海洋工程用钢需求现状及 未来发展趋势课件.ppt

王东坡教授天津大学2014 9 海洋工程用钢需求现状及未来发展趋势 1 2020 3 20 2 2 一 背景二 当前海洋工程用钢需求及技术水平现状三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势四 海洋工程用钢认证五 几点看法 主要内容 2 2020 3 20 一需求背景 1 根据有关资料 全球累计探明石油可采储量3880亿吨 天然气储量266万亿立方米 其中海洋石油天然气储量占45 左右 随着陆上油气资源逐渐减少 海洋石油已成为世界各国争相追逐的主要战略资源 目前已发现的油气田1600多个 有100多个国家和地区在海上开发油气 有200多个油气田投产 3 2020 3 20 一需求背景 2 国际上海洋油气开发主要呈现两个重要发展趋势 1 向深冷区域发展 北冰洋海域蕴藏约2000亿吨油气资源 已成为某些周边国家竞相研究开发的热点区域之一 主要有挪威 俄罗斯 美国 加拿大等国参与争夺 3 更重要的发展领域是深海油气开发 最为著名深海油气开发区域就是墨西哥湾 另外南美巴西部分海域和我国南海成为深海油气资源丰富的两个区域 4 2020 3 20 一需求背景 3 我国南海所蕴藏油气储量约300亿吨当量 其中60 80 埋藏于深海区域 大部分水深约1500米以上 且该海域台风频次多 海浪高 海流复杂 开发难度极大 由于菲律宾和越南等国在南海部分海域与我国存在主权争议 因此谁能率先成功进军深海 必将是最大赢家 有鉴于此 南海深水油气资源开发利用已上升为国家能源发展战略 5 2020 3 20 4 海洋油气资源开发和利用促使海洋工程装备制造业蓬勃兴起 海洋工程装备市场具有广阔发展前景和巨大的发展潜力 近十年 海洋石油勘探开发的投资持续大幅增长 据Douglas Westwood统计 08年全球海工装备资本性投资为1570亿美元 09年约1520亿美元 占海洋油气勘探开发总投资60 左右 当前 全球共有各类海洋钻井装备650多座 其中自升式钻井平台超过430座 占有总规模的2 3 半潜式钻井平台180多座 钻井船近50艘 合计占1 3 一需求背景 6 2020 3 20 5 截至2009年底 国内在生产油气田77个 平台150座 在建10座 海外油田管理140余座 海管4 813km 在建173km 海底电缆380km FPSO17艘 水下井口已建成6套 陆上终端已建成11座 2座在建设中 海外终端管理1座 这些海上工程装备和设施使中国海油具备5 000万吨油当量的生产能力 一需求背景 7 2020 3 20 6 从目前掌握的数据看 在2011 2015年间 我国海洋石油增加5 000万吨的海洋石油产量的预期可以实现 这5年间 建造70多座平台 新建10多艘FPSO 其中中海油需建造55座海洋平台 6艘FPSO 4个陆地终端 铺设海底管线1 000多公里 投资总量每年将以数百亿元以上递增 未来十三五 我国南海大开发及东海大开发 及国际市场的开拓 中国海工市场还将快速发展 国际油价稳定在100美元左右 使得国际海工市场年投资将达到2000亿美金左右 一需求背景 8 2020 3 20 7 2008年 席卷全球的金融危机对我国造船工业的发展造成强烈冲击 船舶工业产能过剩 重复投资 高端产品竞争力不强的问题日益凸显 为应对我国造船工业面临的危机 振兴行业发展 国家明确提出要大力发展海洋工程装备制造业 强化海洋工程产品自主研发及生产能力 目前 海洋工程装备制造行业正成为造船工业新的利润增长点 众多船企开始向海洋工程产品转型 一需求背景 9 2020 3 20 8 从全球角度看 据统计正在开发中的水深200m以上的海洋项目共有100余个 潜在项目达近千个 未来海洋生产装备用钢的需求依然保持较高水平 因此 海洋工程用钢的需求和开发将成为钢铁行业新的增长点 一需求背景 10 2020 3 20 海工用钢主要可以分为海洋平台用钢 海底油气管线用钢 油气储运舰船用钢和海洋能源设备用钢等 主要以低合金高性能结构钢为主 国内生产管线钢整体上已经达到世界水平 但特大管径和超厚管壁管线钢品种尚需进口 高强管线管品质需要提高 如抗HIC 氢致开裂 和抗SSC 硫化物应力腐蚀 高强度管线钢等 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 11 2020 3 20 不仅如此 国产管线用钢在高低温止裂韧性 焊接性 抗大应变性能与国外存在一定差距 随着水深增加 国产管线钢在低温断裂韧性 尺寸精度方面与国外存在更明显差距 甚至尚属空白领域 需进口解决 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 12 2020 3 20 由于海洋平台 包括固定式平台和移动式平台 服役期长 甚至超过30年 安全性要求高 因此 要求所采用钢材必须具有高强度 高韧性 抗疲劳 抗层状撕裂和良好焊接性及耐蚀性等特点 固定式平台结构主要采用屈服强度为355MPa 420MPa 460MPa的 及 级钢材 在自升式钻井平台结构中可能钢材的强度级别会达到500MPa及550MPa 