海洋平台桩腿用E690高强度淬火回火钢焊接工艺研究

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摘要： 针对用于海洋平台桩腿的CCS E690级别焊接结构用高强度淬火回火钢进行焊接工艺研究，对该材料的化学成分和力学性能进行研究和分析，参考生产厂家推荐的焊接工艺参数，分别采用焊条电弧焊和埋弧焊两种焊接方法制定合理的焊接工艺认可方案，根据焊接工艺认可方案实施，试验结果证明该方案合理可行。

关键词： E690； 焊条电弧焊； 埋弧焊； 焊接工艺认可试验

中图分类号： TG 44

Research on welding process of E690 high strength steel used for offshore platform rig legs

Shao Dandan1， Fang Naiwen2

（1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited， Guangzhou 511462， China； 2. Harbin Welding Institute， Harbin 150028， China）

Abstract： The high yield strength， quenched and tempered alloy steel CCS E690 was commonly used in offshore platform rig legs. In this article， the material"s chemical composition was analyzed， and two welding technics for this kind of material were evaluated. Mechanical properties testing proves the technics feasible.

Key words： E690； shielded metal arc welding； submerged arc welding； welding procedure qualification

0 前言

随着海上风电发展的空间进一步打开，风电安装平台正朝着深水化、大型化、专业化的方向发展。自升式风电安装平台可以在相对恶劣的海况下工作，并拥有安装速度较快，保证工期等优势，这使得其市场需求持续走高[1-2]。

桩腿是平台重要的支撑部件，在进行作业时不仅要承受船体的重量，还要抵抗海风、海浪以及低温等环境应力的冲击[3-5]。在这样复杂的服役条件下，要保证结构的安全性能，对焊接结构的强韧性提出更高的要求，所以不能按普通结构标准进行焊接。

文中以产品的技术要求为依据，对CCS E690（下称E690）级别高强度淬火回火钢进行试验研究，通过试验结果制定合理的焊接工艺，为产品的生产提供支持。

1 试验材料的化学成分及力学性能

文中采用E690焊接结构用高强度淬火回火钢，板厚50 mm，交货状态为淬火+回火（调质）。E690 高强度淬火回火钢的化学成分和力学性能见表1和表2。

屈服强度ReH/（N·mm-2）抗拉强度Rm/（N·mm-2）断后伸长率A5（%）纵向冲击吸收能量KV2（-40℃）/J80883319.5207

2 焊接性分析

根據国际焊接学会推荐的碳当量Ceq公式[6]计算材料的碳当量。

Ceq=C+Mn+Si6+Cr+Mo+V5+Ni+Cu15（1）

将表1中的数据代入式（1）中，E690的碳当量0.598 9%。依据经验当碳当量为0.4 %～0.6 %时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热温度、焊后保温等严格的工艺措施。根据美国焊接学会AWS D1.1/D1.1M的规范要求，应采用氢含量控制法来确定预热。

文中按照AWS D1.1/D1.1M描述的冷裂纹敏感系数（Pcm）公式进行计算，结果如下所述：

Pcm=C+Si30+Mn20+Cu20+Cr20+Ni60+Mo15+V10+5B=0.278% （2）

从Pcm数据为0.278%可以看出，其数值高于0.2%这个经验值，这个数值越高出现冷裂纹倾向就越大，焊接时热影响区更容易形成硬而脆的马氏体组织，导致塑性和韧性下降，耐应力腐蚀性能恶化。因此，焊接时要严格控制焊接热输入，采用较小的热输入。如果焊接热输入过高，会导致热影响区过热与脆化，使热影响区性能降低。同时，氢致裂纹是低合金结构钢焊接接头最危险的缺陷，为防止产生裂纹，焊接过程中应严格保持低氢条件，所以焊接材料应严格脱氢[7-9]。

