台的种类和功能也不断演变。发展至今,从经济性和平台性能角度出发,近海平台导管架平台和自升式平台应用较多,深海平台以半潜式平台为主。
2 海洋平台用钢及其焊接
2. 1 海洋平台用钢标准及常见钢种性能
国际 上 海 洋 平 台 用 钢 广 泛 应 用 的 标 准 有 EN 10225,BS 7191,挪威石油标准化组织 Norsok 标准,美国海洋结构用钢 API,ASTM 标准,各船级社标准。国内海洋平台用钢标准包括 GB 712—2011《船舶及海洋工程用结构钢》、YB /T 4283—2012《海洋平台结构用钢板》[9 - 10]。
根据强度级别( 屈服强度) ,现有海洋平台用钢可分为 355 MPa,420 MPa,460 MPa,500 MPa,550 MPa, 620 MPa 和 690 MPa 等级别,低温性能要求级别为 0 ℃,- 20 ℃,- 40 ℃,- 60 ℃和 - 80 ℃等,抗层状撕裂性能 要 求 Z25,Z35 ( Z 向断面收缩率不低于 25% , 35% ) ,且具有良好的耐海水腐蚀能力,主要供货状态为轧制( M) 、正火( N) 、热机械轧制( Thermo-Mechanical Control Process,TMCP) 、调质( Quenched and Tempered, QT) 。
EN 10225 标准规定了近海岸焊接结构钢的性能要求,主要分为 S355,S420,S460 三个强度级别,355 MPa 级别供货状态为正火( N) 、轧制( M) ,如 S355G2 + N, S355G7 + M 等,420 MPa 和 460 MPa 级别钢供货状态为轧制( M) 和调质( QT) ,如 S420G2 + M,S420G2 + QT,S460G2 + M,S460G2 + QT 等[11]。
API 中海洋平台用钢相关标准主要有: API SPEC 2H—2006《近海结构用碳锰钢板规范》,API SPEC 2W—2006《海洋结构用热机械控轧( TMCP) 钢 板》, API SPEC 2Y—2006《海洋结构调质钢板》等。其 中 Spec 2H 分为 42,50 两个强度级别,Spec 2W,2Y 分为 50,60 两个强度级别[12 - 14]。ASTM 标准 中 ASTM A514 /514M—05《焊接结构用高屈服强度淬火回火合金钢》和 ASTM A517 /517M—06《压力容器用高强度淬火回火合金钢板》也常被用作海洋平台用钢,A514, A517 共分为 A,B,E,F,H,P,Q,S 八个等级,其中 A514 /A517 Gr. Q 常用于自升式平台的齿条钢,最大厚度为 150 mm[15 - 16]。然而由于自升式平台齿条钢的最大厚度可达 259 mm,常用厚度为 178 mm,超过了 150 mm,阿赛洛集团 Indu steel 对 A517 标准进行了修订,制定了 A517Q - MOD 标准,最大厚度达到了 210 mm,并提高了对冲击韧性的要求。表 1 是 EN 10225,API,ASTM 标准中海洋平台用钢的性能要求。
中国船级社 CCS 规范中海洋平台用钢包括一般强度船体用结构钢、高强度船体用结构钢和焊接结构用高强度淬火回火钢等[17]。一般强度船体用结构钢屈服强度为235 MPa,分为 A,B,D,E 等4 个等级,对应的冲击韧性评定温度为 20 ℃,0 ℃,-20 ℃,- 40 ℃,供货状态为轧制、正火。高强度船体用结构钢分为 32,36, 40 等 3 个强度等级,最低屈服强度对应为 315 MPa, 355 MPa,390 MPa,每个强度等级又对应 A,D,E,F 等 4 个等级,对应的冲击韧性评定温度为 0 ℃,- 20 ℃,- 40 ℃,- 60 ℃,供货状态有正火、TMCP。焊接结构用高强度淬火回火钢分为 420,460,500,550,620, 690 等 6 个强度级别,每个强度级别对应 A,D,E,F 等 4 个等级,对应的冲击韧性评定温度为 0 ℃, - 20 ℃,- 40 ℃,- 60 ℃。表 2 是 CCS 规范中海洋平台用钢的性能要求。
2. 2 海洋平台用钢的发展趋势
