海洋平臺層狀開裂的控制

0導管架和下樓狀平臺結構眾所周知，海平臺的制造過程主要是焊接的。底部是由管道制成的焊接支撐結構，通常稱為管道框架，頂部是由建筑物截面的結構，通常稱為組塊。在眾多的海洋平臺建造過程中,都不可避免地出現同一種問題———焊接接頭的層狀撕裂,就筆者本人參與的項目中,幾乎每一個海洋平臺的制造過程中都會出現焊接接頭層狀撕裂的問題。1節(jié)點及其現場裂紋東海項目HY14-1/M、南海文昌項目、潿洲12-2項目等都出現了焊接接頭的撕裂問題,撕裂位置的接頭形式主要為T形接頭和十字形接頭,具體節(jié)點詳圖和現場裂紋如下:(1)HY14-1/M項目中立柱底座加強肋板焊接,導致工字梁腹板層狀撕裂,如圖1所示。(2)南海文昌項目中半圓管與組合梁腹板焊接,導致腹板層狀撕裂,如圖2所示。(3)潿洲12-2項目中火炬臂轉軸焊接,十字形焊接接頭的層狀撕裂,如圖3所示。2金屬基復合材料經過查閱大量資料,筆者發(fā)現,產生層狀撕裂的主要原因是鋼材中含有微量非金屬夾雜物,特別是硫化物,在鋼材軋制過程中受碾壓,呈片狀分布在平行于軋制表面的板材中,這種非金屬片狀夾雜物不僅自身強度低,而且與基體金屬的結合力遠遠小于金屬之間的結合力。在焊接時會產生強大的焊接殘余應力或焊接收縮應力,而這種焊接應力就會相應引起Z向拉伸應力,當這種沿厚度方向的Z向應力達到一定程度后,就會導致片狀夾雜物與基體金屬發(fā)生剝離,進而引起撕裂3抵制措施層狀撕裂的主要影響因素包括母材材質、焊接接頭應力狀態(tài)和焊接工藝這三方面3.1材料的拉伸性能從微觀上來講,鋼材都含有一定比例的非金屬夾雜物,最常見的為硫化物、硅酸鹽、氧化鋁等,這些非金屬夾雜物在鋼材軋制成形的碾壓過程中以片狀分布于板材內,夾雜物之間的結合力、夾雜物與基體金屬之間的結合力都遠遠小于金屬之間的結合力,當受到沿厚度方向的Z向應力時很容易剝離,進而產生撕裂現象。經過多方研究認證,鋼材中硫含量越多,沿板厚方向及Z向拉伸的塑性性能越低,也就越容易發(fā)生層狀撕裂。另外,晶粒細化程度越高,金屬塑性越強,越不容易發(fā)生層狀撕裂。因此,要避免層狀撕裂的產生,最好選用非金屬含量低,特別是硫含量低的,而且經過晶粒細化的鋼材,這可以在很大程度上避免層狀撕裂。從宏觀角度分析,母材的Z向性能可以通過拉伸試驗、測其斷面收縮率的方法測出Z值,圓柱形試樣要沿板厚方向取,如圖4所示,然后進行分級,見表1。不同焊接接頭形式的層狀撕裂敏感性指數可以通過焊腳因素、接頭形式因素、彎曲約束度因素、拉伸約束度因素、焊縫形狀及位置因素、板厚使收縮受拘束因素、結構其他部件對收縮的拘束度因素、焊接預熱因素等參數按照規(guī)范經過公式換算得出條件允許的情況下,筆者可以根據已知影響因素計算出焊接接頭的Z值,然后根據表2選用對應等級的Z向鋼材,如果無法計算出Z值,那么避免產生層狀撕裂的最有效方法就是選用高等級的Z向鋼。3.2小尺寸結構的焊接層狀撕裂產生的一個主要因素就是要有拉應力,為避免產生層狀撕裂,設計更加合理的焊接接頭形式,盡最大可能減少母材在厚度方向上受到的拉應力也是行之有效的途徑;在滿足強度要求的條件下,盡量減小焊縫尺寸及橫截面積,以便減小熱影響的催化作用及減小焊接收縮形變;減小結構的剛度,以有效降低拘束應力。具體措施如下:(1)采用較小的焊接坡口角度及對口間隙,以便減小焊縫尺寸;(2)能夠部分熔透的不全熔透,能采用對稱坡口焊的不采用單邊坡口焊;(3)如果可行的話,盡量在有層狀撕裂傾向的桿件上開坡口;(4)盡量避免沿中斷板受力,采用沿貫穿板受力;(5)盡量使板厚方向受力的母材端頭伸出焊接區(qū)。