海洋石油工程防腐蝕保護(hù)

海洋鋼結(jié)構(gòu)中層狀撕裂的控制作者：李大鵬單位：海洋石油工程有限公司摘要我們生產(chǎn)的海洋結(jié)構(gòu)中，由于使用的板材都比較厚，很容易產(chǎn)生層狀撕裂(Lamellartearing)，尤其在節(jié)點(diǎn)和吊點(diǎn)部位。層狀撕裂危害性很大，如果不采取措施控制，很可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效。針對(duì)層狀撕裂造成的嚴(yán)重危害，施工中采取了一系列措施對(duì)其進(jìn)行控制。主要方法有：正確使用Z向鋼、改變焊接接頭的設(shè)計(jì)、改進(jìn)焊接工藝、改變焊接技術(shù)并焊后采取熱處理方式等。1、層狀撕裂的產(chǎn)生條件與特征1.1層狀撕裂的定義厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)由于Z向（板厚方向）承受拉應(yīng)力作用而致沿厚板軋層產(chǎn)生開(kāi)裂，即所謂的“層狀撕裂”。層狀撕裂常發(fā)生于全熔透的T形接頭或角接接頭中，主要發(fā)生在熱影響區(qū)。層狀撕裂屬于冷裂范疇，是母材冷裂的一種形式。1、層狀撕裂的產(chǎn)生條件與特征1.2層狀撕裂產(chǎn)生的條件促使層狀撕裂產(chǎn)生的條件有二：（1）鋼材中存在脆弱的軋層（軋層上存在局部集中的非金屬夾雜物）。板厚越大，越易形成夾層，所以一般的薄板不會(huì)形成層狀撕裂；（2）焊接接頭在板厚方向（Z向）產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力或應(yīng)變，是引發(fā)層狀撕裂的外因。運(yùn)行載荷引起的外加應(yīng)變，雖然不足以引發(fā)撕裂，但可以使撕裂擴(kuò)展。構(gòu)件中所產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)在與軋制平面垂直的方向上有一個(gè)可觀的向量，鋼板抵抗這種垂直方向應(yīng)變作用的能力較差。因此會(huì)產(chǎn)生撕裂。1.層狀撕裂的產(chǎn)生條件與特征1.3層狀撕裂的特征層狀撕裂屬于冷裂范疇，但不同于普通的冷裂紋（氫致開(kāi)裂或淬硬開(kāi)裂），與夾雜物存在相關(guān)的脫聚開(kāi)裂是其最大的特點(diǎn)。因此僅僅提高預(yù)熱溫度是難以防止層狀撕裂的。2.生產(chǎn)中層狀撕裂的控制2.1正確使用Z向鋼層狀撕裂內(nèi)因是非金屬夾雜物的存在，那么我們就先從材料上入手。鋼中存在著各類(lèi)夾雜物，最常見(jiàn)的是硫化物和硅酸鹽夾雜物，但是很難通過(guò)試驗(yàn)區(qū)分清楚究竟是那一種夾雜物對(duì)層狀撕裂的影響最大。但可以確定，鋼中含硫量越多，Z向拉伸時(shí)的延性（常以斷面收縮率φz來(lái)表示）就越低下，層狀撕裂傾向就越大，如圖一所示。因此選擇鋼材時(shí)一定要控制S的含量。具有良好的抗層狀撕裂的鋼，特稱為“Z向鋼”。一般按含硫量及φz對(duì)Z向鋼分級(jí)，如表一所示。2.生產(chǎn)中層狀撕裂的控制圖一Φz(mì)與鋼中含量的關(guān)系2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制級(jí)別鋼的含硫量W（S）（%）Φz(mì)（%）3個(gè)試樣平均單試樣Z15＜0.010＞15＞10Z25＜0.007＞25＞15Z35＜0.005＞35＞25表一Z向鋼分級(jí)2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制