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 13 2020 3 20 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 14 2020 3 20 我国海洋平台用钢板的抗腐蚀性能和大线能量焊接热影响区 HAZ 断裂性能与国外有一定的差距 同时以铁素体 珠光体微观组织为主的低合金钢的抗层状撕裂性能依然是困然企业生产的难题 厚度在 以上高强度钢板 屈服强度在 以上齿条钢只有极少数厂家能生产 多数厂家所生产的海洋平台用钢没有通过EN10225 ISO19902 API2Z等欧美标准的认证 开拓海外市场困难 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 15 2020 3 20 双相不锈钢的优点是强度高于奥氏体不锈钢 屈服强度提高1倍 抗拉强度提高25 而韧性优于铁素体不锈钢 且抗点蚀 缝隙腐蚀和应力腐蚀的性能与两者相差不大 双相不锈钢在海洋平台上部组块工艺管线 立管 水下生产系统管汇 井口采油树及隔水套管中应用 国产双相钢存在焊接后点蚀性能不达标 材料韧性不足等缺点 主要原因是热处理工艺不过关 国际上最新的第四代超级双相不锈钢尚无产品 主要在采油树上使用 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 16 2020 3 20 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 17 2020 3 20 双相钢31803金相组织 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 18 2020 3 20 LNG项目在陆地的表现形式主要是处理工厂及储罐建造 在海洋中主要表现方式是LNG船舶的建造 随着 工业的迅猛发展 低温钢的研究和开发热度持续升温 近几年 涉海LNG项目很多 中海油承包的澳大利亚LNG项目以及刚承接的俄罗斯的亚马LNG项目 项目规模巨大 亚马项目 仅中海油的份额近200亿人民币 蓬莱巨涛也获得40多亿的份额 涉及钢种主要为各种类型的低温钢和不锈钢 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 19 2020 3 20 储存温度为 要求 储罐所采用的 钢具有较高强度及优异的低温韧性 此外 由于无论是LNG储罐还是LNG船或管道 均需要焊接 因此对9Ni钢焊接性要求很高 主要是热裂纹 液化裂纹 敏感性提出极高要求 近几年 我国多家钢企已能生产9Ni钢板 但产品质量与国外尚存明显差距 主要表现在热影响区断裂韧性及抗焊接热裂纹性能两方面上 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 20 2020 3 20 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 国产9Ni钢HAZ粗晶区液化裂纹案例1 21 2020 3 20 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 国产9Ni钢HAZ粗晶区液化裂纹案例2 22 2020 3 20 国产9Ni钢HAZ断裂韧性 CTOD 案例 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 23 2020 3 20 关键钢铁品种不能自给已瓶颈 致使重大海洋工程及装备关键技术长期大量依赖进口 尤其在深海领域 深海工程需要高强 高韧 耐海洋环境腐蚀钢管 板 这类钢材必须满足复杂环境 复合载荷长寿命等十分苛刻的服役要求 随着我国海洋工程从近海向深海进军 适应新需求 自主研发高性能钢材已迫在眉睫 二当前海洋工程用钢需求及技术水平现状 24 2020 3 20 借鉴国外几十年海洋深水开发的经验和教训 中海油今后重要技术发展路线之一就是采用水下生产系统开采技术 这种采油气的方式主要特点是在海底实施油气采集之后 不是采用通常通过深水柔性立管将油气送入位于深水采油平台的生产系统处理的方式 而是经过水下生产系统简单处理之后 通过海底管道输送到位于相对水深较浅海域的固定式采油平台上进一步加工处理 再通过海底管线或油轮输送到陆地 因此 水下生产系统制造 深水海底管线及其铺设 深水固定式采油平台制造成为该深海油气开发技术链条上的三个关键环节 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势 水下生产系统开采技术 25 2020 3 20 深海油气开发装备的核心问题是寿命 由于深海油气开发投入极大 具备开发价值的海域其油气储量必须非常丰富 否则很难收回成本 因此 要求深海油气开发装备一定具有很长的安全使用寿命 以满足长周期海上作业的设计要求 例如我国第一个深水项目荔湾3 1所采用的固定式深水平台设计寿命达30年 而以往同样位于南海的浅水区域平台设计寿命只有15年 甚至更短 