3 焊接工艺制定

3.1 焊接材料

采用焊条电弧焊和埋弧焊进行试验。焊条电弧焊选用牌号TENACITO 80焊条，规格为 4.0mm；埋弧焊选用牌号OK Tubrod 15.27S焊丝和OK FLUX 10.62焊剂组合，焊丝直接 4.0 mm。两种焊接材料的力学性能都满足E690级别母材的技术要求，而且熔敷金属扩散氢含量小于0.05 mL/g。焊接材料力学性能如表3所示。

3.2 坡口形式

焊条电弧焊采用单面焊双面成形工艺，为保证焊缝根部焊透，所以根部间隙设置为5～6 mm。其具体尺寸及形式如图1所示。 埋弧焊采用背面碳刨清根。其具体尺寸及形式如图2所示。

3.3 焊前预热及焊后热处理

焊接母材是经过调质处理的淬火回火钢，其组织主要是回火索氏体，还有少量的回火贝氏体和铁素体。由于合金元素的强化作用，焊缝和热影响区淬硬性得到提高，每一道焊后组织主要为马氏体；次层焊缝可对上一层焊缝形成的马氏体组织自动回火，即有“自动回火”特性，组织转变为贝氏体、铁素体和马氏体的混合组织，性能得到改善，降低冷裂纹产生的可能性[10]。但是如果热输入集中或冷却速度较低，高温停留时间长，在焊接热影响区易发生软化或脆化现象，反之若冷却速度较快，热影响区则易产生淬硬组织，导致冷裂和韧性下降。因此确定合理的预热温度，控制热输入，控制

冷却速度是保证焊接质量的关键。

依据AWS D1.1/D1.1M钢结构焊接规范要求，最终确定焊前预热，层间温度和焊后热处理参数为：预热110～150 ℃，层间温度在110～200 ℃，焊后250 ℃保温1.5 h，然后用保温棉裹住缓冷。

3.4 焊接工艺参数

焊条电弧焊（SMAW）工艺参數如表4所示，埋弧焊（SAW）工艺参数如表5所示。

焊接工作结束后72 h进行100%的无损检测，检测结果合格后进行试样的制备，开展力学性能的测试。

4 试验结果及分析

4.1 拉伸试验

焊接接头的拉伸试验按照CCS船级社《材料与焊接规范》（2015）规范要求进行，拉伸试验结果见表6。

由表6可知，两种接头的抗拉强度均大于690 N/mm2，符合CCS规范要求。采用焊条电弧焊的焊接接头比采用埋弧焊的抗拉强度更高，但略低于母材的抗拉强度。从表3中可知，焊条本身的熔敷金属抗拉强度比母材的抗拉强度高，最终断裂发生在热影响区，而埋弧焊熔敷金属的抗拉强度是812 N/mm2，略低于母材的抗拉强度，导致断裂发生在焊缝区域也合理。

4.2 弯曲试验

焊接接头的弯曲试验按照CCS《材料与焊接规范》（2015）要求进行，弯曲试验结果见表7。

由表7可知，两种接头弯曲180°后均未出现裂纹，试验结果均满足CCS《材料与焊接规范》（2015）要求。

4.3 冲击试验

冲击试验按照CCS规范要求，共取6组冲击试样，

每组3个试样，焊接接头在-40 ℃的横向冲击性能的试验结果如表8和图3所示。

由表8数据比对CCS规范要求，两种焊接接头的冲击性能都满足CCS《材料与焊接规范》（2015）要求。

5 结论

针对E690级别淬火回火钢做了各项机械性能试验结果表明，对于CCS E690材料，选用合适的低氢焊材，采取合适的焊接工艺参数，合理的预热和层间温度、以及适当的消氢处理工艺，两种焊接方法都能有效的保证焊接质量，获得满意的焊缝质量，满足规范要求。推荐的主要焊接工艺参数为：焊前预热110～150 ℃，层间温度在110～200 ℃，焊后250 ℃保温1.5 h，然后用保温棉缓冷。

参考文献

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