随着海洋油气资源开采由近海到深海的发展,固定式平台需求逐步减少,自升式平台、半潜式平台使用量不断增 多,自升式平台作业水深由 200 ft ( 1ft = 304. 8 mm) 不断升级至 500 ft,半潜式平台现已发展至第七代[18]。海洋平台服役环境日趋恶劣,长期处于风浪、洋流、低温、海水等特殊环境,又受到近年来平台 “减重降成本”等设计理念的推动,海洋平台用钢向着超高强度、超大厚度、良好的低温韧性和优良的焊接性等方向发展。
高强度一直是海洋用钢发展的方向,较高的强度不仅能增加平台承载能力,还可以降低平台重量,节约建造成本。高强轻量化是海洋平台用钢的主要发展趋势,是实现海洋平台经济性与安全性统一的有利手段。海洋平台用钢屈服强度由 420 MPa 提高到 500 MPa,海洋工程结构可减重约 20% ,保守估算国内每年可节省海洋平台用钢约 14 万吨( 2014 年国内海洋平台总用钢量在 300 万吨以上) ,节约资金 8. 4 亿元[19]。目前国内投入生产的海洋平台用钢最高强度级别为 690 MPa,已在“海洋石油 981”半潜式平台、“蓝鲸一号”半潜式平台、“海洋石油 921”自升式平台的部分结构中使用。德国迪林根、瑞典 SSA 版等公司已开发出屈服强度超过 690 MPa 的海洋平台用钢,如 0X812,SE702 等[20]。国内在超高强度海洋平台用钢的研发制造方面与欧美国家还有一定差距。
随着海洋油气开发不断向深水发展,海洋平台用钢的厚度不断增加,60 mm 以上的特厚板应用越来越普遍,最高厚度可达 249 mm。特厚板生产技术难度大,易出现力学性能不均匀、焊接热影响区脆化、焊缝开裂、层状撕裂、疲劳性能差等问题。目前国内已可自主生产厚度 150 mm 以下的特厚钢板,超过 150 mm 厚度,国内产品质量与国外还有一定差距。与调质和正火工艺相比,TMCP 钢碳当量低、焊接性好,德国迪林根 TMCP 钢板最大厚度可达 120 mm。TMCP 特厚钢板是海洋平台用钢的发展趋势之一。
北极地区蕴藏丰富的油气资源,美国、挪威、俄罗斯等国已开始勘探开发北极油气资源。然而由于北极地区常年低温,对海洋平台用钢的低温韧性提出了更高的要求,需要采用 F 级别或更高级别钢种。国内 F 级平台钢工程应用较少,钢材多采用进口。由于碳当量低,并采用氧化物冶金技术利用高温稳定的氮氧化物的晶界钉扎效应限制晶粒长大,现代 TMCP 钢具有良好的低温韧性[21]。
海洋平台是大型的焊接装备,焊接工时约占建造总工时的 30% ~ 40% 。发展具有良好焊接性的海洋平台用钢,不仅可以减少甚至免除焊前预热、焊后热处理工艺,同时可有效避免焊接缺陷的产生,可以极大降低建造成本。TMCP 工艺通过控轧、控冷技术实现微观组织和晶粒大小的精确控制,可在较低碳当量、较低合金元素添加下得到高强度、高韧性焊接性优良的海洋平台用钢。另一方面,大热输入焊接用钢可承受较高的焊接热输入,实现海洋平台大厚钢板的快速高效焊接,是海洋平台用钢近年来研究的热点。大热输入焊接用钢需要解决焊接热影响区的韧性下降问题,一般采用降低钢的碳当量、控制 HAZ 晶粒尺寸、改善 HAZ 组织等方法实现[22 - 25]。日本钢铁公司在生产大热输入焊接用钢方面成果显著。日本 JFE 和新日铁钢铁公司采用 TMCP 工艺并结合 Super-OLAC( On-Line Accelerated Cooling) 超快在线冷却技术,同时采用氧化物冶金技术,利用 Ti-O、Mg-O、Ti-B 等微粒子限制焊接过程中奥氏体晶粒的长大,促进晶内针状铁素体的形核,从而细化 HAZ 晶粒尺寸,改善 HAZ 组织类型,提高其韧性。目前日本已实现 350 kJ/cm 的大热输入焊接用钢的工程化应用[21]。
2. 3 海洋平台焊接技术现状及存在的问题
近年来,国内先后自主研发设计制造了“海洋石油 981”钻井平台、“蓝鲸一号”钻井平台,标志着国内海洋平台总体建造能力已跻身世界前列。随着海洋平台服役环境的日趋恶劣,超高强度、特大厚度、耐低温韧性的钢板在海洋平台建造中应用比例越来越高,也为海洋平台焊接技术提出了新的挑战。
