CTOD高效焊接工藝在海工裝備制造業(yè)的應用.ppt

1、CTOD高效焊接工藝在海工裝備制造業(yè)的應用 中遠船務工程集團有限公司 楊文華,中遠船務工程集團有限公司簡介：中遠船務工程集團有限公司（簡稱：中遠船務集團）組建于2001年6月，是中國遠洋運輸（集團）總公司旗下，以大型船舶和海洋工程建造、改裝及修理為主業(yè)，集船舶配套為一體的大型企業(yè)集團。目前在中國沿海大連、舟山、南通、廣東、上海、連云港、天津、廈門等地擁有7家國內領先、國際享譽的大型海工和船舶造修企業(yè)和8家專業(yè)化船舶配套企業(yè)，形成了“北中南”科學合理的生產設置和空間布局。目前，公司塢容總量252萬噸，廠區(qū)總面積逾600萬平方米，各種配套設施設備先進，為總裝化、集約化、專業(yè)化生產提供了充足保障。集

2、團全系統(tǒng)在職員工1萬余人，分承包方員工近4.5萬人。基于專業(yè)化的服務和現(xiàn)代化的管理，公司已經成為世界知名航運公司和海洋石油服務供應商首選合作伙伴。,海工產品簡介,1號船項目獲得“2011年度全國 科技進步一等獎” 該系列平臺建造合同為：4+2模 式，目前，2號船已交付使用； 3號主體已下水，4號正在進行 船臺搭載,海工產品簡介,海工產品簡介,海工產品簡介,目前南通船務在建 N407、N408項目與 該項目類似,海工產品簡介,海工產品簡介,海工產品簡介,海工產品簡介,海工產品簡介,目錄,一、課題背景 二、選題理由 三、現(xiàn)狀檢查 四、目標確定 五、原因分析 六、要因確定 七、要因分析 八、對策及實

3、施,八角“奧特寶”,目錄,九、效果檢查 十、效果鞏固 十一、小結打算,云中矗立的海工平臺,一、課 題 背 景,1.N262 和N389 項目概況 2.CTOD 簡 介：,1. N262 和N389 項目概況：,N262 和N389 項目為美國船東公司建造，是一個概念性項目，屬于“FDPSO”生產儲油平臺，該海工產品集儲油、煉油功能于一體，屬于當今世界海洋鉆井平臺技術水平最高，作業(yè)水平能力最強的領先產品。（因保密條款要求，就不進一步介紹了）,南通中遠船務 高效焊接研究小組 2011年成果報告,一 ：課 題 背 景,2.CTOD 簡 介：,CTOD 試驗是一種評價材料和焊接接頭抗斷裂性能的有效方法

4、。 工業(yè)發(fā)達國家已在制造業(yè)中廣泛應用CTOD試驗作為焊接接頭的評定方法，以評價焊接接頭整體抗開裂性能的優(yōu)劣。如果CTOD值足夠，說明韌性足夠，可以免除做焊后熱處理。,一 ：課 題 背 景,高效焊接工藝與降本增效,二、選 題 理 由,二、選 題 理 由,工藝要求,焊接接頭必須具有足夠的韌性； 焊接接頭要具有良好的抗裂性能；,二、選 題 理 由,熱處理后的焊接接頭韌性未必提高，甚至降低； 熱處理增加諸多困難和不便； 熱處理使成本增多；,只要通過CTOD試驗可以證明整體板厚的焊接接頭韌性優(yōu)良，可以不做熱處理。而保證CTOD 試驗的通過，前期必須做大量調查和研究工作。為了研究超厚超高強度鋼API 2W

5、 Gr.60、AB/EH36級別的抗裂性能，還能同時兼顧焊接結構的安全性和建造施工的經濟性。我們成立了技術攻關小組，開展高效焊接工藝推進工作，制定合理的焊接工藝、研究和提高超高強鋼焊接接頭韌性和抗裂性能，提高質量，降低消耗，提高經濟效益。,二、選 題 理 由,高效焊接工藝與降本增效,三、現(xiàn) 狀 檢 查,Quality Management Department 2011/03/21,對焊后熱處理工藝和做CTOD試驗進行如下比較：,三、 現(xiàn) 狀 檢 查,Welding Office,Quality Management Department,對焊后熱處理工藝和做CTOD試驗進行如下比較：,三、

