时间：2020-11-02 11:18:05 所属分类：电工技术 浏览量:
海洋石油119FPSO系泊方式分为3组，每组3条，组间距为120，共9个系泊吸力锚，单个吸力锚质量约为110t。与拖曳锚、重力锚、桩锚等其他基础形式相比，吸力锚结构具有定位准确，施工迅速，便于回收等优点，且可提供全方位锚固力，能够适应系泊油轮围绕系泊点做36
海洋石油119FPSO系泊方式分为3组，每组3条，组间距为120°，共9个系泊吸力锚，单个吸力锚质量约为110t。与拖曳锚、重力锚、桩锚等其他基础形式相比，吸力锚结构具有定位准确，施工迅速，便于回收等优点，且可提供全方位锚固力，能够适应系泊油轮围绕系泊点做360°旋转的要求。吸力锚设计中，最佳受力点位于其贯入深度的23，在服役期间，吸力锚承受锚链的交变载荷，因此作为传递受力的吊点和筒体之间的连接处，容易产生高应力，此处的使用寿命直接决定整个吸力锚的使用寿命。如图1所示。根据研究[1]，在此拖点区域疲劳和焊接热影响问题较大，为妥善解决疲劳问题，此连接处设计为铸件吊耳，为经济性考虑铸件尺寸缩小，同时外侧添加1圈船用EH36钢板作为过渡连接至筒体。为满足建造需求规范产品的焊接，按照船级社要求，此处连接焊口需进行焊接工艺分析及评定。
1母材及焊材
根据设计资料，铸钢为ASTMA148Gr.90-60材质，屈服强度标准为415MPa，抗拉强度为580MPa，其中抗拉强度略低于标准强度620MPa，主要是对铸钢的成分(表1)以及冲击性能进行了要求。对于壁厚较大的铸钢，在中心厚度区域的强度可能会有下降，下降的可接受数值需要与设计方核实。与其连接的船用钢板为BVEH36材质，具体化学成分见表1。接头钢板力学性能见表2.根据计算报告，此处连接处SCF(应力集中系数)按照DNVRP-C203—2011计算仅为1.15，疲劳分析结果预测的寿命约为设计寿命的几十倍。焊材选择时，按照船级社规范，此类异种钢接头满足低强度构件即可，考虑到铸钢的韧性虽符合标准，但相对较差，因此填充焊材主要选用制造标准为AWSA5.29E81T1-Ni1M的日本神钢产DW-A55LSR药芯焊丝，此类药芯焊丝具备-60℃的低温韧性，同时具备-10℃的CTOD性能。其化学成分及力学性能见表3，焊材强度介于2种接头母材之间。
2焊接工艺
2.1工艺分析
铸造材料不可避免地会存在一些缩孔等缺陷，以往在机加工情况下出现过开裂情况，为避免再次出现问题，在施工前对铸件ZONEA区域即边缘120mm范围内进行了UT探伤。接头材料壁厚为100mm，为控制变形，采用了图2的K形对称坡口，并在焊接过程中进行了气刨清根处理。铸钢材料的冲击吸收功接受标准为32J，按照表2数据，明显存在数值偏低现象。按照铸钢的焊接性测试数据，焊接完成后母材存在损失最大约30%的韧性。为改善韧性，消除焊接残余应力，采取焊后消应力热处理。铸钢的碳当量达到0.47%，船用钢板的碳当量达到0.41%，焊接过程中容易出现淬硬组织。因此在施工中需达到以下要求:(1)综合ISO13916的推荐、生产厂家测试数据以及AWSD1.1附录H的要求，工件在焊接施工中属于自由移动状态，预热温度设定最低110℃，实际控制在125～150℃，层间温度控制在200℃以内。(2)保持预热及层间温度，严禁使用烤把等火焰加热方式，采用电阻加热形式，以此避免不均匀加热带来的残余应力的增大。(3)定位焊前预热温度要求150℃，同时在对接焊缝熔覆前打磨去除，做MT，检查有无缺陷。(4)焊接完成后覆盖需保温棉进行缓冷。
2.2焊接工艺参数
铸钢供货状态为调质态，供货硬度范围在HV10240～HV10260，材料的晶粒度在9左右，晶粒相对较小。焊接时若热输入过大，高温停留时间过长容易引起热影响区的脆化，因此在焊接过程中需要监控热输入，热输入控制在0.7～1.7kJmm。其中热输入下限来自于铸钢材料的焊接性测试，使用0.7kJmm的热输入在热处理后仍然可以获得-10℃下0.76～1.11mm的CTOD数据以及优异的常规力学性能。并不推荐采取更小的热输入，主要是并无相关测试数据支持，而热输入过小则会缩短冷却时间，使热影响区淬硬，也不利于扩散氢的逸出，增加冷裂倾向[2]。具体的焊接工艺参数可以参照表4。其中在盖面焊道，虽然后续要采取热处理的形式消除应力，但为了降低热影响区硬度，焊接顺序采取了回火焊道焊接。
