海洋铺管船支撑结构焊接质量控制要点分析

0引言

海洋铺管船是铺设海底管道专用的大型海工装备,多用于海底输油管道、海底输气管道、海底输水管道的铺设。娓部铺管装备支撑结构主要由钢锻件、板材和型钢等焊装组成,受到铺管装备自重和铺管拉力的叠加作用力,尤其是两个承受动载荷的法兰眼板,其结构复杂,更易处于应力危险集中的状态,因此支撑结构对自身结构强度和焊缝强度要求都比较高。

1铺管装备支撑结构简介

娓部的支撑结构包含两个带法兰的铰座,铰座是由厚度为180、100、80 mm等规格的加厚板焊装成具有内部空间的箱体(先对接焊成4个片体,再加入

加强腹板焊成2个箱体),如图1所示;铰座法兰是两个外缘180 mm厚,内孔460 mm厚,内径1100 mm的法兰眼板(钢锻件),锻件放进铰座侧板开孔处,外缘与侧板对接焊成一体,如图2所示;焊装形成的这两个铰座根部与船体主结构连接,支撑整个铺管装备。整个铺管装备的重量约为4000 t,用两个轴与铰座连接,通过轴转动调节角度进行铺管作业。

为了使铰座满足承重能力,技术人员设计铰座时用了高强度的E级钢板^[1],属于焊接结构用高强度淬火回火钢,可在—40℃下达到所需的冲击韧性^[2],屈服 强度为460N/mm²;两个法兰眼板的材质为VLF600AW,是抗拉强度为600 N/mm²的合金钢;异种钢组合在一起的焊接接头除了要满足常规的机械性能(如拉伸强度、弯曲、夏比冲击、硬度)外,还要满足不易开裂的要求。

2焊接质量问题分析

2.1 冷裂纹

冷裂纹^[2]主要受材料特点、焊接应力集中、出现淬硬组织、氢脆因素的影响,对于VLF600AW和E460这种淬硬倾向大的钢材,在焊缝及热影响区易产生冷裂纹。冷裂纹有三种分布形式:焊缝内部裂纹、表面裂纹、横向裂纹,横向裂纹走向基本垂直于焊缝,有的横向截断整个焊缝并撕裂热影响区。

2.2 热裂纹

热裂纹^[2]是在焊接过程中高温阶段焊缝或热影响区开裂的现象,一般含镍、铬量高的钢、合金钢、奥氏体不锈钢焊缝对热裂纹比较敏感,热裂纹可分布在焊缝截面、热影响区、焊道层间或弧坑,部分开口热裂纹的断口有氧化色。E460板与VLF600AW锻件都属于合金钢母材,焊材选择不当容易出现热裂纹。产生热裂纹的主要原因是焊材中碳、硫、磷元素含量超标,局部区域材质偏析。

2.3层状撕裂^[2]

在法兰眼板与钢制轴筒连接的T型接头(图3)、侧板面板与腹板加强的T型接头(均为厚板全熔透角接)还应防止出现层状撕裂。层状撕裂是指焊接时,沿钢板轧制层形成开裂的一种裂纹,这种缺陷出现在接头的面板或热影响区,严重时会延伸到母材中,有些出现在焊趾处,比较常见的是在热影响区。当钢材轧制过程中存在片状夹杂物或夹层,就会大大削弱钢板Z向的抗拉性能;对于T型接头,焊接结束冷却过程中,面板板厚方向存在温差,焊缝冷却收缩时会在面板母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变,当应变超过面板Z向的抗拉韧性时,就会形成裂口,随着拉应力的增加,裂口尖端沿钢板轧制方向延伸形成层状撕裂。层状撕裂的产生是钢板片状缺陷、焊接应力不均匀、材质偏析和母材Z向性能低等因素互相作用的结果。

2.4焊接变形

精度控制是保证整个铰座监造质量的一个重要 指标,而焊接变形也是影响精度的主要因素之一。结构发生变形后虽然可以通过开刀或物理矫正等方法来修复,但如果变形太大对于180 mm厚的钢板而言也基本无法修复,即使修复了也很难再次满足结构精度要求。不仅如此,还会增加很大的返工成本,影响下道工序的按时施工,进一步造成监造周期延长,局部区域的修复还会增加焊缝的应力集中,严重可致裂。

3焊接质量问题的控制要点

3.1法兰眼板与铰座侧板的装配控制

严格按照图纸控制装配间隙^[3]及尺寸,不仅可以减少焊接收缩量,避免因应力集中产生裂纹,还可减少焊接变形。

3.1.1专用平台

为保证法兰眼板与整个铰座装配精度及焊后尺寸满足标准要求,应制作专用装焊平台(图4)。装焊平台的要求:应具有一定刚性,平台板厚度不小于15 mm,平面度不大于2 mm,普通材质钢板即可。

3.1.2铰座侧板装配

铰座侧板由80~100 mm不同厚度钢板焊接而成,焊前严格检查侧板的定位尺寸,图纸要求公差小于1 mm,并按图纸检查双面对接全焊透坡口的尺寸、角度、间隙。为减少对接焊产生的变形,还应将铰座侧板用马板与平台焊接固定。

3.1.3法兰眼板装配

铰座在专用平台上采取以外侧板为基面的侧装方式装配,先在装焊平台画出法兰眼板中心点的十字线、肋位线、甲板线,将外侧板在工装平台上定位,并按各定位线将侧板上结构装配到位、点焊固定;最后吊装铰座内侧板及法兰眼板上装焊平台装配固定。

