海洋平台层状开裂的控制

海洋平台层状开裂的控制

0导管架和下楼状平台结构众所周知，海平台的制造过程主要是焊接的。底部是由管道制成的焊接支撑结构，通常称为管道框架，顶部是由建筑物截面的结构，通常称为组块。在众多的海洋平台建造过程中,都不可避免地出现同一种问题———焊接接头的层状撕裂,就笔者本人参与的项目中,几乎每一个海洋平台的制造过程中都会出现焊接接头层状撕裂的问题。1节点及其现场裂纹东海项目HY14-1/M、南海文昌项目、涠洲12-2项目等都出现了焊接接头的撕裂问题,撕裂位置的接头形式主要为T形接头和十字形接头,具体节点详图和现场裂纹如下:(1)HY14-1/M项目中立柱底座加强肋板焊接,导致工字梁腹板层状撕裂,如图1所示。(2)南海文昌项目中半圆管与组合梁腹板焊接,导致腹板层状撕裂,如图2所示。(3)涠洲12-2项目中火炬臂转轴焊接,十字形焊接接头的层状撕裂,如图3所示。2金属基复合材料经过查阅大量资料,笔者发现,产生层状撕裂的主要原因是钢材中含有微量非金属夹杂物,特别是硫化物,在钢材轧制过程中受碾压,呈片状分布在平行于轧制表面的板材中,这种非金属片状夹杂物不仅自身强度低,而且与基体金属的结合力远远小于金属之间的结合力。在焊接时会产生强大的焊接残余应力或焊接收缩应力,而这种焊接应力就会相应引起Z向拉伸应力,当这种沿厚度方向的Z向应力达到一定程度后,就会导致片状夹杂物与基体金属发生剥离,进而引起撕裂3抵制措施层状撕裂的主要影响因素包括母材材质、焊接接头应力状态和焊接工艺这三方面3.1材料的拉伸性能从微观上来讲,钢材都含有一定比例的非金属夹杂物,最常见的为硫化物、硅酸盐、氧化铝等,这些非金属夹杂物在钢材轧制成形的碾压过程中以片状分布于板材内,夹杂物之间的结合力、夹杂物与基体金属之间的结合力都远远小于金属之间的结合力,当受到沿厚度方向的Z向应力时很容易剥离,进而产生撕裂现象。经过多方研究认证,钢材中硫含量越多,沿板厚方向及Z向拉伸的塑性性能越低,也就越容易发生层状撕裂。另外,晶粒细化程度越高,金属塑性越强,越不容易发生层状撕裂。因此,要避免层状撕裂的产生,最好选用非金属含量低,特别是硫含量低的,而且经过晶粒细化的钢材,这可以在很大程度上避免层状撕裂。从宏观角度分析,母材的Z向性能可以通过拉伸试验、测其断面收缩率的方法测出Z值,圆柱形试样要沿板厚方向取,如图4所示,然后进行分级,见表1。不同焊接接头形式的层状撕裂敏感性指数可以通过焊脚因素、接头形式因素、弯曲约束度因素、拉伸约束度因素、焊缝形状及位置因素、板厚使收缩受拘束因素、结构其他部件对收缩的拘束度因素、焊接预热因素等参数按照规范经过公式换算得出条件允许的情况下,笔者可以根据已知影响因素计算出焊接接头的Z值,然后根据表2选用对应等级的Z向钢材,如果无法计算出Z值,那么避免产生层状撕裂的最有效方法就是选用高等级的Z向钢。3.2小尺寸结构的焊接层状撕裂产生的一个主要因素就是要有拉应力,为避免产生层状撕裂,设计更加合理的焊接接头形式,尽最大可能减少母材在厚度方向上受到的拉应力也是行之有效的途径;在满足强度要求的条件下,尽量减小焊缝尺寸及横截面积,以便减小热影响的催化作用及减小焊接收缩形变;减小结构的刚度,以有效降低拘束应力。具体措施如下:(1)采用较小的焊接坡口角度及对口间隙,以便减小焊缝尺寸;(2)能够部分熔透的不全熔透,能采用对称坡口焊的不采用单边坡口焊;(3)如果可行的话,尽量在有层状撕裂倾向的杆件上开坡口;(4)尽量避免沿中断板受力,采用沿贯穿板受力;(5)尽量使板厚方向受力的母材端头伸出焊接区。