6、現(xiàn) 狀 檢 查,只要通過CTOD試驗可以證明整體板厚的焊接接頭韌性優(yōu)良，可以不做熱處理。而保證CTOD 試驗的通過，前期必須做大量調查和研究工作。為了研究超厚超高強度鋼API 2W Gr.60、AB/EH36級別的抗裂性能，還能同時兼顧焊接結構的安全性和建造施工的經濟性。我們成立了技術攻關小組，開展高效焊接工藝推進工作，制定合理的焊接工藝、研究和提高超高強鋼焊接接頭韌性和抗裂性能，提高質量，降低消耗，提高經濟效益。,三、 現(xiàn) 狀 檢 查,經查焊材資料和公司的焊材復驗和PQR數(shù)據(jù)，DW-A55LSR焊材熱處理后，材料強度和沖擊韌性都變差，如表1，表2所示：,表1,三、 現(xiàn) 狀 檢 查,可見，選擇

7、合適的焊接方法和材料，制定出適用的焊接工藝和焊后熱處理，提高焊接接頭韌性，會消耗大量的人力和物力，浪費能源、降低企業(yè)效益；選擇增做CTOD試驗，既能改進質量、降低消耗，提高經濟效益。,表2,三、 現(xiàn) 狀 檢 查,高效焊接工藝與降本增效,四、目 標 確 定,四、 目 標 確 定,完成擁有自主知識產權的帶有CTOD試驗數(shù)據(jù)的工藝報告和工藝文件，實現(xiàn)集團內CTOD試驗工藝文件的零突破。確保工程順利進行，提高工程質量，改善施工工藝和環(huán)境，提高經濟效益。 爭取在TTR項目上節(jié)約成本200萬。,選定焊接工藝參數(shù)，提高焊接接頭韌性，確保超高強度鋼焊接試板 力學性能達到標準、項目規(guī)格書、工藝文件和船東要求。確

8、保CTOD 的試驗成功，滿足CTOD 尖端開口距離不小于0.25mm的目標（標準 規(guī)定不小于0.15mm）。,高效焊接工藝與降本增效,五、原 因 分 析,5M1E分析,五、 原 因 分 析,高效焊接工藝與降本增效,六、要 因 確 認,六、 要 因 確 認,高效焊接工藝與降本增效,七、要 因 分 析,七、 要 因 分 析,高效焊接工藝與降本增效,八、對 策 及 實 施,八、 對 策 及 實 施,目前集團內沒有做過包含CTOD的焊接工藝，按EEMUA 158：1994 建造此類結構，在集團內尚屬首次，沒有可借鑒的經驗。經過調研和多方協(xié)商，制定了對策表：,8.1對策及實施計劃表,八、 對 策 及 實

9、 施,1）編制pWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD試驗程序）,8.2. 實施,2011年1月，小組查閱資料，結合試驗和建造經驗，選用韌性良好的焊材DW-55LSR，KRYO1； 選擇合理的焊接參數(shù)，規(guī)定手工焊熱輸入不大于3KJ/mm，在1.4-2.5KJ/mm；規(guī)定藥芯氣體保護焊熱輸入在0.6-1.3 kj/mm（2G橫焊位置）、0.8-1.6KJ/mm(3G立焊位置)范圍內；,研究設計圖紙、標準和規(guī)格書等文件，編制完成PWPS和CTOD TEST PROGRAME試驗程序，提交給船東和船檢，并得到認可。,八、 對 策 及 實 施,1）編制pWPS和CTOD TEST PR

10、OGRAME（CTOD試驗程序）,8.2. 實施,選用焊材：根據(jù)AWS D1.1和EEMUA 158標準要求，對于420Mpa和355Mpa級別對接接頭，選用DW-A55LSR進行焊接，KRYO 1用于返修。 以下是公司部分焊材熔敷金屬焊后狀態(tài)下的的數(shù)據(jù)：,從表中可以綜合看出，焊材具有良好的力學性能。,八、 對 策 及 實 施,1）編制PWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD試驗程序）,8.2. 實施,擬定PWPS：,擬定力學性能試驗項目（MPT&CTOD）：,八、 對 策 及 實 施,1）編制pWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD試驗程序）,8.2. 實施,