法兰眼板的坡口设计:180 mm板与100mm板的对接焊缝接头坡口形式如图5所示;坡口的设计旨在减少母材的焊缝融合比,增大焊缝宽度与厚度之比,良好的接头形式有助于防止因应力导致的焊缝裂纹出现;对于T型接头,也可减少钢板的Z向应变,防止层状撕裂产生。

另外,肋位定位、甲板定位尺寸、两侧板间高度偏差、法兰眼板中心轴偏差、两侧板与中心轴垂直度偏差均应控制在标准要求的1 mm以内;法兰眼板定位时应保证边缘与侧板的平整度,定位焊以相同的角度均匀布置在眼板周围,还应以眼板轴心吊线的方法核实平台上提前画出的十字中心线(图6)。

3.2 选择正确的焊接顺序

根据铰座结构和法兰眼板焊缝截面过大的特点,考虑到使焊接应力得到有效释放并防止热输入不均匀导致结构变形,先焊铰座侧板内部非全焊透的角接缝,再焊铰座侧板内部全焊透的角接缝及对接缝,最后焊接法兰眼板周围一圈全熔透焊缝。分散、对称、退焊,每焊一焊道、焊层,均需测量铰座工作面和基准线变化状况,随时调整焊接部位,力求保证铰座工作面平面度和眼板轴心位置尺寸正确。焊接时应从根部打底,然后一层一层盖面,当完成一侧约1/3时,为防止变形应从反面焊接,每完成1/3厚度就应到另一侧焊接,直至完成整道焊缝。

3.3 预热、焊后热处理的控制

3.3.1坡口预热

预热^[1]是焊接前对被焊钢板的坡口及两侧一定范围内按照工艺进行加热的工艺措施,可以促进氢的扩散和逸出,减少淬硬组织的出现;可以减小焊缝焊后的冷却速度,还可以减少焊接应力及变形,是防止产生冷裂纹的有效措施。根据钢锻件及高强钢的板厚(180mm),预热温度要求较高,通常在120~230 ℃ ;测量预热温度时,红外线测温枪的红点要打在坡口及坡口两侧75 mm范围内,以保证整个焊接接头均匀加热到焊接工艺要求的温度;通常使用陶瓷履带片电加热法和火焰加热法。

3.3.2焊后保温

焊后热处理^[1]的主要作用是消除焊缝中的残余应力,降低焊缝和热影响区的硬度,提高塑性和韧性,进一步降低氢元素含量,有助于减少产生裂纹的可能。焊后保温温度和时间很关键,不可以过度。保温时间与材质、焊缝厚度有关,根据实践经验,厚度180 mm的高强钢,一般不低于0.5 h;温度达到200℃以上,氢在钢中大大活跃起来,消氢效果较好;后热温度的上限一般不超过马氏体转变终结温度,依据焊接工艺中后热温度250~275℃,冷却速度≤100℃/h来监控保温温度和时间。

3.4焊接变形控制

为了预防整个支撑铰座焊后变形,同时保证法兰眼板的平面度和轴心度不因焊接热输入变形,可采取如下措施。

3.4.1设计对称的焊接结构

选用对称截面的结构,比如X形坡口和K形坡口的设计以及内部加强结构均匀布置等,使焊接中形成对称轴,避免在焊接过程中出现扭曲或较大的弯曲变形。

3.4.2采用反变形措施

根据结构板厚及档距,在待焊接结构及平台上释放反变形量,可以在纵向每档肋距加放1 mm的焊接收缩量,横向每档肋距加放0.5 mm的焊接收缩量,这样能较好地抵消总尺寸的缩短,同时使整个铰座结构在焊接过程中能较好地采用反变形措施。

4焊缝无损检测创新

根据规范要求,整个基座所有焊缝均为全熔透焊缝,100%射线检测,但板厚为80~180 mm,300 kv 能量的X射线机只能穿透50 mm以下钢板,如用伽马源^[4]进行透照,长度300 mm的焊缝需透照2~3 h,不可行。通过多方研究,结合新技术相控阵超声波检测^[4](PhasedArray Ultrasonic Testing,PAUT)与常规X射线检测技术的优势对比(表1),最终选择采用 PAUT代替射线检测。

经过编码器校准、模拟试块缺陷对比、程序临时编写等大量准备工作之后,PAUT技术在铰座对接、角接接头中全面运用,尤其是在法兰眼板周围的圆形焊缝检测中发挥了关键作用,大大提升了焊接质量。此类圆形焊缝采用PAUT技术,船舶行业比较少见。

5 结束语

综上所述,为保证铰座的焊接质量,需从以下几个要点进行控制:装配质量、焊接顺序、预热、焊后热处理、焊接变形控制、无损检测技术。上述措施的应用在海洋铺管船铺管装备支撑铰座制作过程中效果明显,实现了99.5%的一次探伤合格率,无裂纹等严重缺陷出现,整体精度、法兰眼板端面平面度、轴孔同心度均达到工艺要求,为整条船的建造质量和建造周期提供了保障。本文的研究可为高端海工装备的建造提供参考,助推海工产业发展。

[参考文献]

[1] 中国船级社.材料与焊接规范[S].

[2] 陈保国.金属材料焊接工艺[M].北京:机械工业出版社, 2021.

[3] 中国造船质量标准:GB/T 34000—2016[S].

[4]船舶焊接检验指南:GD04—2017[S].

2025年第3期第22篇