實(shí)踐表明，φz的影響很明顯。Φz(mì)≤10%，低度約束的T形接頭（工字梁）可能有一些層狀撕裂傾向。Φz(mì)≤15%，中等約束的接頭，會(huì)有一定的層狀撕裂。Φz(mì)≤20%，只在高約束接頭時(shí)有一定層狀撕裂傾向。Φz(mì)≥25%，在任何接頭中一般都不致產(chǎn)生層狀撕裂。2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制在海工產(chǎn)品的生產(chǎn)中，易產(chǎn)生層狀撕裂部位主要有導(dǎo)管架的KTY節(jié)點(diǎn)、組塊拉筋節(jié)點(diǎn)和各種吊點(diǎn)，如圖二a、b所示。對(duì)這類(lèi)部位在鋼板選材時(shí)一定要采用Z向鋼。場(chǎng)地上大部分Z向鋼都來(lái)自舞陽(yáng)鋼鐵廠，含硫量可以控制在0.002%左右，在Z向鋼分級(jí)中可以達(dá)到Z35要求，Φz(mì)≥25%，這樣在任何接頭中一般都不致產(chǎn)生層狀撕裂。2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制圖二2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制2.2改善接頭設(shè)計(jì)

（1）采用合理的焊縫形式及小焊腳焊縫

焊縫的形式對(duì)基材變形有很大影響。焊縫的坡口越大,焊縫表面積也越大,將增加收縮應(yīng)力。單坡口焊縫會(huì)在整個(gè)連接厚度方向上產(chǎn)生不對(duì)稱收縮應(yīng)變而雙坡口焊縫會(huì)減少和平衡部分收縮變形,當(dāng)板材厚度不大于19mm時(shí),用雙坡口代替單坡口并不能顯著降低焊縫收縮變形。

2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制（2）分段拼裝

在可行的情況下，應(yīng)將一個(gè)大節(jié)點(diǎn)分成幾個(gè)部分分別焊好后再拼裝,并對(duì)各部分中焊縫的焊接次序進(jìn)行仔細(xì)安排。此外，應(yīng)盡可能減少定位焊點(diǎn)的尺寸及數(shù)量。這些都將有利于節(jié)點(diǎn)焊縫處的收縮變形。（3）貫穿部件端部延伸一定長(zhǎng)度有利，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在組塊的節(jié)點(diǎn)處都留有一定長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度完全超出板厚的臨界長(zhǎng)度，進(jìn)而控制了撕裂的產(chǎn)生，如圖三。2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制圖三

2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制（4）謹(jǐn)慎布置加勁板

加勁板會(huì)對(duì)焊縫變形產(chǎn)生約束.應(yīng)按計(jì)算的要求設(shè)計(jì)加勁板及其焊縫。2.3改進(jìn)焊接工藝1、改變焊接方法現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，多采用FCAW代替SMAW，因?yàn)镕CAW的冷裂傾向要小，所以有利于改善層狀撕裂。