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势 水下生产系统开采技术 26 2020 3 20 由于水下生产系统只是将油气简单处理 并没有对其进行脱水和脱硫 二氧化碳处理 因此管道内介质具有较强腐蚀性 采用碳钢管所制造海底管线很难满足长寿命安全服役要求 一般采用耐蚀合金或复合管制造海底管道 因此 造价很高 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势 水下生产系统开采技术 27 2020 3 20 由于深海油气开发投入极大 具备开发价值的海域其油气储量必须非常丰富 要求深海深水固定式采油平台具有很长使用寿命 以满足长周期海上作业要求 由于深水固定式平台所处海域水很深 甚至可能达300米以上 导致平台不仅造价高 重量大而且建造周期长 海上运输和安装困难 因此深水固定式平台长寿命轻量化是当前国际海洋工程界的必然选择 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势 水下生产系统开采技术 28 2020 3 20 国际上 一般通过结构制造材料高强化和疲劳延寿技术满足轻量化长寿命深海固定式平台建造 截止目前 我国相关海工企业采用大厚度高强钢板建造深水固定式平台的工程案例尚属空白 已启动的几个深海油气开发项目所涉及的固定式平台建造依然采用传统的EH DH36钢制造 导致其重量过大 如果采用EH DH42及EH DH46高强钢板取代EH DH36建造深水固定式平台 预计减重20 30 其经济意义十分重大 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势 水下生产系统开采技术 29 2020 3 20 1 随着海洋油气资源开发向深水发展 立管系统在油气开发成本中所占的比重越来越大 2 传统立管系统在技术上和经济上已经不适应深水发展的需要 3 柔性立管成本高 不适应深水油气田高温高压生产条件 同时大直径柔性立管的制造受到技术的限制 其发展空间微乎其微 4 顶张力立管不能顺应浮体较大的漂移运动 随着水深增加 顶张力和浮体垂荡运动的补偿也变得越来越困难 同时气动液压张紧装置占用较大平台空间 对于比较紧凑的平台空间来说是不经济的 人们一直在寻求一种深水开发的有效解决方案 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 30 2020 3 20 成本低对浮体运动有较大的适应性适用高温高压工作环境 应用 国外 GolfofMexico CamposBasin NorthSea WestAfrica国内 空白 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 31 2020 3 20 钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 是国外近年来发展起来的一种新型深水立管系统 它成本低 对浮体运动有较大适应性 适用高温高压工作环境 已在国外有过多次成功应用的范例 取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水开发的首选立管形式 代表着国际上深海平台立管的技术发展方向 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 32 2020 3 20 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 适用于所有新型深水平台 如立柱式平台 SPAR 张力腿平台 TLP 半潜式平台 浮式生产系统 FPSO 和浮式生产储运系统等 33 2020 3 20 1 自1994年shell公司在墨西哥湾的张力腿平台Auger上安装了世界第一条钢悬链线立管以来 在墨西哥湾 GolfofMexico 坎普斯盆地 CamposBasin 海 NorthSea 和西非 WestAfrica 等几大海上油气田 已经有近百条钢悬链线立管投入使用 2 钢悬链线立管 SCR 的技术开发及工程应用在我国仍尚属空白领域 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 34 2020 3 20 1 钢悬链线立管SCR的疲劳性能基本取决于制造过程环缝焊接质量的控制水准以及是否恰当引入延寿措施等 2 决定环缝焊接质量的主要因素之一 就是错边量的控制 而错边量的大小基本取决于管线钢的圆度和壁厚均匀度及管径一致性等形状和尺寸精度 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 35 2020 3 20 1 钢悬链线立管SCR的安全性能要求极高 因此 对环焊缝断裂韧性提出苛刻要求 要求所采用的管线钢必须在低温环境下 HAZ具有高断裂韧性 2 典型验收值是在服役温度 18oC的条件下CTOD值 0 38mm 3 由于钢悬链线立管内流通含硫化氢和二氧化碳的酸性气体 对管道内壁产生SSC或SCC等腐蚀 