王品毅

辽河石油勘探局油田建设工程二公司，辽宁盘锦 124012

0 引言

随着我国海洋石油开发的不断发展，海洋平台用钢的需求量不断扩大，E36钢作为我国最主要的船用结构钢，具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂及耐海水腐蚀等优良性能，已被广泛应用于海洋平台结构的建造。焊接是平台建造的关键技术，焊接接头性能的好坏直接影响整个平台的质量。因此，本文对E36钢的焊接工艺进行了研究，并进行了接头力学性能试验和残余应力测试，以便为保证平台结构质量、安全服役提供技术指导。

1 焊接工艺试验

1.1 E36钢的可焊性分析

E36钢为含有微量合金元素Nb和V的低合金高强结构钢[1]。研究表明，微量合金元素Nb和V在钢中可以起到强化和韧化作用。E36钢的化学成分及力学性能分别如表1和表2所示。

表1 E36钢化学成分/（×10-3%）

表2 E36钢力学性能

国际焊接学会（IIW）和国际船级社协会（IACS）的碳当量计算公式为：

式中的C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素的质量分数（%）。

由计算结果可知，E36钢碳当量（0.432%） 较高，淬硬倾向大，焊接性较差，对焊接氢致裂纹的敏感性较高，因此，在环境温度不高的情况下施焊时必须预热。

坡口的确定原则是既要保证充分的熔透，又要尽可能减少熔敷量，并力求使接头变形为最小。根据工程实际情况，考虑到平台建造过程中管节点的各种连接形式，设计了如图1所示的坡口型式。

图1 坡口型式

为了保证焊接接头的强度、韧性、塑性等力学性能与母材相匹配，在选择焊接材料时应从母材的力学性能出发，而不是从化学成分出发选择与母材成分完全一样的焊接材料。本试验选用LB-52U打底，CHE58-1填充，TWE-711Ni填充、盖面。

1.2 焊接方法及工艺规范

焊接工艺试验用试板尺寸为400mm×400mm×40 mm，焊接方法采用手工电弧焊（SMAW）打底，药芯焊丝气体保护焊（FCAW-G）填充、盖面[2]。

焊前要预热100～150℃，层间温度控制在100～200℃之间。预热范围是在焊道所有方向上不得小于焊件最大厚度值，且至少为75mm。当母材温度低于0℃时，预热温度至少为210℃。加热方法必须保证能将母材预热透彻。焊接区域两边至少15 mm范围内应通过打磨或其他适当的方法清理干净。当焊完一层后，应用钢丝刷和角向磨光机清理焊道表面，而后才能进行下一层焊接，注意合理运条，防止在层间边缘出现未熔合、咬边、气孔等缺陷。

按照上述方法及有关规范规定，分别开展了板试件1G位置和管试件6G位置的焊接工艺试验研究，得到了典型的焊接工艺参数，见表3。

2 力学性能试验

试件全部焊接完成后，进行了X射线和超声波探伤，焊缝探伤结果均达到标准要求，之后进行了力学性能试验。焊接工艺评定中的力学性能试验包括拉伸、弯曲、缺口冲击和表面硬度等[3]。在SHT5106-P微机控制电流伺服万能试验机上进行了拉伸、弯曲试验，冲击试验在ZBC2602-C低温冲击试验机上进行。焊接接头试验的取样、加工及试验方法均按美国焊接协会AWSD1.1标准进行[4]。

2.1 弯曲试验

根据AWSD1.1标准的要求进行侧弯试验，弯曲角为180°。试验结果如表4所示。

试验结果表明，试样侧弯试验结果符合AWSD1.1标准中的规定，即单一裂纹长度小于3mm，裂纹长度总和小于10mm。

2.2 拉伸试验

焊接接头拉伸试验结果见表5。断裂位置均在母材，试验结果符合AWSD1.1标准的要求。

表4 焊接接头弯曲试验结果

表5 焊接接头拉伸试验结果

2.3 冲击试验

冲击试样缺口位置按AWSD1.1要求分别开在焊缝中心、距熔合区1mm和距熔合区5mm处，试样缺口轴线垂直焊缝表面，冲击试验温度为-40℃[5-6]。板试样试验后照片如图2所示。试验结果如表6所示，冲击试验结果符合AWSD1.1标准的要求。

图2 板试样焊接接头冲击照片

表6 对接焊接接头冲击试验结果

2.4 硬度试验

板材和管材各取两件进行测试。对接接头硬度测试点位置如图3所示，限于篇幅的原因，本文仅列出板试样的维氏硬度试验结果，如表7所示。

图3 对接接头硬度测试点位置

试验结果表明，HV10值均小于280，硬度试验符合AWSD1.1标准的要求。

表7 对接接头维氏硬度试验结果（HV10）

2.5 宏观腐蚀试验

焊接接头试样的宏观腐蚀照片见图4，宏观腐蚀试验结果表明：试样编号1～4的样品，其对接接头焊缝均无缺陷。

图4 3号试样的宏观腐蚀照片

3 残余应力测试

试件焊接完成后，采用X射线衍射法对试件的焊后残余应力进行了测试。使用的设备是日本理学X射线应力仪（MSF-3M）。由于试件中心线和焊缝中心对称，只测量了1/4位置，测试结果如图5和图6所示。

图5 沿着焊缝方向的残余应力分布

图6 垂直于焊缝方向的残余应力分布

从图中可以看出，无论是沿着焊缝方向还是垂直于焊缝方向，纵向残余应力在焊缝附近均为压应力；而在远离焊缝的位置，沿着焊缝方向的应力仍保持压应力，垂直于焊缝方向变为拉应力。压应力有利于提高焊缝的抗疲劳性能和抗腐蚀性能，因此，选择的焊接工艺方法在焊缝及附近区域形成了压应力分布，这对提高结构的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能是有益的。

[1]刘年富，何矿年，李桦，等.E36级海洋平台用钢的试制[J].钢铁，2011，46（5）：97-100.

[2]刘光云，任爱珍，吕向阳，等.EH36钢的焊接工艺[J].焊接技术，2007，36（2）：35-36.

[3]王建利.高强钢的焊接工艺评定[J].云南水力发电，2007，23（2）：111-114.

[4]AWSD1.1/D1.1M:2008，Structural Welding Code-Steel[S].

[5]曲占元.埋弧焊线能量对船用E36钢焊缝低温冲击韧性的影响[J].材料开发与应用，2010，25（4）：7-9.

[6]张建护，唐德渝，冯标，等.海洋平台导管架桩管自动焊工艺及应用[J].石油工程建设，2011，（3）：21-24.