3.3焊接時的預防措施焊接工藝方面,除考慮3.2節(jié)中提到的坡口形式以外,還應該從預熱、焊接線能量控制、焊道層數、焊后熱處理等多方面進行層狀撕裂的預防。如:根據母材板厚采用盡量高的預熱溫度;焊接過程中采用多道小線能量焊接;盡量保證對稱施焊;選用屈服強度低的焊條進行焊接,以減小導致母材撕裂的應力集中;在坡口內母材表面上先堆焊塑性過渡層;采用合理的焊后熱處理,以減小拘束應力和擴散氫含量,改善晶體結構;另外,還可以采取錘擊等消除應力的物理方法。4組塊主吊點等在海洋平臺結構中,已經有很多結構使用Z向性能材料,如導管架TKY節(jié)點、組塊主吊點等,如圖5中陰影位置的桿件。但因考慮到經濟成本、施工成本等因素,不可能所有具有Z向受力的構件都換成Z向性能鋼材,這就需要對焊接接頭的設計更加科學合理,對焊接工藝的選擇更加巧妙,對焊接過程的控制更加嚴格。4.1解決焊接工藝上的問題在此案例中,如果把工字梁腹板切下,換成Z向鋼板,不僅需要購置Z向性能材料,而且需要額外花費人工,加大了經濟成本和人工成本,因此要從焊接接頭和焊接工藝上入手解決此問題。經過建模分析,此節(jié)點位置在工作過程中主要受立柱的壓應力,水平方向的受力并不大,因此可以把全熔透焊縫改成部分熔透,并錯開坡口位置,在焊接工藝方面,除做好預熱和后熱處理以外,可以在施焊之前先在腹板位置進行堆焊,形成隔離層,如圖6所示,焊接過程中先用低屈服強度的LB-52U焊條打底,然后使用屈服強度相對較低的FACW代替SMAW進行焊接,采用小線能量多道焊進行填充,每層焊道焊接完畢后配合錘擊,以釋放應力。4.2坡口與腹板焊接位置的改變在較大組合梁預制過程中,考慮到節(jié)點位置受力情況,把部分腹板更換成Z向板材的構件有很多,在此案例中,雖然構件也為較大組合梁,但是考慮到節(jié)點受力和其他節(jié)點受力不同,需要更換Z向板材的節(jié)點大多為組塊主結構,且在海洋平臺服役過程中不停經受循環(huán)載荷作用力,服役條件惡劣,而此結構件僅僅是支架結構,臨時支撐組塊所用,不屬于組塊結構部分,因此受力情況有所不同,考慮到此節(jié)點位置主要受力為壓應力,半圓管也僅僅是加強支撐作用,所以半圓管與腹板焊接位置的坡口形式改變可以參考4.1節(jié)中所述,但不同的是,此處鋼板較厚,可以把單面坡口改成對稱的雙面坡口部分熔透焊縫,在施焊之前先在腹板位置進行堆焊,如圖7所示。焊接過程中先用低屈服強度的LB-52U焊條打底,然后使用屈服強度相對較低的FACW進行焊接,采用小線能量多道焊進行填充,每層焊道焊接完畢后配合錘擊以釋放應力,做好預熱和后熱處理。4.3熔透坡口焊接工藝此案例中發(fā)生層狀撕裂的焊接接頭為十字形接頭,經過分析,此轉軸為火炬臂掛鉤所用結構,整個轉軸受壓應力和剪切應力,受力情況復雜,因此要保證其焊縫強度,不能改變現有全熔透坡口形式,但由于所用板材較薄,厚為19mm,一般沒有此規(guī)格的Z向板材,所以只能從焊接工藝上進行解決。為了有效防止焊接導致層狀撕裂,在接頭設計時,可以把Z向受力的板材伸出焊接區(qū)域,待焊接完成后再切除多余部分,如圖8所示。在板材兩面坡口位置提前進行表面堆焊,以增強局部Z向性能;焊接過程中先用低屈服強度的LB-52U焊條打底,然后使用屈服強度相對較低的FACW進行焊接,采用小線能量多道焊進行填充,由2名焊工在兩側對稱進行施焊;每層焊道焊接完畢后配合錘擊,以釋放應力,做好預熱和后熱處理。5降低施工成本通過分析層狀撕裂的產生機理,并在母材、焊接接頭受力狀態(tài)、焊接工藝三方面研究預防措施,筆者發(fā)現,在母材選擇上,不僅可以根據已知接頭形