因此要求所采用的管线钢HAZ部位必须具有很高的抗腐蚀能力 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 36 2020 3 20 有鉴于此 钢悬链线立管SCR所采用的管线钢要求极高 主要有以下几点 1 要求小管径与厚度之比2 管线钢HAZ高低温断裂韧性3 管线钢HAZ高抗腐蚀能力4 要求圆度和壁厚均匀度及管径一致性等形状和尺寸精度极高 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势钢悬链线立管 SteelCaternaryRiser SCR 37 2020 3 20 TLP 张力腿平台 系索同样使用管线钢焊接制造 由于管内没有流通含硫化氢和二氧化碳的酸性气体 对管道腐蚀要求有所降低 但由于系索受到很大的预应力 是TLP平台主承力结构 因此对系索环焊缝提出更高疲劳性能及抗断裂性能要求 同样要求TLP平台系索所用管线钢具有如下要求 1 要求小管径与壁厚比2 管线钢HAZ高低温断裂韧性3 要求圆度 壁厚均匀度及管径一致性等形状和尺寸精度极高 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势TLP 张力腿平台 系索 38 2020 3 20 39 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 1背景 水下生产系统综合经济优势 水下管汇寿命期内零故障可靠地工作制造过程考虑其如何防腐问题 油气含有CO2或硫化氢等酸性气体和氯离子管道内壁产生严重的腐蚀泄漏 水下生产系统报废 重大的经济损失 严重的生态污染 39 2020 3 20 40 国外早已将复合管成功应用于水下管汇系统的制造过程 崖城13 4项目开创我国海洋油气开发水下管汇使用金属复合管制造的先河 既具有耐蚀合金的高耐腐蚀性能又拥有外层碳钢高强度的特点 适用于高温 高压环境下输送酸性介质 而且它又具有低成本的经济优势 造价昂贵 水下管汇防腐 镍基合金或双相不锈钢 双金属复合管 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 40 2020 3 20 41 1 我国在复合管生产领域能力严重不足的问题 2 冶金复合管国内厂家生产效率低 提供不出合格产品 国外产品价格高且供货周期漫长 国内能够用于深水管汇的冶金复合管高效高质量制造技术依然没有被真正掌握 也就是说国内能够用于深水管汇的高质量且价格合理的冶金复合管生产目前还受制于人 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 41 2020 3 20 国外双金属复合管的应用较为活跃 德国Butting公司生产的机械复合管已有上千公里应用于欧洲 北美以及亚洲等国的海底和陆上油气管道 英国PROCLAD公司生产的冶金复合管也在全球许多国家得到应用 美国墨西哥湾法尔韦油田早已有应用 日本NKK公司采用UOE工艺制造的Cu Ni合金复合管 含Ni10 或30 具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性 广泛用于海水淡化系统的海水引入管等 俄罗斯极北部和东部大陆架等油气田也都有应用 复合管的应用 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 42 2020 3 20 国内 航天动力技术研究院所属西安向阳航天材料股份有限公司生产制造双金属复合管 迄今为止 西安向阳航天材料股份有限公司已向石油 天然气 石化 炼化等行业提供了超过1000千米的双金属复合管 用于各种流体的输送 无锡西姆莱斯钢管厂正在研发双金属液压机械复合管 国外公司采用复合管的应用实例表明 双金属复合管可应用于含硫酸性气田 这为中国高酸性气田 比如西南油气田分公司的罗家寨 渡口河及铁山坡等气田 地面集输管线的防腐提供了新的思路 复合管的应用 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 43 2020 3 20 国内双金属复合管已经应用于东部浅井的油井管上 特别是对旧的油管实施内衬后重新利用 在地面集输管道上的应用也日益广泛 例如塔里木油田分公司牙哈凝析气田地面集输管道采用20G 316L复合管 长庆油田分公司靖安首站采用20号 0Cr18Ni9复合管 大庆油田 长庆油田的注水管道也已开始采用双金属复合管 双金属复合管的技术和经济优势明显 应用前景广阔 复合管的应用 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 44 2020 3 20 45 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 45 2020 3 20 每一种工艺方法都有自身的技术特点和工艺限制 机械结合的方式 生产工艺简单 工序较少 生产成本低 但结合层存在很大的应力集中甚至宏观间隙 结合强度不高 冶金结合的方式 具有较好的强度 但生产成本高 工艺复杂 