2.3焊后消应力热处理
在目前的建造标准中并无铸钢的焊后消应力的保温温度以及升降温速率的推荐。铸钢供货状态为调质态，调质热处理可实现一定的强度，同时改善韧性，然而这2项指标一般是相对矛盾的。在铸钢生产时，制造厂家进行了焊后热处理模拟试验，基于以往施工经验，现场施工中可采用如下数据(图3)。需要指出的是，高碳当量的铸钢热处理，升温降温速率都低于普通碳钢材料的速率，处理时间较长[3]。若条件允许，铸钢焊接件可进行炉内消应力热处理，保证整体受热均匀，避免因局部受热产生二次应力。若条件不允许，可采用局部热处理，局部热处理的范围应尽量包裹住全部铸钢工件，尽量减小浸透带范围之外的温度梯度。同时，需要提前预制相应工装，避免工件在热处理过程中由于强度下降产生塌陷或尺寸变形。例如，吸力锚处铸钢吊耳在没有相应工装辅助下直接进行热处理会导致此处塌陷，失去应有的弧度，导致后续无法安装。
2.4焊接缺陷
焊接完成后采用AWSD1.1表6.3中的动载UT验收标准进行验收，焊缝中发现存在部分超标线性缺陷及点状缺陷。通过气刨及打磨方式确定90%以上的线性缺陷均为细小连续的夹渣。通过分析发现，缺陷的产生主要有以下两方面原因:(1)焊接过程电流超过规定数值，实际达到250～260A，超过了推荐数值。操作过程中焊肉偏厚，熔池堆积，排渣效果变差。(2)层间清理过程不到位，层间存在焊道之间的凹槽，以及部分施工中的打磨飞溅，由于焊接中熔池浮渣效果差，因此产生了大量点状缺陷。后续实施旁站检验，打磨焊道至光亮无凹槽，过程中进行空气吹扫等措施，点状缺陷基本消除。因此，在按照动载验收标准的焊口使用药芯焊丝焊接时，需特别注重层间的清理工作。
3试验结果
热处理完成48h后对试件进行无损检测发现，以往产生的线性缺陷均消除，点状缺陷基本消除，仅存在几处未超标的点状缺欠，裂纹等严重缺陷并未出现。按照船级社规范开展了力学性能测试:2套横向拉伸试样，测试结果抗拉强度介于552～575MPa，断裂位置均在EH36钢侧母材。4套侧弯试件，弯曲180°后未发现任何开裂区域。14套夏比冲击试验，分别取自铸钢侧及船用钢板侧，测试结果见表5。硬度测试为2条，盖面近表面2mm处及根部，具体结果见表6。硬度测试数据显示，尽管接头两侧的碳当量较高，但热处理后接头硬度整体较为平均，特别是在铸钢侧，相较于出厂硬度，焊接完成之后并未出现明显的硬度升高情况。对铸钢侧母材+2mm区域进行金相分析及晶粒度测试显示，焊接完成后，此处组织以铁素体、珠光体及贝氏体为主，并未出现魏氏组织等。晶粒度约为8.5～9，仍然符合规格书要求的最小为7的要求，可见工艺及过程控制要求符合预期，并未对铸钢产生不利影响，如图4所示。4结论高强铸钢焊接通过采用控制预热、层间温度、回火焊道、焊接工艺参数、热处理等多种过程控制方法有效保证了接头的高质量。采用该焊接工艺，现场实现了9个吸力锚铸钢件高效施工，并实现了零缺陷交付。
参考文献:
[1]张孝卫，刘玉玺，王江宏，等.用于FPSO系泊系统的吸力锚疲劳分析研究[J].船海工程，2013，42(6):167-171.
[2]王帆.船用大型铸钢件焊接裂缝及修复工艺研究[J].船舶与海洋工程，2012(4):63-66.
[3]董驾龙，张迁，张诚.高强度焊接铸钢性能的研究[J].热处理，2006(3):31-34.
《吸力锚用高强铸钢焊接工艺探讨》来源：《焊接技术》，作者：陆传航 耿建成 颜克柯 程晋宜 吴敏敏
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