伴隨企業(yè)制造能力的增強(qiáng)，海洋裝備的性能與品質(zhì)不斷提升，對特種鋼材的需求正在逐漸增大，特種鋼材的加工也就自然成為海洋裝備制造企業(yè)面臨的一大難題。為此，本期產(chǎn)業(yè)論壇特別邀請了來自海洋裝備制造企業(yè)，主要從事焊接與切割的專業(yè)技術(shù)人員，分享特種鋼材的焊接與切割經(jīng)驗。

招商局重工有限公司 陳淑梅

深圳赤灣勝寶旺工程有限公司 賈義庚

江蘇金陵船廠設(shè)計公司 吉春正

海洋裝備用特種鋼材及其性能特點

陳淑梅：伴隨我國海洋裝備制造能力的日益增強(qiáng)，產(chǎn)品檔次不斷提升，不少海工裝備制造企業(yè)目前已對超高強(qiáng)度鋼、耐腐蝕鋼、殷瓦鋼、雙相不銹鋼、抗Z向沖擊鋼，以及水面和海底海工裝備所需等一系列特種鋼材產(chǎn)生了一定需求。

目前，我公司在建的各類型自升式鉆井平臺共有18座，包括CJ46.CJ50，JU2000E等一系列產(chǎn)品。由于海洋環(huán)境條件具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和多樣性的特點，而且平臺的樁腿部分要在波浪、海潮、風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴(yán)峻的海洋工作環(huán)境中，支撐重量上千噸的平臺和鉆井設(shè)備，保證遠(yuǎn)離陸地的操作人員的生存條件和安全，所以對材料性能和焊接制造要求非常苛刻。為了減輕海洋工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，同時又增加結(jié)構(gòu)整體的安全性，采用材料的強(qiáng)度級別也越來越高?，F(xiàn)在我公司在建平臺樁腿上齒條板和主弦管大多采用屈服強(qiáng)度≥690MPa的超高強(qiáng)鋼，抗拉強(qiáng)度在770~940MPa之間，伸長率≥14%，橫向沖擊吸收能量在-40℃條件下≥47J，通常是調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，且齒條板厚度往往≥150mm；高壓泥漿管線用到4130等級的合金管，應(yīng)符合ASTM—A519去應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能要求，即屈服強(qiáng)度≥585MPa，抗拉強(qiáng)度≥724MPa，伸長率≥10%，硬度≤95HRB。

張劍利：近年來，我國海洋裝備發(fā)展迅速，已經(jīng)成功設(shè)計和建造了浮式生產(chǎn)儲卸裝置、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺以及深水起重鋪管船等多種海洋工程船舶。在這些裝備的制造中，高強(qiáng)鋼、雙相不銹鋼、復(fù)合管、鎳基合金等特種鋼材都得到了廣泛的應(yīng)用。

在有高耐腐蝕要求的油氣管線中，雙相不銹鋼得到廣泛應(yīng)用。雙相不銹鋼由各約占50%的奧氏體相和鐵素體相組成，它在一定程度上兼有奧氏體與鐵素體鋼的特性。奧氏體相的存在，降低了高鉻鐵素體不銹鋼的脆性，防止了晶粒長大傾向，提高了韌性和焊接性；鐵素體相的存在，提高了奧氏體不銹鋼的室溫強(qiáng)度，尤其是屈服強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，降低線膨脹系數(shù)和焊接熱裂傾向，同時大大提高了鋼的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，還改善了耐點蝕性能。但由于兩相的存在，也帶來了某些缺點，因鐵素體含量較高，保留了高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向。因鐵素體和奧氏體相的變形能力不同，故冷熱加工性能也較差。

此外，高腐蝕性油氣輸送普遍采用耐蝕合金管道，然而，普通耐蝕管材中用作抗腐蝕的部分僅占1/3左右，其余部分用作結(jié)構(gòu)支撐，造成了資源的極大浪費。為滿足油氣管道的耐腐蝕性能并兼顧成本，雙金屬復(fù)合管應(yīng)運(yùn)而生。雙金屬復(fù)合管襯管采用薄壁耐蝕合金材料，可根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境選用相應(yīng)的材料（不銹鋼、鎳基合金等），以保證良好的耐腐蝕性能；基管采用碳鋼或其他合金鋼保證優(yōu)異的力學(xué)性能。雙金屬復(fù)合管從根本上改變了傳統(tǒng)金屬管道的單一性和局限性。