制作难度大 双金属复合管生产工艺的选择应综合考虑工程要求 经济效益 产品质量等多种因素 复合板焊接法是冶金结合 具有良好的性能 同时成本在冶金法中相对较低 而且最具有选择自由度 复合板焊接法制作双金属复合管有着现实意义 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 46 2020 3 20 b 图Polysoude公司的装备与产品 堆焊设备 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 47 2020 3 20 b 图ProClad公司的装备及产品 堆焊设备 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 48 2020 3 20 a b c 图Roc Master公司的装备和产品 d 堆焊设备 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 49 2020 3 20 a 图Fronius设备及产品 b 堆焊设备 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 50 2020 3 20 a b 图Soudokey B hlerWelding 设备及产品 c 堆焊设备 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 51 2020 3 20 a 90 弯管内壁自动堆焊机 图哈尔滨威德焊接自动化系统工程有限公司设备及产品 b 30 弯管内壁自动堆焊机 堆焊设备 复合管的制造技术概况 国内中电华强也有相关的堆焊设备 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 52 2020 3 20 设备根据管道的摆放不同可为立式堆焊设备和卧式堆焊设备 根据焊接方向不同分为环向堆焊 纵向堆焊和螺旋堆焊 甚至不规则形状堆焊 根据焊接方法还可以分为热丝TIG堆焊设备 埋弧带极堆焊等 根据管道的长短分为伸缩悬臂式设备和线缆导轨式设备等 这些设备根据管道材质尺寸 及管道质量要求等的不同有各自的应用范围 同时效率高低也有差别 复合管的制造技术概况 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 53 2020 3 20 54 不同堆焊技术性能对比 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 54 2020 3 20 55 焊接工艺开发 在确定好堆焊层材料之后 需要开展堆焊工艺开发与参数优化工作 这是本项目的主要工作内容之一 根据管汇用冶金复合管的使用性能要求 结合具体的焊接方法 选择相应的焊丝 通过对堆焊层各项性能指标的分析与检验 最终确定所需要的相关焊接材料和供应商 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 55 2020 3 20 56 力学性能及耐腐性能试验 试焊成功后的试件进行力学性能及耐腐蚀性能试验 收集未来深水项目的油气组分 通过试验装置进可能模拟冶金复合管实际运用的腐蚀环境 进行耐腐蚀性能试验 三 我国海洋工程用钢需求未来发展趋势双金属复合管 板 56 2020 3 20 三 我国海洋工程用钢需求未来发展耐应力腐蚀性能 测试技术 SCC试验一般参照NACETM0177 ASTMG39EF 16标准及相应规格书进行 硫化氢应力腐蚀装置示意图 四点弯曲试样加载形式 57 2020 3 20 四 海洋工程用钢认证弹塑性断裂力学 1 弹塑性断裂力学应用于描述与时间无关的非线性材料断裂行为 即塑性变形 其中有两个重要断裂参量 2 裂纹尖端张开位移CTOD或 CrackTipOpeningDisplacement 3 J曲线积分Jcontourintegral 两个参数都用于近似描述弹塑性材料裂纹尖端区域因此 它们临界值都用作为材料断裂韧性表征量 58 2020 3 20 CTOD物理意义基于应变 四 海洋工程用钢认证 59 2020 3 20 CTOD定义 四 海洋工程用钢认证 60 2020 3 20 影响断裂韧性主要因素 1 厚度因素 2 温度及其他因素 韧性 上平台 下平台 转变 温度 增加 应变率缺口裂度 61 2020 3 20 断裂力学试样 SENB 62 2020 3 20 2020 3 20 63 1 设备名称 电液伺服万能试验机2 型号 YDL20003 设备规格 2000kN4 Device ElectrohydraulicServoUniversalTestingMachine5 Model YDL20006 Capability 2000kN 断裂韧性测试设备 1 电液伺服试验机 63 2020 3 20 2020 3 20 64 1 设备名称 高频疲劳试验机2 型号 PLG 200C3 设备规格 200kN4 Device High frequencyFatigueMachine5 Model PLG 200C6 