11、擬定PWPS：,擬定力學性能試驗項目（MPT&CTOD）：,八、 對 策 及 實 施,8.2. 實施,2）制定國外WPQT試驗計劃和確立試驗合作方：,國內CTOD試驗起步較晚，國內一些院校和企業(yè)經驗和技術上比發(fā)達國家還有一定的差距，而且費用也高。目前，英國、挪威和美國等國家對焊接接頭低溫韌性測試技術的研究較多。美國ANDERSONS實驗室CTOD試驗設備達到世界一流，技術相對國內也比較成熟，試驗結果具有權威性。,2月初，在船東協(xié)調和幫助下，取消在國內武漢理工大學及其他焊接研究所的試驗，確定和美國ANDERSONS實驗室共同完成了含有CTOD試驗的焊接工藝評定（WPQT），并制定了試驗計劃（見附

12、錄I）。,4月上旬，從啟東將DW-A55LSR、KRYO130公斤左右焊材，通過上海運往美國實驗室。,2011年5月上旬至6月16日，經過近兩個月的WPQT和CTOD試驗，南通中遠船務焊接室和美國ANDERSONS研究所按照編制和試驗程序，順利完成了所有試驗，得到船東和船檢的認可。,八、 對 策 及 實 施,8.2. 實施,2）制定國外WPQT試驗計劃和確立試驗合作方：,WPQT試驗項目切割分布示意圖：,八、 對 策 及 實 施,8.2. 實施,2）制定國外WPQT試驗計劃和確立試驗合作方：,CTOD試驗項目圖片：,CTOD試驗設備和儀器 CTOD試樣（缺口位置放大圖）,高效焊接工藝與降本增效

13、,九、效 果 檢 查,Quality Management Department,Welding Office,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,每個焊評的CTOD平均值分別為0.84mm，0.877mm，1.043mm，遠高于0.15mm的標準要求，完成不小于0.25mm目標，焊接接頭抗裂性能很好。,CTOD 尖端開口距離m越大，表明焊接接頭整體韌性越高，越耐抗裂。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,每個焊評的CTOD平均值分別為0.84mm，0.877mm，1.043mm，遠高于0.15mm的標準要求，完成不小于0.25mm目

14、標，焊接接頭抗裂性能很好。,CTOD 尖端開口距離m越大，表明焊接接頭整體韌性越高，越耐抗裂。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,PQR-NT-01-357-2G,各點硬度值都低于325 HV的標準要求，硬度分布圖表明，焊接接頭焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)韌性優(yōu)良。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,PQR-NT-01-358-3G,各點硬度值都低于325 HV的標準要求，硬度分布圖表明，焊接接頭焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)韌性優(yōu)良。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,PQR-NT-01-359-3G

15、Repair,各點硬度值都低于325 HV的標準要求，硬度分布圖表明，焊接接頭焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)韌性優(yōu)良。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,CNV沖擊試驗：,Quality Management Department,Welding Office,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,CNV沖擊試驗：,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,CNV沖擊試驗：,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,CNV沖擊試驗：,CNV試驗去，所有試樣，全部高于標準不同焊接線能量下，焊接

16、接頭母材、焊縫、返修焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的韌分布，如右表：,焊縫及熔合區(qū)的相對偏差。焊接接頭區(qū)域的韌性分布如圖所示。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,CNV沖擊試驗：,359-3G KRYO1 對原始焊縫DW-A55LSR的焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性比DW-A55LSR（358-3G）的韌性有所提高。,359-3G KRYO1 對母材API 2W-Gr.60一側的影響，沖擊韌性從FL到FL+5mm的區(qū)域內比358-3G中有所提高，甚至高于357-2G中的沖擊韌性。這是因為返修焊縫對近坡口處的母材和原始焊縫金屬起到了熱處理的作用。,焊縫區(qū)域：359-3G用KRYO