3.3焊接时的预防措施焊接工艺方面,除考虑3.2节中提到的坡口形式以外,还应该从预热、焊接线能量控制、焊道层数、焊后热处理等多方面进行层状撕裂的预防。如:根据母材板厚采用尽量高的预热温度;焊接过程中采用多道小线能量焊接;尽量保证对称施焊;选用屈服强度低的焊条进行焊接,以减小导致母材撕裂的应力集中;在坡口内母材表面上先堆焊塑性过渡层;采用合理的焊后热处理,以减小拘束应力和扩散氢含量,改善晶体结构;另外,还可以采取锤击等消除应力的物理方法。4组块主吊点等在海洋平台结构中,已经有很多结构使用Z向性能材料,如导管架TKY节点、组块主吊点等,如图5中阴影位置的杆件。但因考虑到经济成本、施工成本等因素,不可能所有具有Z向受力的构件都换成Z向性能钢材,这就需要对焊接接头的设计更加科学合理,对焊接工艺的选择更加巧妙,对焊接过程的控制更加严格。4.1解决焊接工艺上的问题在此案例中,如果把工字梁腹板切下,换成Z向钢板,不仅需要购置Z向性能材料,而且需要额外花费人工,加大了经济成本和人工成本,因此要从焊接接头和焊接工艺上入手解决此问题。经过建模分析,此节点位置在工作过程中主要受立柱的压应力,水平方向的受力并不大,因此可以把全熔透焊缝改成部分熔透,并错开坡口位置,在焊接工艺方面,除做好预热和后热处理以外,可以在施焊之前先在腹板位置进行堆焊,形成隔离层,如图6所示,焊接过程中先用低屈服强度的LB-52U焊条打底,然后使用屈服强度相对较低的FACW代替SMAW进行焊接,采用小线能量多道焊进行填充,每层焊道焊接完毕后配合锤击,以释放应力。4.2坡口与腹板焊接位置的改变在较大组合梁预制过程中,考虑到节点位置受力情况,把部分腹板更换成Z向板材的构件有很多,在此案例中,虽然构件也为较大组合梁,但是考虑到节点受力和其他节点受力不同,需要更换Z向板材的节点大多为组块主结构,且在海洋平台服役过程中不停经受循环载荷作用力,服役条件恶劣,而此结构件仅仅是支架结构,临时支撑组块所用,不属于组块结构部分,因此受力情况有所不同,考虑到此节点位置主要受力为压应力,半圆管也仅仅是加强支撑作用,所以半圆管与腹板焊接位置的坡口形式改变可以参考4.1节中所述,但不同的是,此处钢板较厚,可以把单面坡口改成对称的双面坡口部分熔透焊缝,在施焊之前先在腹板位置进行堆焊,如图7所示。焊接过程中先用低屈服强度的LB-52U焊条打底,然后使用屈服强度相对较低的FACW进行焊接,采用小线能量多道焊进行填充,每层焊道焊接完毕后配合锤击以释放应力,做好预热和后热处理。4.3熔透坡口焊接工艺此案例中发生层状撕裂的焊接接头为十字形接头,经过分析,此转轴为火炬臂挂钩所用结构,整个转轴受压应力和剪切应力,受力情况复杂,因此要保证其焊缝强度,不能改变现有全熔透坡口形式,但由于所用板材较薄,厚为19mm,一般没有此规格的Z向板材,所以只能从焊接工艺上进行解决。为了有效防止焊接导致层状撕裂,在接头设计时,可以把Z向受力的板材伸出焊接区域,待焊接完成后再切除多余部分,如图8所示。在板材两面坡口位置提前进行表面堆焊,以增强局部Z向性能;焊接过程中先用低屈服强度的LB-52U焊条打底,然后使用屈服强度相对较低的FACW进行焊接,采用小线能量多道焊进行填充,由2名焊工在两侧对称进行施焊;每层焊道焊接完毕后配合锤击,以释放应力,做好预热和后热处理。5降低施工成本通过分析层状撕裂的产生机理,并在母材、焊接接头受力状态、焊接工艺三方面研究预防措施,笔者发现,在母材选择上,不仅可以根据已知接头形