賈義庚：在海洋工程領(lǐng)域，制管的應(yīng)用很普遍。但由于鋼材本身的強(qiáng)度、厚度不斷增加，卷管的難度也一直增加。這尤其對卷管機(jī)的軸提出了更高的要求，包括高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性及高抗疲勞性等。目前卷管機(jī)軸應(yīng)用最廣泛的材料就是42CrMo, 調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨。42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，抗拉強(qiáng)度≥1080MPa，屈服強(qiáng)度≥930MPa，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。

吉春正：海洋工程用鋼主要種類可分為：海洋平臺、海洋風(fēng)力發(fā)電以及海底油氣管線用鋼等三類。

海洋平臺處在復(fù)雜、多變的海上，應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，要考慮到風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、地震載荷等影響。這些特性要求海洋平臺用鋼擁有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、厚規(guī)格、耐腐蝕、抗層狀撕裂，以及焊接性良好；在冶金質(zhì)量上要求采取低磷、低硫、低夾雜及細(xì)化晶粒等控制措施。

海洋裝備用特種鋼材的焊接與切割難點

陳淑梅：基于海洋裝備用特種鋼材的特殊性能，也使其加工難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鋼材。下面以我公司承接項目中涉及到的特種鋼材為例，說明其焊接難點。

我公司承接新加坡BestFord OFFshore的 6條CJ—46鉆井船所用的樁腿材料：主弦管為A514—F，齒條為JFE—HITEN 780M—MOD—T，都屬于ABS EQ70系列的超高強(qiáng)鋼，加工過程中難點主要包括：①齒條接長對接厚度150mm，且焊接接頭為全熔透，焊接填充量大，內(nèi)應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋。②焊件厚，并處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)，預(yù)熱層間溫度要求高，預(yù)熱溫度為150℃，且注意加熱均勻并控制加熱冷卻速率。③焊接變形較難矯正，為了保證調(diào)質(zhì)鋼的性能，熱矯正溫度不能太高并控制速率，火焰矯正常常需配合機(jī)械矯正。④焊后要立即進(jìn)行消氫處理。

而高壓泥漿系統(tǒng)用的4130管，主要難點是保證焊后力學(xué)性能及防應(yīng)力腐蝕性能良好，只有通過嚴(yán)格的焊后熱處理，才可保證以上性能，特別是焊縫及熱影響區(qū)的硬度要求。因為常常為了降低硬度不得不進(jìn)行較長時間的熱處理，而熱處理又會影響到母材的整體性能，所以熱處理保溫時間和保溫溫度是重要的因素，需通過焊接工藝評定來確定。

張劍利：我公司鉆井船齒條使用的S690鋼是最小屈服強(qiáng)度為690MPa的低合金超高強(qiáng)度鋼，它是低碳調(diào)質(zhì)鋼的一種。在焊接時要注意馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度不能太快，使生成的馬氏體進(jìn)行“自回火”處理，以防止冷裂紋；合理控制熱輸入和預(yù)熱溫度，使獲得最佳的800~500℃之間的冷卻速度，提高熱影響區(qū)韌性。因此確定焊前合適的預(yù)熱溫度，嚴(yán)格控制熱輸入及最大層間溫度，焊后保溫緩冷是S690鋼焊接的關(guān)鍵。

實際焊接中，需保證：①預(yù)熱溫度至少150℃，最大層間溫度200℃。②焊條電弧焊熱輸入控制在1.0~2.5kJ/mm，氣體保護(hù)焊熱輸入控制在0.9~1.5kJ/mm。③焊接結(jié)束后，采用電阻加熱器在焊縫兩側(cè)各150mm的范圍內(nèi)進(jìn)行后熱處理，溫度控制在200~300℃，保溫2h，以減小焊接接頭的擴(kuò)散氫含量，并改善焊接接頭的綜合性能。④焊接過程中要注意焊道的布置，由坡口的兩邊向中間焊接，蓋面焊道采用回火焊道。