17、 1返修焊縫中，純KRYO 1熔敷金屬的沖擊值低于359-3G的DW-A55LSR原始焊縫。且二者在焊縫區(qū)域低于357-2G中DW-A55LSR焊縫金屬的沖擊韌性。,九、 效 果 檢 查,9.1 試驗效果及WPQT和CTOD報告：,CNV沖擊試驗：,同種焊材和母材，焊縫區(qū)域357-2G比358-3G位置的沖擊韌性好，和焊接線能量有關。 母材API 2W Gr.60和EH36側沖擊韌性跟焊接線能量對母材的熱處理有關。,其他力學性詳見焊接工藝評定報告（WPQR）。,九、 效 果 檢 查,9.3 用到生產施工結果：,2011年8月初南通中遠船務焊接室派人負責建造海工項目“奧特寶”井口導向結構（TTR

18、&Keel Guide）工程，到2011年11月29日，工程全部完成。 該項目井口導向結構（TTR&Keel Guide）工程為滿足英國北海惡劣海況下生產要求，執(zhí)行EEMUA 158標準，是中遠船務承接建造EEMUA 158標準首個工程，這樣節(jié)約了大量人力物力財力，并且大大縮短了施工工期。 最終實現(xiàn)UT合格率99.44%，無二次返修及裂紋等缺陷。整體尺寸達到10mm（規(guī)范要求25mm以內），井口結構尺寸達到4mm（規(guī)范要求10mm以內）。得到船東、船檢的一致好評，同時也為后續(xù)執(zhí)行EEMUA 158標準的“勤奮號”（N389）海工項目建造積累了寶貴經驗。通過擬定合理的編制焊接工藝、包含CTOD的

19、焊接工藝評定試驗（WPQT），最終取得試驗和“奧特寶”井口導向結構（TTR&Keel Guide）建造的成功。,7月初，根據(jù)WPQR完成WPS-NT-01-357-358的組合工藝和WPS-NT-01-359返修工藝, 并將焊接工藝規(guī)程WPS復印件提交給項目使用。,9.2 完成WPS工藝文件：,九、 效 果 檢 查,九、 效 果 檢 查,9.3 用到生產施工結果：,產生的經濟效益情況： CTOD 試驗可以免除海洋結構鋼焊后熱處理，大大節(jié)省成本和工期。 通過粗略成本估計，38mm-76mm厚鋼板，1000mm焊縫，需要熱處理62020。升溫、保溫、降溫，大概需要8-12小時。加熱設備功率：240

20、0kWh。每個加熱器可以接6塊加熱片，總長大約6m。假設在鋼材單面加熱，每米焊縫耗平均電量 Q= 2400106=4000 kwh，電費假設為1元每度。每米焊縫花費電費: Money= 40001=4000元/米。 N262項目上的井口導向和立管結構，超過50mm厚的節(jié)點，大概32處，一處大概16m，總長大約512m。僅電費節(jié)省就節(jié)省了大約204.8萬元。再加上人工、加熱片、保溫棉、傳感器、設備和耗材等材料等產生的直接和間接費用，總共大概節(jié)約250萬元左右。,九、 效 果 檢 查,9.3 用到生產施工結果：,工期方面： 假設6臺加熱設備用到該結構，不考慮流水施工方法，單計算工期，熱處理估計用1

21、5天左右。及節(jié)省15天的工期。,九、 效 果 檢 查,9.4 對N389 CHEVIOT-OCTABUOY 產生的經濟效益估算：,后續(xù)的N389 CHEVIOT-OCTABUOY 八角上部結構，建造難度更大，結構復雜，38-100mm厚板連接的TKY和對接節(jié)點更多，焊縫更長。如果熱處理，付出的代價更高。N389項目上，100多個這種節(jié)點，焊縫總長度超過TTR&Keel Guide的4倍，初步估計，因不做熱處理至少可以節(jié)省1000多萬元。,九、 效 果 檢 查,9.5 產生無形效果：,1. 改善施工環(huán)境，避免了熱處理施工產生的安全隱患。 2. 提高了組員團隊意識及個人能力，培養(yǎng)和鍛煉了人才。 3

