張 林， 包 孔*， 葛辰宇， 沈 波， 賈晨程

1. 上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125 2. 上海海工裝備智能焊接制造工程技術(shù)研究中心，上海 200125

0 引言

近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋工程及鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)迎來了發(fā)展的好時機(jī)。鉆井平臺、鋪管船、風(fēng)電安裝船等得益于資本密集型和技術(shù)密集型的壁壘特點，為海工行業(yè)所追崇青睞［1-2］。毋庸置疑，海工裝備的安全性和可靠性關(guān)乎操作者的生命安全和業(yè)主的財產(chǎn)安全；離岸鋼結(jié)構(gòu)的全壽命周期的運(yùn)維成本，因此也越來越受到業(yè)主、船級社、制造企業(yè)等全行業(yè)的重視。

海上裝備離岸鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制技術(shù)，尤其是超厚板結(jié)構(gòu)的裝配、焊接與變形控制技術(shù)等，在設(shè)計、選材、制造、海上施工、維保任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，帶來的后果都不堪設(shè)想。本文結(jié)合某海上鉆井平臺樁腿焊接結(jié)構(gòu)（以下簡稱，本項目）的檢測以及原因分析，為此類項目提供借鑒作用。

1 背景

根據(jù)ABS船級社的規(guī)范要求，海上鉆井平臺每五年需要進(jìn)行一次特檢，第一個五年以水下結(jié)構(gòu)的檢查為主。按照ABS 最新規(guī)范和驗船師批準(zhǔn)的驗船計劃，先對本項目樁腿進(jìn)行可視檢查，對船艏樁舷管與樁靴連接部位全面清潔后進(jìn)行焊縫可視檢查，全面清潔指定區(qū)域后，在齒條與加強(qiáng)板連接處發(fā)現(xiàn)2處裂紋，張口裂紋最寬約為4 mm。

按照要求，接下來進(jìn)行交流電磁場檢測技術(shù)（Alternating current field measurement，ACFM）探傷檢查。ACFM 探傷檢查是一種新型的無損檢測和診斷技術(shù)，用于檢測金屬構(gòu)件表面和近表面的裂紋缺陷，可以測量裂紋長度和計算裂紋深度，具有非接觸測量、受工件表面影響小的特點［3-4］。ACFM 探傷檢查發(fā)現(xiàn)，在艏樁舷管與樁靴的連接部位，A舷管靠B舷管側(cè)豎直方向與加強(qiáng)板連接處發(fā)現(xiàn)多處間斷裂紋，長度分別約為1.0 m，如圖1所示。之后在其他樁腿的舷管裂紋位置進(jìn)行ACFM探傷檢查，同樣發(fā)現(xiàn)不同程度的開口裂紋。

圖1 水下ACFM探傷檢查發(fā)現(xiàn)的裂紋Fig.1 Cracks found by underwater ACFM inspection

從初步的開裂情形判斷，亟需將本平臺拖至滿足樁靴收回要求的船塢進(jìn)行探傷和定損，開展進(jìn)一步的原因分析和修復(fù)工作。

2 初步原因排查

海上鉆井平臺的工作條件非常惡劣，且受到不同工況條件的耦合作用。分析上述裂紋產(chǎn)生的原因，有利于查找設(shè)計、材料、建造和海上施工與維保等方面的缺點與不足，避免后續(xù)進(jìn)一步的損失。

2.1 設(shè)計與選材不當(dāng)

海洋環(huán)境主要體現(xiàn)在以下方面：（1）海水中鹽成分較高，水面空氣中濕度高，對海洋鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性較大；（2）波浪對海洋結(jié)構(gòu)的破壞，特別是在一些特定海域，巨大的風(fēng)浪對海洋結(jié)構(gòu)的使用有巨大的考驗［5］；（3）洋流、臺風(fēng)等復(fù)雜環(huán)境對海洋結(jié)構(gòu)的材料和制造有著更高要求。

采用船級社認(rèn)可的設(shè)計結(jié)構(gòu)，該成熟工藝的結(jié)構(gòu)形式和選材幾十年來廣泛應(yīng)用于海工產(chǎn)品中，已經(jīng)過各種海域和海況檢驗。從開裂形貌綜合研判，偶然開裂事件的概率比較低。