2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制2、選擇屈服強(qiáng)度低的焊條

只要能滿足受力要求,應(yīng)盡可能選擇屈服強(qiáng)度低的焊條。美國(guó)焊接學(xué)會(huì)的<<結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范>>和美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的<<建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作、安裝規(guī)程>>均指出:焊條、焊絲和焊劑應(yīng)于基材"匹配"。一般,這種"匹配"是以抗拉極限強(qiáng)度為基準(zhǔn)的。即使當(dāng)焊接金屬標(biāo)號(hào)于結(jié)構(gòu)鋼材非常"匹配"時(shí),焊接金屬的屈服強(qiáng)度也比基材要高得多。使用干燥的低氫焊條，可以減少擴(kuò)散性氫產(chǎn)生的內(nèi)壓，控制裂縫的出現(xiàn)。2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制3、焊接技術(shù)的應(yīng)用（1）采用表面隔離層的堆焊（2）對(duì)稱施焊（3）采用適當(dāng)小的線能量，以減小熱作用（4）嚴(yán)格控制焊縫尺寸（5）采用小焊道，多道焊，如圖4，b優(yōu)于a2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制圖四2、生產(chǎn)中層狀撕裂的控制4、焊后應(yīng)力消除層狀撕裂是在力的作用下產(chǎn)生的，焊接后會(huì)有很大的殘余應(yīng)力，這對(duì)層狀撕裂有很大影響。所以焊接結(jié)束后，一定要采取措施消除應(yīng)力?，F(xiàn)場(chǎng)主要采用的方法有錘擊法和焊后熱處理法。錘擊法是在焊接結(jié)束后錘擊焊縫，這樣可以使焊縫得到延展，從而降低拉伸應(yīng)力的峰值。錘擊可在500℃以上的熱態(tài)下進(jìn)行，也可在300℃以下的冷態(tài)下進(jìn)行，這樣可避免鋼材的蘭脆。錘擊可以用手錘或錘頭為一定直徑的半球形風(fēng)錘來(lái)進(jìn)行，但施力適度。熱處理法采用的是低溫退火，加熱溫度在Ac1線以下，也就是說(shuō)在單相奧氏體形成溫度以下，這樣金屬內(nèi)部并不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，而只是發(fā)生蠕變現(xiàn)象，同時(shí)屈服點(diǎn)降低，易發(fā)生塑性變形，從而使應(yīng)力松弛。隨著溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬材料的蠕變更加充分，但時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，以免晶核長(zhǎng)大。3．實(shí)例分析在海工生產(chǎn)的比較大的組塊中，海上安裝時(shí)往往采用浮托法，而現(xiàn)在還有一些組塊依舊采用整體吊裝的方法，如海工正在建造的LD22-1組塊，由于設(shè)計(jì)吊裝重量為3400噸，這樣吊點(diǎn)的承載力很大，為了滿足強(qiáng)度要求，采用比較厚的鋼板制作，如圖五，這時(shí)就很容易有層狀撕裂現(xiàn)象發(fā)生。層狀撕裂現(xiàn)象一旦發(fā)生，很難修補(bǔ)，這對(duì)工程進(jìn)度和施工成本都會(huì)造成很大影響。為了避免層狀撕裂的產(chǎn)生，施工時(shí)采取了一系列措施：3．實(shí)例分析3.1選用舞陽(yáng)鋼鐵廠制造的Z35鋼板，鋼板含硫量大約在0.002%左右，斷面收縮率Φz(mì)≥25%，這種情況下無(wú)論采用何種接頭形式，都不容易產(chǎn)生層狀撕裂。3.2嚴(yán)格控制組對(duì)間隙，間隙過(guò)大就會(huì)無(wú)形間增加了焊接工作量，進(jìn)而會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力，對(duì)控制撕裂很不利?，F(xiàn)場(chǎng)采取樣板法進(jìn)行控制，先在電腦上放出開(kāi)槽樣板，然后依據(jù)樣板在開(kāi)槽位置劃線，這樣大大減小了組對(duì)誤差，可以把組對(duì)間隙控制在10mm以內(nèi)。3.3選用低氫焊條，焊接時(shí)使用了美國(guó)林肯的LH-75MR焊條，并在焊接前烘焙保溫，以保證焊條干燥，同時(shí)對(duì)要焊接部位進(jìn)行預(yù)熱。3．實(shí)例分析3．實(shí)例分析3．實(shí)例分析3.5采取措施消除應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)先用錘擊法消除部分應(yīng)力，焊接后用加熱墊片進(jìn)行局部熱處理，熱處理溫度參見(jiàn)表2、表3。表2加熱速率及保溫時(shí)間序號(hào)板厚（mm）加熱速率（℃/hr）保溫時(shí)間（t）最小最大155551022.0327055802.253150555533．實(shí)例分析

表3冷卻速率序號(hào)板厚（mm）加熱速率（℃/hr）保溫時(shí)間（t）最小最大155551202.0327055942.253150555533．實(shí)例分析通過(guò)熱處理，降低了內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)消除了部分氫。有效的防止了撕裂的產(chǎn)生。3.62次UT檢測(cè)，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，焊接時(shí)采用SMAW方法，這樣冷裂傾向要比FCAW大，而且由于板厚過(guò)厚，焊道寬度太寬，焊接后應(yīng)力集中明顯，很容易出現(xiàn)氫致裂紋和層狀撕裂，為了杜絕隱患，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接部位采取2