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海洋平台体积庞大、结构复杂,每个平台的结构都有所不同,建造方案各异,结构重复率低,难以实现结构的流水化作业,一定程度上限制了海洋平台焊接工艺的自动化、机械化的实施。以半潜式平台建造为例,半潜式平台的建造一般经过分段建造、分段总组、浮体合拢、浮体出坞、浮体进坞二次合拢、舾装及设备调试、平台出坞、码头舾装、DP 安装调试、试 航、交 付 等 环节[26]。在分段建造、分段总组、一次合拢、二次合拢等阶段使用到焊接工艺。某型号半潜式平台共分 122 段,浮体 36 分段、立柱 16 分段、横撑 4 分段、上部甲板及船体共 66 分段。分段建造在车间内完成,利于焊接工艺的自动化,国内船厂目前埋弧自动焊使用较多,但由于焊接位置受限,使用范围受到限制。药芯焊丝气体保护焊( Flux Cored Arc Welding,FCAW) 已实现半自动化,而使用最多的熔化极气保焊,自动化程度较低,远低于汽车、轨道交通等行业,有待进一步提高。分段总组、一次合拢、二次合拢等阶段主要在户外进行,由于场地限制,现有焊接工艺主要以焊条电弧焊( Shielded Metal Arc Welding,SMAW) 、药芯焊丝气体保焊等焊接工艺为主。国内海洋平台焊接技术主要存在以下问题:
( 1) 以传统焊接工艺方法为主,自动化水平低,焊接效率低。表 3 为经实际调研后总结的国内某船厂半潜式平台、自升式平台主要钢种的焊接工艺。国内海洋平台建造中 355M Pa,420 MPa 等低钢种级别钢种使 用较多,这些钢种厚度一般在十几毫米到几十毫米不等。这些结构主要位于平台上船体、甲板等处,分段建造 中 在 车 间 焊 接,目前焊接方法以焊条电 弧 焊 ( SMAW) 、熔化极活性气体保护焊( Metal Active Gas Welding,MAG ) 、埋 弧 焊 ( Submerged Arc Welding, SAW) 、药芯焊丝气体保护焊( FCAW) 为主。在平台一些特殊部位采用了 25. 5 ~ 60 mm 厚的 EQ56,EQ70 等超高强度钢,如半潜式平台的横撑节点处、立柱、立柱与上下船体连接处、推进器基座等。EQ56,EQ70 的焊接主要以焊条电弧焊、药芯焊丝气体保护焊为主。在自升式平台的桩腿齿条板、弦板等处使用了 690 MP 级别的 A514,A517,S690QL1 等超高强度钢,厚度最大可达 249 mm。桩腿的焊接主要以焊条电弧焊为主,图 1 所示为某船厂桩腿焊接图。以 127 mm 厚的齿条钢 S690QL1 焊接为例,采用焊条电弧焊,开 X 形坡口,钢板两侧各需80 余道焊缝,共160 多道焊缝,每道焊缝之后不仅需要清根,还需控制层间温度,整体焊接效率低下。在平台内部某些管道回路采用了 SUS304TP 不锈钢,焊接方法为钨极氩弧焊打底,焊条电弧焊填充盖面。
( 2) 存在焊接变形大、焊接裂纹等质量问题。图 2 是国内某服役中平台的焊接接头的层状撕裂、冷裂纹。由于传统焊接方法如焊条电弧焊、埋弧焊等焊接热输入大,焊后残余应力大,焊接热影响区晶粒粗大,往往造成脆硬组织的产生,海洋平台服役过程中由于受到风浪等循环载荷作用,焊接接头容易出现层状撕裂、冷裂纹等现象。对于服役中的平台出现开裂现象,往往需要返回船厂进坞修复,造成巨大的经济损失。海洋平台 上 船 体 和 甲 板 部 位 存 在 大 量 由 板 材 拼 接而成的大幅板结构,厚度为 6 ~ 20 mm,一般采用A36,D36 钢板。这些中厚板的拼接大多采用 SMAW,FCAW 焊接工艺,由于焊接热输入控制不当,板材拼接后焊接变形严重。目前多采用焊前施加预应力、预变形等经验性的方法来控制焊接变形,没有从根本上解决焊缝焊后残余应力大的问题,在平台服役过程中易出现焊缝开裂现象。另一方面,在海洋平台合拢过程中,大厚度焊接结构复杂,刚性大,焊后残余应力高,焊接变形控制困难,易出现焊接结构变形、开裂等问题。以半潜式平台合拢为例,平台 4 个立柱需同时焊接,每个立柱先焊接内部十字交叉舱壁,需 8 名焊工同时焊接,然后由 16 名焊工同时按照一定顺序焊接立柱外围焊缝,外围焊缝焊接完后再由 8 名焊工焊接内部肋板焊缝,之后依次焊接其他型材和肘板,整个平台合拢焊接时最多需要 64 名焊工同时焊接。平台合拢对精度要求较高,需要严格控制焊后结构的变形,目前多采用调整焊接顺序的方法控制焊接结构变形。
3 高效焊接技术