2.2 設(shè)備操作不當(dāng)

由于平臺作業(yè)需要專業(yè)人員參與，租賃公司有可能沒有配備合格的專業(yè)人員，在拔樁和插樁操作中存在失誤，從而導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)受損，引發(fā)樁腿裂紋。經(jīng)下載并核查平臺操作的歷史數(shù)據(jù)，本項目租賃公司在平臺移動過程中從數(shù)據(jù)角度并沒有發(fā)現(xiàn)不規(guī)范的情況。從開裂形貌綜合研判，不能排除操作過程外力導(dǎo)致樁腿受損的情形，需進(jìn)一步驗證。

2.3 焊接施工過程不規(guī)范

通過初步探傷結(jié)果來看，平臺樁腿部位的裂紋數(shù)量較多、裂紋較長也較深，出現(xiàn)這樣的開裂狀況較為少見。在當(dāng)時建造期間是否存在焊接過程不規(guī)范，需要進(jìn)一步檢驗檢測數(shù)據(jù)，為后期原因分析和修復(fù)提供技術(shù)支持。

3 重點部位探傷

項目進(jìn)塢后，采用高壓水對樁靴和焊縫200 mm范圍內(nèi)進(jìn)行了清洗，樁靴底部有不同程度的損傷，如圖2所示，樁靴的淤泥有受損墜落的吊鉤，說明平臺操作過程條件比較惡劣。從清洗后的開裂部位來看，裂縫基本位于齒條板與大立板焊縫的熱影響區(qū)，并向長度和深度方向延展，如圖3所示。

圖2 樁靴底部受損情況Fig.2 Bottom of the pile shoe is damaged

采用相控陣超聲波檢測（PAUT）進(jìn)行全面探傷，PAUT可以從搜索單元改變聲束角度，并捕獲電子數(shù)據(jù)用于存檔，利用這些數(shù)據(jù)能得出關(guān)鍵結(jié)論［6-7］。通過PAUT 結(jié)合常規(guī)UT 的測深技術(shù)，較全面地展現(xiàn)了齒條板與大立板焊縫及母材的裂紋形貌，為下一步的原因分析和修復(fù)提供了數(shù)據(jù)支撐。

4 取樣及檢測

現(xiàn)場按圖4所示截取了試樣送實驗室進(jìn)行進(jìn)一步的檢測。

實驗室對焊件樣品進(jìn)行目視檢查和磁粉檢查（MPI），提取疑似開裂區(qū)域，使用體式顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合X射線能譜（EDS）方式進(jìn)行斷口檢測；對樁腿材料和焊縫金屬進(jìn)行了化學(xué)和硬度檢測。

4.1 外觀檢查

仔細(xì)檢查試件發(fā)現(xiàn)，在焊縫焊趾部位/周圍有一些微弱的線性跡象，如圖5 中箭頭所示。為了識別上述的線性指示，對焊縫及周邊進(jìn)行清潔和輕微拋光，用磁粉檢測（MPI）對已去除表面沉積物/污染物的焊接區(qū)域/周圍進(jìn)行探傷，如圖6所示，磁粉檢測清晰地顯示，裂紋主要位于焊縫焊趾部位/附近。磁粉檢測顯示橫向切割面上顯示出一條向下延伸的裂紋，裂紋深度約為15 mm，如圖7所示。

圖5 近距離視圖顯示焊縫處/周圍有微弱的裂紋跡象Fig.5 A close view shows weak signs of cracking at/around the weld

圖7 磁粉檢測后，樣品的橫向切片上清晰地顯示出一條向下延伸的裂紋Fig.7 After MPI， the transverse section of the sample clearly showed a downward extending crack

4.2 斷口形貌

裂紋沿焊趾縱向延伸，外觀相似，整個裂紋長度較長。隨機(jī)選擇三個位置，將樣品進(jìn)一步切割成更小的塊，并從每段焊縫中提取厚度約為10 mm的焊件切片進(jìn)行金相檢查，如圖8所示。