同時，由于S690本身的高碳當(dāng)量，在使用火焰切割時，需要先用電加熱片進(jìn)行加熱，然后才能進(jìn)行切割作業(yè)，以防止切口處發(fā)生淬硬或產(chǎn)生裂紋。切割時，為保證預(yù)熱溫度，距離切割處一定長度的未切鋼板上的電加熱器要繼續(xù)放置不能撤離，電加熱器的撤離要根據(jù)切割所進(jìn)行到的位置，按區(qū)域順序成批地進(jìn)行。對于切割完畢的切割路線，要使用保溫棉進(jìn)行保溫緩冷。

賈義庚：在卷管過程中，由于卷管軸存在截面突變，導(dǎo)致軸的斷裂破壞時有發(fā)生。在這種情況下，一般都要采取焊接修復(fù)的手段重新利用。但42CrMo的高碳當(dāng)量造成了它在焊接時易產(chǎn)生冷裂紋，并且隨著軸徑的增大，焊接難度增大。此外，焊材的選擇、層間溫度的控制、污染物的清洗也是焊接中必須面對的難題。

針對以上焊接難點，在焊接42CrMo過程中需注意以下要點：①由于軸的抗拉強(qiáng)度＞1000MPa，故焊材的選擇宜采用低匹配原則，適當(dāng)犧牲部分強(qiáng)度，提高韌性。②選用超低氫焊材。因為此類材料的冷裂傾向比較嚴(yán)重，必須控制氫的來源，超低氫焊材是必然的選擇。③焊前預(yù)熱。因為預(yù)熱能夠較大程度的降低冷卻速度和有益于擴(kuò)散氫的溢出，對預(yù)防冷裂紋是十分必要的。預(yù)熱溫度至少要提高到250℃，并且加熱速度要緩慢，不能造成外熱內(nèi)冷的假象。④焊接過程中，采用對稱焊接，最大程度的減小殘余應(yīng)力。⑤焊后熱處理。焊接完成后，立即采取焊后熱處理。溫度約650℃保溫5h，延長擴(kuò)散氫的逸出，然后緩冷至室溫。

海洋裝備用特種鋼材對焊接設(shè)備與材料、切割設(shè)備的需求

陳淑梅：超高強(qiáng)度鋼由于焊接困難，焊接過程中需預(yù)熱、后熱及打磨等工序，自動化程度不高，效率低。如何提高焊接的自動化程度，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，是目前企業(yè)關(guān)注的主要問題。大力發(fā)展機(jī)器人等智能焊接，已成為目前提高節(jié)能減排、降本增效的一個新發(fā)展方向，這樣對焊材也提出了更高的要求，特別是MIG、MAG焊絲，要求性能穩(wěn)定，送絲順暢均勻。目前國內(nèi)焊材仍有待于提高，特別在超高強(qiáng)的焊接方面，仍無法取代進(jìn)口焊材。

吉春正：在海洋工程制造中常會采用大厚度（177.8 mm）低合金高強(qiáng)度鋼板（如Dillimax690E）作為平臺升降齒條鋼，該鋼經(jīng)切割后可直接應(yīng)用于升降齒條無需再加工，該齒條有CJ46、JU200E 兩種規(guī)格，為此對切割技術(shù)提出了極高的要求。

首先切割的火焰必須要長，其切割嘴的風(fēng)線要高速、高壓，這樣才能切出光潔的斷面；在切割中還要防止鋼板變形，可以采用雙頭對稱的切割技術(shù)，大厚度鋼板切割時首先要預(yù)先考慮增大進(jìn)氣管直徑，選用專用減壓器割鋸，采用大罐液氧作為助燃和切割氣體，在選用丙烷和氧氣切割時要適當(dāng)降低切割速度，最好在切割前對大厚度鋼板進(jìn)行預(yù)熱，以便清除鋼板表面水分進(jìn)一步提高切割質(zhì)量，切割的中心焰要調(diào)節(jié)切割氧的壓力為0.6MPa，丙烷壓力為0.06 MPa。

海洋平臺用鋼的焊接方法主要有焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊和藥芯焊絲氣體保護(hù)焊等，部分使用埋弧焊。對于焊接材料的選擇，要求焊縫金屬力學(xué)性能應(yīng)接近母材性能，一般采用“等強(qiáng)匹配”。但是對于一些大厚度，強(qiáng)度級別更高的海洋平臺用鋼，往往會采用“低強(qiáng)匹配”。在不影響其整體力學(xué)性能的情況下，通過犧牲一定的強(qiáng)度，來獲得比較好的焊縫韌性。