Capability 200kN 断裂韧性测试 2 疲劳裂纹预制设备 64 2020 3 20 2020 3 20 65 1 设备名称 电子引伸计2 型号 YYJ 4 103 Device ElectronicExtensometer4 Model YYJ 4 10 断裂韧性测试 3 裂纹尖端张开位移测量设备 65 2020 3 20 2020 3 20 66 1 数字测温仪2 DigitalThermodetector 断裂韧性测试 4 温度测量设备 66 2020 3 20 断裂韧性 CTOD 试验 1 为了保证工程结构抗脆断能力 一般在设计时考虑采用焊后消应处理方法改善焊接接头部位的断裂韧性 2 焊后热处理缺点 1 设备投入多 能源消耗量大 施工工期过长 大幅度地增加建造成本和周期 2 热处理本身也是一种工艺方法 存在施工质量和控制问题 3 依据API LR DNV相应建造规范的规定 如果焊接部位 包括焊缝和热影响区 有足够CTOD值 构件厚度小于或等于试验厚度时就可免除焊后热处理 并要求进行ECA断裂疲劳分析 67 2020 3 20 试验标准 1 BS7448 金属材料 第1部分 金属材料 19912002版 第2部分 焊接接头 1997 2 ISO BSENISO15653 焊缝断裂韧性试验 2010 BSENISO12737 断裂韧性平面应变 2010 ISO12135 K CTOD J与R曲线 2002 3 ASTM ASTME1820 K CTOD J与R曲线 2011 ASTME1290 CTOD试验 19992008最终版 4 国家标准GB T21143 2007 金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法由天津大学牵头制定 金属材料焊接接头准静态断裂韧度测定试验方法 68 2020 3 20 BSEN10225 2009固定近海结构焊接结构钢 1 试验温度 10C02 三点弯曲加载方式3 75毫米及以上板厚采用B B试样 75毫米以下B 2B试样4 CTOD验收值 0 155 焊缝金属 GCHAZ 粗晶热影响区1400C0 T 1100C0 SCHAZ 腐蚀不可见热影响区T AC1 与ICHAZ 不完全重结晶区AC1 T AC3 交接区域三个缺口位置 69 2020 3 20 1 焊缝试样要求整厚度截面疲劳缺口尖端至少90 位于焊缝金属之中 且距离熔合线2毫米之内 2 粗晶热影响区GCHAZ试样要求整厚度截面75范围内疲劳缺口尖端至少一定比例位于距离熔合线小于0 5毫米范围之内 3 SCHAZ 腐蚀不可见热影响区T AC1 与ICHAZ 不完全重结晶区AC1 T AC3 交接区域 BSEN10225 2009固定近海结构焊接结构钢 70 2020 3 20 BSEN10225 2009固定近海结构焊接结构钢 1柱状焊缝金属2亚过渡再加热粗晶热影响区 SRGCHAZ 3过渡再加热粗晶热影响区 IRGCHAZ 4Ac35Ac16未转变过渡热影响区 ICHAZ 7未转变亚过渡热影响区 SCHAZ 8不可见热影响区边界9母材金属10未转变细晶热影响区 FGHAZ 11未转变粗晶热影响区 GCHAZ 12熔合线 多道焊热影响区 71 2020 3 20 BSEN10225 2009固定近海结构焊接结构钢 L所测量粗晶区长度总和t板材厚度 粗晶热影响区百分比示意图 72 2020 3 20 1 三点弯曲加载方式2 板厚超过75mm B B试样 75mm以下 B 2B试样3 CTOD验收值 PWHT状态0 2 原始焊态0 254 熔合线 0 4mm GCHAZ 粗晶热影响区 熔合线 2mm FGHAZ 细晶热影响区 熔合线 5mm SCHAZ 应变时效热影响区 三个缺口位置5 采用1G高热输入埋弧焊接方法制备试样6 试样采用K型坡口或单斜边坡口形式 ISO19902 2007石油和天然气工业 固定式海上钢结构 73 2020 3 20 ISO19902 2007石油和天然气工业 固定式海上钢结构 BspecimenthicknessTplatethicknessWspecimenwidth CTODspecimenpreparation 74 2020 3 20 ISO19902 2007石油和天然气工业 固定式海上钢结构 AcentrelineofthickestweldpassBfusionline 0 4mm coarsegrainHAZCHAZ 2mm finegrainHAZDHAZ 5mm subcriticallyreheatedbasemetaltpthicknessofthickestweldpassinmiddle2 3ofweldmentRreferenceline seeB 4c NotchlocationsforCTODspecimens 75 2020 3 20 ISO19902 2007石油和天然气工业 固定式海上钢结构 Removeafull thicknesssectionfromeachsideofthefracture Polishandetchontheplaneofexamination