切片斷面裂紋如圖9所示。裂紋表面經(jīng)歷了開裂后的腐蝕生銹，存在紅褐色沉積物，裂紋似乎起源于焊縫的趾部區(qū)域，并向內(nèi)擴(kuò)展到焊縫金屬下方的齒條板材料，斷面上的裂紋表面通常具有粗糙的外觀特征，帶有徑向標(biāo)記，從焊趾區(qū)域向齒條板材料（裂紋尖端）發(fā)散。與裂紋表面的其他區(qū)域相比，裂紋尖端的顏色相對較暗或呈現(xiàn)深棕色。

圖9 切片斷面裂縫表面照片F(xiàn)ig.9 Photo of the surface of a slit slit opened in the lab

選取1 個斷面的裂紋表面宏觀特征為代表，采用體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合能譜儀（EDS）進(jìn)行詳細(xì)分析。切片清洗后的裂紋表面如圖10所示，徑向標(biāo)記的存在表明裂紋沿焊趾起裂后在齒條板材料中迅速擴(kuò)展，在“清理”的裂紋表面上清楚地顯示出來，如圖5 中黃色箭頭所示。裂紋尖端通常顏色較深，通過能譜分析裂紋尖端存在高水平的氧（O）和鐵（Fe），表明表面裂紋在開裂過程中或開裂后發(fā)生了腐蝕或氧化。

圖10 裂紋表面超聲清洗的形貌Fig.10 Ultrasonic cleaning morphology of crack surface

焊趾處裂紋表面（或裂紋起始點）的典型形貌SEM顯微圖如圖11所示?？梢钥闯?，這條裂縫本質(zhì)上是比較脆的，在靠近起始點或起始點裂紋表面的某些區(qū)域觀察到一些模糊的晶間面跡象（如圖11中黃色箭頭所示）；未觀察到明顯的焊接缺陷、腐蝕坑或其他表面缺陷，這些缺陷可能導(dǎo)致焊趾處/周圍的裂紋萌生。研究發(fā)現(xiàn)，斷裂的主要特征裂紋擴(kuò)展面為沿晶面，并伴有一些二次裂紋，即裂紋在齒條板材料中主要發(fā)生脆性沿晶斷裂。

圖11 SEM顯微照片顯示了焊趾處裂紋表面的典型形貌Fig.11 SEM micrographs showed the typical morphology of the crack surface at the weld toe

4.3 化學(xué)成分分析

從焊件樣品中提取一塊齒條板材料，齒條板材質(zhì)為177.8 mm 厚的DILLIMAX 690E 調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，使用光學(xué)發(fā)射光譜（OES）對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分如表1所示，經(jīng)計算，齒條板材料的碳當(dāng)量（CEV）約為0.69，低于厚度為150～200 mm的690級鋼板的最大通用要求0.78，盡管材料化學(xué)成分符合規(guī)范要求，但其焊接性較差，容易產(chǎn)生冷裂紋，焊接時要嚴(yán)格按照評定的焊接工藝進(jìn)行施工，焊接材料選用的是奧林康TENACITO 65R焊條（低氫型），焊前預(yù)熱及道間溫度保持在150～230 ℃范圍內(nèi)，后熱溫度范圍為280±20 ℃，保溫時間不少于2 h。

表1 齒條板材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of rack material（wt.%）

4.4 金相檢驗

根據(jù)ASTM E3，采用常規(guī)金相法對截面進(jìn)行研磨和拋光，研磨和拋光截面后使用2%硝酸溶液進(jìn)行化學(xué)蝕刻，并使用立體顯微鏡和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢查，如圖12所示，裂紋起源于焊縫的焊趾部位。

圖12 切片剖面圖Fig.12 Slice profile

在立體顯微鏡下仔細(xì)觀察，裂紋主要是從熱影響區(qū)開始的，尖端處裂紋的典型形貌如圖13所示，裂紋在外觀上呈鋸齒狀，表明是脆性開裂［8-11］。

圖13 體視顯微鏡下裂紋尖端形貌Fig.13 Crack tip morphology under stereo microscope

4.5 硬度檢測

按照ASTM A370 對3 個切片在靠近和遠(yuǎn)離裂紋的不同位置進(jìn)行維氏硬度測量，硬度測量位置如圖14所示，測量結(jié)果如表2所示（其中，H 代表熱影響區(qū)，W代表焊縫金屬，B代表遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的齒條板母材區(qū)域）。硬度測量結(jié)果表明，位于HAZ 內(nèi)裂紋附近的硬度值較高，硬度值基本都在400 HV5以上，硬度最高值達(dá)到451 HV5，超過了規(guī)定允許的范圍。

