[发明专利]一种超高强海洋结构用钢板F460Z埋弧焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁材料焊接领域，特别是涉及一种超高强海洋结构用钢埋弧焊焊接方法。

背景技术

随着我国海洋石油及天然气开发步伐向深海的不断迈进，大型海洋采油平台得到了迅速发展，对海洋采油平台用钢的规格及强度韧性要求越来越高，传统钢材已经不能满足这种要求，采用高强度高韧性的钢材势在必行。海洋采油平台在开发油气田工程中起着支撑所有设备及井架的作用，属于持续承受重压的大型构件，其重要性不言而喻。同时，海洋采油平台的工作条件也很苛刻，服役时间跨越四季，工作环境温差变化较大，在冬季更要经受低温的考验。随着钢材强度的提高，对钢材的焊接质量要求也随之提高，焊接是海洋结构用钢必需经历的一个重要的工艺过程，焊接接头是海洋结构的重要组成部分，其质量直接影响到海洋结构的使用安全可靠性。如果采油平台的焊接质量不过关，其后果不堪设想。要获得质量良好的焊接接头，必须解决高强度海洋结构的焊接关键技术。

为适应大型海洋结构建造需要及改善焊接性能，南京钢铁联合公司采用Nb和Ti等多元（微）合金化技术，大幅度降低碳含量，并借助于控轧控冷技术，利用细化晶粒强化、位错强化、析出强化和相变强化效果，研发生产的超高强海洋结构用钢板F460Z，实物水平抗拉强度Rm为630MPa，屈服强度ReH为500MPa，－60℃冲击功AKv达到285J，使钢达到极佳的强韧性匹配。

由于采用多元（微）合金化技术，F460Z的碳含量为0.06%，碳当量Ceq为0.42%，焊接氢致裂纹敏感性及焊接热影响区的性能恶化程度也随之降低，但由于海洋平台服役环境十分恶劣，除承受重力载荷处，还受到海浪、潮流、海冰、台风、季风等海洋环境因素的影响，这就需要海洋结构用钢焊接接头具有更高的韧性、更细的晶粒、更低的硫含量和较低的硬度，以提高焊接接头的抗裂性能，另外随着强度级别的提高，板厚的加大，海洋结构用钢冷裂纹倾向将增加。采用焊条电弧焊、药芯焊丝气保焊等焊接方法，所用焊接材料含氢量较高，焊接热输入量小，冷却速度快，会增加冷裂纹的敏感性，需要采取必要的焊接措施，如焊前预热等 。

为确保高强度海洋结构用钢F460Z制造和运行安全， 对F460Z钢焊接接头的力学性能要求严格。焊接接头的拉伸性能要求与母材基本相当；对接接头各部位的低温韧性Akv-60℃≥46JJ。该技术要求是目前我国海洋结构用钢中要求最高的，也是世界先进水平。众所周知，焊缝金属存在铸态组织，其强韧性主要由焊缝成分及焊接热循环等条件决定。这特点就决定了焊缝金属无论在成分上还是在组织结构上不可避免地与基材存在着一定的差异。焊缝金属组织结构显著影响焊接接头的完整性及性能。对于弧焊焊缝，焊缝金属合金含量、焊接方法及工艺是影响焊缝金属组织的主要影响因素，其中，焊缝金属合金含量起主导影响作用。合金元素Ni、Mo、Cr等元素对焊缝均有强化作用，同时在一定含量范围内有助于减少焊缝的先共析铁素体含量，从而提高焊缝的韧性。通过焊接材料对焊缝进行微合金化(Ti、B)，使焊缝获得细针状铁素体。细针状铁素体组织细小，无方向性排列，它既可增加焊缝强度，又可提高焊缝韧性，并具有优良的止裂性能。不同的焊接工艺如不同热输入量也会导致焊缝中产生不同的组织结构。焊接热输入量是影响焊接接头低温冲击韧性的关键。在较大焊接热输入条件下，焊缝金属产生粗大先共析铁素体、过热区产生粗大粒状贝氏体是焊接接头低温冲击韧性降低的主要原因，使接头性能下降到一个相对低的水平，往往是造成海洋结构产生断裂、诱发空难性事故的根源。

为防止F460Z焊接时焊缝金属脆化问题，合理匹配焊接材料、控制焊接热输入量的范围以保证焊接接头的各项力学性能满足上述技术要求是技术关键之一。为了在海洋平台实际建造过程中，兼顾高性能与高效率，使质量与成本达到合理的平衡，需要在焊接方法上进一步探索，针对F460Z钢特定的成分范围和技术条件，解决该钢的焊接热输入量适应性问题及相关的工艺问题。具体包括以下几个方面：

1.确定该钢焊前预热制度以避免接头部位产生冷裂纹；

2.确定该钢焊接热影响区－60℃冲击功≥47J的焊接热输入量控制范围；

3.针对该钢的接头形式和板厚，提出合理的坡口形式和焊接方法；

4.针对该钢焊接接头综合力学性能的要求，坡口形式和焊接方法，选用合适的焊接材料；

5.针对该钢及接头形式、坡口形式和焊接方法，提出合理的焊接工艺参数。