ExaminefracturefeaturesInrelationtotheweldbeadsandotherartefacts Key1fatiguecrackfront2planethroughspecimen3sawcut4machinednotchaPlaneofexamination CTODspecimensectioningandexamination 76 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 1 三点弯曲加载方式2 板厚超过63毫米可以采用B B试样 63毫米以下采用B 2B试样3 CTOD验收值 最小0 13mm Grade50 76mmCTOD 0 25 Grade50 76mmCTOD 0 38 Grade60 76mmCTOD 0 30 Grade60 76mmCTOD值需要确认4 熔合线 GCHAZ 粗晶热影响区 腐蚀可见热影响区外轮廓 SCHAZ 应变时效热影响区 两个缺口位置5 试验温度 10C06 试样采用K型坡口或单斜边坡口形式 77 2020 3 20 1 一般要求进行高低两个线能量施焊制备热影响区试样 小线能量为0 8kJ mm 大线能量为4 5kJ mm或3 0kJ mm 2 试样数量 小线能量条件下最低有效试件数量为8件 其中熔合线试样6件 腐蚀可见热影响区外轮廓线位置试样数量为2件 3 大线能量条件下最低有效试件数量为5件 其中熔合线试样3件 腐蚀可见热影响区外轮廓线位置试样数量为2件 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 78 2020 3 20 1 所预制疲劳裂纹要求75 落在试样中间2 3厚度范围内的腐蚀可见热影响区 包括边界区域 2 小线能量 0 8kJ mm 情况1 GCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2 3厚度范围 15 以上落在距离熔合线0 3mm区域内 情况2 尽量落在GCHAZ 不进行试验后剖面检查 但试样数量增多 至少10个试样 情况1 SCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2 3厚度范围 50 以上落在距离腐蚀可见热影响区外轮廓线之外0 3mm区域内 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 79 2020 3 20 情况2 尽量落在SCHAZ 不进行试验后剖面检查 但试样数量增多 至少10个试样 3 大线能量 3 0kJ mm或4 5kJ mm GCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2 3厚度范围 15 以上落在距离熔合线0 5mm区域内 SCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2 3厚度范围 50 以上落在距离腐蚀可见热影响区外轮廓线之外0 5mm区域内 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 80 2020 3 20 Single bevelandK bevelWeldPreparations API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 81 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 VariousRegionsofaSingle pass Bead on plateWeld 82 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 IdentificationofSomeAlteredandUnalteredRegions 83 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 HAZRegionsinaMulti passWeldwithOnePlateEdge Unbeveled 84 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 UnalteredCoarse grainHAZ CGHAZ inaMulti passWeldwithOnePlateEdge Unbeveled 85 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 IntercriticallyandSubcriticallyReheatedCGHAZRegions IRCGandSRCG Respectively 86 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 UnalteredSubcriticalHAZ SCHAZ 87 2020 3 20 