表2 維氏硬度測量（HV5）Table 2 Vickers hardness measurement（HV5）

圖14 硬度測量位置Fig.14 Hardness measurement location map

4.6 失效分析

現(xiàn)場取樣實驗室分析結(jié)果表明，裂紋主要是齒條板材料的脆性晶間裂紋，裂紋從齒條板和加強(qiáng)板之間焊縫趾部位（熱影響區(qū)）的多個位置開始，裂紋隨后在齒條板中擴(kuò)展，在焊縫金屬下方的擴(kuò)展深度約為15 mm。

金相檢驗證實裂紋起源于齒條板的粗晶粒熱影響區(qū)（CGHAZ）或細(xì)晶粒熱影響區(qū)（FGHAZ），主要為馬氏體組織或貝氏體和馬氏體混合組織；硬度測量結(jié)果也證明了這一點，結(jié)果表明，在焊趾開裂區(qū)域附近的CGHAZ 和FGHAZ 均存在較高的硬度（大于400 HV5），裂紋擴(kuò)展可能是由擴(kuò)散氫的遷移輔助造成的。這種情況可以發(fā)生在高碳當(dāng)量（CEV=0.69）鋼上，形成熱影響區(qū)的馬氏體或馬氏體與貝氏體混合組織，特別是局部區(qū)域（如硬度高于420 HV5）馬氏體完全轉(zhuǎn)變，即使擴(kuò)散氫濃度相對較低（低于5 mL/100 g）。

在形成馬氏體或馬氏體和貝氏體混合組織（硬度高），以及MPI 檢測到的延遲趾裂存在的證據(jù)強(qiáng)烈表明，由于形成不利的脆性組織（即馬氏體或馬氏體和貝氏體混合組織），母材（齒條板）的高焊接殘余應(yīng)力和焊縫結(jié)構(gòu)的高拘束度，以及擴(kuò)散氫可能遷移到焊趾熱影響區(qū)，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)遭受了延遲冷裂，從焊趾熱影響區(qū)周圍開始起裂。

5 結(jié)論

對海上超厚板高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)開裂的現(xiàn)象，進(jìn)行了開裂原因排查分析、斷裂部位取樣檢測分析。得出結(jié)論：

（1）對于樁腿關(guān)鍵且復(fù)雜部位焊縫缺陷的檢驗檢測，采用相控陣超聲檢測技術(shù)檢測復(fù)雜工件，相比常規(guī)超聲波檢驗檢測，可以將缺陷直觀地顯示出來，而且檢測的靈敏度、分辨率及檢測效率更高，檢測的速度更快。

（2）結(jié)構(gòu)斷裂部位的實驗室取樣檢測分析，發(fā)現(xiàn)在焊縫焊趾區(qū)域及周圍的熱影響區(qū)形成了淬硬顯微組織和高硬度，結(jié)合厚板齒條鋼在制造期間高的接頭約束度，以及擴(kuò)散氫向熱影響區(qū)遷移是造成齒條板焊趾開裂的主要原因，得出齒條板和大立板焊接接頭在齒條板側(cè)焊縫焊趾處發(fā)生了延遲冷裂紋。

（3）延遲冷裂紋是厚板高強(qiáng)度鋼焊接的重要風(fēng)險防控點，相關(guān)產(chǎn)品修復(fù)及制作需要針對具體結(jié)構(gòu)和工況，從焊接材料、焊接工藝工法及焊接過程控制等方面科學(xué)系統(tǒng)制定高強(qiáng)度鋼裂紋焊接返修工藝方案和焊接管控措施，用以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

本項目結(jié)合上述原因分析結(jié)果，制定詳細(xì)的修復(fù)方案、成功修復(fù)并交付最終用戶。