随着工业的发展,特种材料、新型材料、大型结构、厚板结构的应用不断增加,传统焊接技术愈来愈难以满足现代焊接高效率高质量的需求。新型的高效焊接技术开始不断涌现,如窄间隙焊接、T. I. M. E. 焊接、激光电弧复合焊、K-TIG( Keyhole) 、热丝 TIG、双丝焊、带极 GMAW 等[27]。
窄间隙焊接( Narrow Gap Welding,NGW) 是 1963 年由美国 Battelle 焊接研究所提出。20 世纪 80 年代,日本压力容器研究委员会定义了窄间隙焊接: 窄间隙焊接是将板厚 30mm 以上的板材,按小于板厚的间隙相对位置开坡口,再进行机械化或自动化焊接的方法。窄间隙焊接可利用现有的弧焊方法,形成 NG-TIG,NGGMAW,NG-SAW 等,采用 I 形坡口或 0. 5° ~ 7° 的 U 形、V 形坡口,多用于厚板结构的多层焊接,可实现全位置自动化焊接。窄间隙焊坡口断面小,可减少焊材填充和焊接时间,提高焊接效率; 同时窄间隙焊热输入小,热影响区小,焊后变形小,焊接接头综合力学性能优良[28 - 29]。NG-TIG 焊接技术已在国内核电行业投入使用,目前国内核电窄间隙 TIG 焊接设备和材料 80% 以上为进口,国外生产厂家主要有 Poly-sude,ESAB, Liburdi,Babcock-Htachi 等,国内窄间隙焊技术还处于研发阶段[30]。
T. I. M. E. 焊是 Transferred Ionized Molten Energy 的缩写,是由 Canada Weld Process 公司于 1980 年研究成功的一种高性能 MAG 焊接方法。T. I. M. E. 焊采用大电流、大伸出长度和特殊的四元保护气体,通过增大送丝速度来得到高焊丝熔敷率,实现稳定可控的旋转射流过渡,在焊缝质量明显改善的同时,熔敷效率可提高 2 ~ 3 倍[31]。
20 世纪 70 年代末,英国学者首先提出了激光电弧复合焊的概念,并率先利用 TIG 和 CO2气体激光器实现了激光电弧复合焊[32]。通过结合物理性质、能量传输机制截然不同的激光与电弧两种热源,激光电弧复合焊能够充分融合激光焊和电弧焊的优势,具有熔深大、效率高、接头桥接性好、热影响区窄、焊接变形小、焊接成本低等优点[33]。激光电弧复合焊在海洋平台的中厚板结构焊接、高强度海工钢焊接方面具有良好的应用前景。对于中厚板的焊接,激光电弧复合焊可减少焊丝填充,提高焊接效率,降低焊接残余应力,减小焊接变形,可用于平台上船体、甲板结构大幅板的焊接。目前激光电弧复合焊可一次性焊透 20 mm 以下的钢板,随着高功率光纤激光器的发展,激光电弧复合焊有望一次性焊透 30 mm 以上的钢板。对于 20 mm 以上的钢板,可采用激光电弧复合多层多道焊或激光电弧复合焊与其 他 焊 接 方 法 复 合 的 方式焊接。图 3 为 管 线钢环焊缝分别采用熔化极气体保护焊点焊 + 传统埋弧焊填充与激光电弧复合焊打底 + 埋弧焊填充焊接工艺焊接道次的对比图。采用熔化极气体保护焊点焊 + 埋弧焊填充焊接工艺方 法,X 坡口钝边最大为 8 mm,共需焊接 8 道埋弧焊缝。采用激光电弧复合焊打底 + 埋弧填充焊接工艺方法,钝边采用 12 mm,减少了焊丝填充量,后续只需 4 道埋弧焊焊缝,焊接效率大大提高[34]。欧美等国已将激光电弧复合焊接技术用于船体结构钢的焊接[35]。2002 年德国 Meyer - Werft 船厂建立了第一条激光电弧复合焊接自动化生产线,可一次性焊接 20 m 长的焊缝,对于 5 mm 厚钢板对接焊焊接速度可提高 3 倍以上,如图 4 所示[36]。芬兰、意大利、美国等国家也先后实现了激光电弧复合焊的工程化应用,建立了激光电弧复合焊接生产线,可焊接 15 ~ 30 mm 厚高强钢,大大提高了焊接效率,降低了焊接结构变形[37]。便携式光纤激光设备的出现,解决了激光电弧复合焊接设备占地面积大、不易携带的问题,德国、西班牙等国先后研发了便携式激光电弧复合焊接设备,已用于海洋平台钢的焊接。国内激光电弧复合焊接实际应用较少,近年来,中集来福士集团为了提高海洋平台建造质量和效率,积极促进高效优质焊接技术在海洋平台建造领域的应用,拟在山东龙口船厂引进激光电弧复合焊接技术,用于海洋平台钢的焊接。——论文作者:鲍亮亮1 ,王勇1 ,韩涛1 ,靳海成2 ,白健3
文章名称:海洋平台焊接技术及发展趋势