API2Z海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法 海上结构钢板预制资质 SectioningBothHalvesofaHAZCTODSpecimentoCalculateCGRegionPrecentage 88 2020 3 20 DNV OS C401 2011 海洋工程结构建造和试验规范 1 试验温度水平面以下结构 0C0 其他接头 设计温度2 三点弯曲加载方式3 80毫米及以上板厚采用B B试样 80毫米以下B 2B试样4 HAZ金相剖面检查要求t 20mm N i 3mm2080mm 12mmdf 0 55 CTOD验收值0 156 焊缝中心 WP 和HAZ 熔合线 SM 两个试样缺口位置7 免除焊后热处理 PWHT 不仅需要进行CTOD试验 而且需要进行jji基于断裂力学的断裂和疲劳分析 以确定能否免除热处理8 试验厚度向下覆盖50 向上覆盖10 89 2020 3 20 贯穿厚度缺口试样剖面检查 DNV OS C401 海洋工程结构建造和试验规范 90 2020 3 20 1 2 47mm 91 t 20mm N i 3mm2080mm 12mm DNV OS C401 海洋工程结构建造和试验规范 91 2020 3 20 1 焊缝和热影响区均采用K型坡口或单斜边坡口形式 半K型 制备试样2 疲劳预制裂纹最长和最短长度之差不能超过0 1W 试样宽度 3 0 25B 0 5B 0 75B位置疲劳预制裂纹应满足任何两个位置长度之差不能超过0 05W的要求4 疲劳预制裂纹所采用的应力比R介于0 0 1之间 且疲劳裂纹尖端应力强度因子不能超过0 63 yB1 2 LR 材料生产 测试 认证规范 92 2020 3 20 LR 材料生产 测试 认证规范 关于疲劳缺口位置之规定 1 焊缝金属 GCHAZ 粗晶热影响区 SCHAZ 腐蚀不可见热影响区 与ICHAZ 不完全重结晶区 交接区域三个缺口位置2 焊缝金属试样要求疲劳缺口尖端应至少80 落入焊缝金属当中 且距离熔合线不超过2mm3 GCHAZ 粗晶热影响区 疲劳预制裂纹尖端应位于距离熔合线0 5mm的热影响区的范围之内 93 2020 3 20 规定 可以在断裂韧性试验基础上 通过进行ECA断裂和疲劳分析方式来评判焊后热处理工序是否可免除 工程结构关键部位进行基于ECA的断裂和疲劳分析 重新确定免除焊后热处理之后 能够保证结构设计寿命所需外观和NDT检测焊接缺陷的接受值 LR 材料生产 测试 认证规范 94 2020 3 20 EEMUA158 北海区域固定式海洋工程结构建造规程 1 三点弯曲加载方式2 板厚超过75毫米采用B B试样 75毫米以下B 2B试样3 HAZ金相剖面检查要求 疲劳缺口尖端至少15 落入粗晶区内4 焊缝中心 WP 和HAZ 熔合线 SM 两个试样缺口位置5 补焊焊缝金属采用表面缺口试样 且裂纹长度放宽到0 3B6 热影响区试样要求疲劳缺口尖端应至少50 落入腐蚀可见热影响区 HAZ 当中 且距离熔合线不超过0 5mm 定义粗晶区 7 CTOD试验向下覆盖50 试件厚度 95 2020 3 20 疲劳缺口位置 SCHAZ1 焊接工艺 SAW2 试验温度 0 3 试样厚度 90mm4 试样类型 B B5 102 双丝埋弧6 钢材 EH36 TMCP CTOD试验案例 疲劳缺口位 GCHAZ 96 2020 3 20 Specimens 102 H4 102 H1 102 H6 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 GCHAZ 97 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 GCHAZ B 0 75B 1 58 66mm Q2011 102 H1 98 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 GCHAZ Q2011 102 H1 99 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 GCHAZ 0 75B B 1 58 83mm Q2011 102 H6 100 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 GCHAZ Q2011 102 H6 101 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 GCHAZ 102 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 CHAZ Crackinitiationlocation Q2011 102 H1 a Fracture b EtchingresultofsurfaceA c EtchingresultofsurfaceB 103 2020 3 20 CTOD试验案例 疲劳缺口位置 CHAZ SubcriticalHAZ Q2011 102 H6 a Fracture b EtchingresultofsurfaceA c Etchingre