22、. 提升公司建造能力和質量品牌，可以為承接類似結構的建造提供技術資料和憑證。,高效焊接工藝與降本增效,十、效 果 鞏 固,十、 效 果 鞏 固,10.2 中遠船務焊研室完成了焊接工藝評定報告（WPQR），PQR-NT-01-357&358、PQR-NT-01-359和WPS-NT-01-357-358的組合工藝、WPS-NT-01-359返修工藝。 此次焊接工藝評定是集團內首個按照EEMUA 158 標準建造導管架結構的焊接工藝評定項目，并形成了擁有自主知識產權的CTOD試驗數(shù)據(jù)的工藝報告和工藝文件，填補了國內API 2W Gr. 60 和AB/EH36 76mm厚鋼板對在（3G）和（2G）兩

23、個位置不同接焊線能量范圍的焊接以及SMAW返修FCAW焊縫的CTOD試驗空白，也填補了國內按照EEMUA 158:1994，BS7447，AWS D1.1/D1.1M:2008，ABS Rules Part 2，UK-HSE OTR01015 Steel，API RP 2Z六個標準進行的CTOD和力學性能實驗的空白。,10.1 中遠船務焊研室完成集團內第一個同時滿足6種標準（EEMUA 158:1994，BS7447，AWS D1.1/D1.1M:2008，ABS Rules Part 2，UK-HSE OTR01015 Steel，API RP 2Z）的CTOD試驗程序：N262-CTOD

24、TEST PROGRAM和CHEVIOT-OCTABUOY PROJECT CTOD TEST PROGRAM。,高效焊接工藝與降本增效,十一、小 結 打 算,Quality Management Department,Welding Office,十一、 小 結 打 算,（1） 設計：結構按照EEMUA 158:199和AWS D1.1 2008標準設計要求設計焊縫節(jié)點和坡口型式。 76mm厚對接接頭開單面V型坡口，焊后焊縫根部殘余應力更大，比雙面坡口的根部更容易產生冷裂紋，對編制焊接工藝提出了更高的要求。通過試驗和現(xiàn)場成功應用，積累了厚板單面坡口焊的成功應用經驗。,從設計、選用標準、工藝文

25、件和試驗結果幾方面總結如下：,十一、 小 結 打 算,（2）完成的工藝和技術文件：,完成了WPS-NT-01-357-358的組合工藝和WPS-NT-01-359返修工藝。 不同組別強度鋼API 2W Gr.60（AWS Group III） 和AB/EH36(AWS Group II)焊接，完成了SMAW+FCAW-G組合工藝以及SMAW（ Repair ）手工焊條返修種焊接工藝?？梢愿采wAWS Group III 跟AWS Group II&AWS Group I 中的任一材料進行焊接。通過兩個焊評試驗，可以免除很多材料和厚度焊接接頭的評定試驗。此工藝同時滿足EEMUA 158: 1994

26、，BS7447，AWS D1.1/D1.1M:2008，ABS Rules Part 2，UK-HSE OTR01015 Steel，API RP 2Z六個標準的力學性能試驗和CTOD是試驗。評定的標準多，以后在標準上應用范圍更多，為以后建造同類結構積累了技術經驗和承建資質。 根據(jù)CTOD和力學性能報告以及以往大量的試驗數(shù)據(jù)，制定了對于屈服強度355Mpa及其以上強度海洋結構鋼焊接線能量參考的內部標準： FCAW-G（除了根部焊道）的線能量一般不得高于1.5KJ/mm，不低于0.8KJ/mm；SMAW線能量一般在12.5KJ/mm；SAW線能量控制在1.5-3KJ/mm，比EENUA 158：1994標準要求要高。,十一、 小 結 打 算,（3）韌性分析結論與提高： API 2W Gr. 60 和AB/EH36 76mm厚鋼板對接焊線能量最大（3G）和最?。?G）兩個位置焊接以及返修后的CTOD和CVN沖擊試驗，CTOD結果平均值m(3G)=0.8