海上超厚板高強度鋼焊接結構開裂原因分析

張 林， 包 孔*， 葛辰宇， 沈 波， 賈晨程

1. 上海振華重工（集團）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研究中心，上海 200125

0 引言

近年來隨著國民經濟的快速發展，海洋工程及鋼結構行業迎來了發展的好時機。鉆井平臺、鋪管船、風電安裝船等得益于資本密集型和技術密集型的壁壘特點，為海工行業所追崇青睞［1-2］。毋庸置疑，海工裝備的安全性和可靠性關乎操作者的生命安全和業主的財產安全；離岸鋼結構的全壽命周期的運維成本，因此也越來越受到業主、船級社、制造企業等全行業的重視。

海上裝備離岸鋼結構的關鍵控制技術，尤其是超厚板結構的裝配、焊接與變形控制技術等，在設計、選材、制造、海上施工、維保任一環節出現紕漏，帶來的后果都不堪設想。本文結合某海上鉆井平臺樁腿焊接結構（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ABS船級社的規范要求，海上鉆井平臺每五年需要進行一次特檢，第一個五年以水下結構的檢查為主。按照ABS 最新規范和驗船師批準的驗船計劃，先對本項目樁腿進行可視檢查，對船艏樁舷管與樁靴連接部位全面清潔后進行焊縫可視檢查，全面清潔指定區域后，在齒條與加強板連接處發現2處裂紋，張口裂紋最寬約為4 mm。

按照要求，接下來進行交流電磁場檢測技術（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，用于檢測金屬構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 探傷檢查發現，在艏樁舷管與樁靴的連接部位，A舷管靠B舷管側豎直方向與加強板連接處發現多處間斷裂紋，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行ACFM探傷檢查，同樣發現不同程度的開口裂紋。

圖1 水下ACFM探傷檢查發現的裂紋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行探傷和定損，開展進一步的原因分析和修復工作。

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。分析上述裂紋產生的原因，有利于查找設計、材料、建造和海上施工與維保等方面的缺點與不足，避免后續進一步的損失。

2.1 設計與選材不當

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

采用船級社認可的設計結構，該成熟工藝的結構形式和選材幾十年來廣泛應用于海工產品中，已經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 設備操作不當

由于平臺作業需要專業人員參與，租賃公司有可能沒有配備合格的專業人員，在拔樁和插樁操作中存在失誤，從而導致平臺結構受損，引發樁腿裂紋。經下載并核查平臺操作的歷史數據，本項目租賃公司在平臺移動過程中從數據角度并沒有發現不規范的情況。從開裂形貌綜合研判，不能排除操作過程外力導致樁腿受損的情形，需進一步驗證。

2.3 焊接施工過程不規范

通過初步探傷結果來看，平臺樁腿部位的裂紋數量較多、裂紋較長也較深，出現這樣的開裂狀況較為少見。在當時建造期間是否存在焊接過程不規范，需要進一步檢驗檢測數據，為后期原因分析和修復提供技術支持。

3 重點部位探傷

項目進塢后，采用高壓水對樁靴和焊縫200 mm范圍內進行了清洗，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，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，并捕獲電子數據用于存檔，利用這些數據能得出關鍵結論［6-7］。通過PAUT 結合常規UT 的測深技術，較全面地展現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提供了數據支撐。

4 取樣及檢測

現場按圖4所示截取了試樣送實驗室進行進一步的檢測。

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

4.1 外觀檢查

仔細檢查試件發現，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/污染物的焊接區域/周圍進行探傷，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。隨機選擇三個位置，將樣品進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域，并向內擴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，帶有徑向標記，從焊趾區域向齒條板材料（裂紋尖端）發散。與裂紋表面的其他區域相比，裂紋尖端的顏色相對較暗或呈現深棕色。

圖9 切片斷面裂縫表面照片Fig.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）結合能譜儀（EDS）進行詳細分析。切片清洗后的裂紋表面如圖10所示，徑向標記的存在表明裂紋沿焊趾起裂后在齒條板材料中迅速擴展，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?，這條裂縫本質上是比較脆的，在靠近起始點或起始點裂紋表面的某些區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，這些缺陷可能導致焊趾處/周圍的裂紋萌生。研究發現，斷裂的主要特征裂紋擴展面為沿晶面，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 化學成分分析

從焊件樣品中提取一塊齒條板材料，齒條板材質為177.8 mm 厚的DILLIMAX 690E 調質高強鋼，使用光學發射光譜（OES）對其進行化學成分分析，化學成分如表1所示，經計算，齒條板材料的碳當量（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，盡管材料化學成分符合規范要求，但其焊接性較差，容易產生冷裂紋，焊接時要嚴格按照評定的焊接工藝進行施工，焊接材料選用的是奧林康TENACITO 65R焊條（低氫型），焊前預熱及道間溫度保持在150～230 ℃范圍內，后熱溫度范圍為280±20 ℃，保溫時間不少于2 h。

表1 齒條板材料化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of rack material（wt.%）

4.4 金相檢驗

根據ASTM E3，采用常規金相法對截面進行研磨和拋光，研磨和拋光截面后使用2%硝酸溶液進行化學蝕刻，并使用立體顯微鏡和光學顯微鏡進行檢查，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觀察，裂紋主要是從熱影響區開始的，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 個切片在靠近和遠離裂紋的不同位置進行維氏硬度測量，硬度測量位置如圖14所示，測量結果如表2所示（其中，H 代表熱影響區，W代表焊縫金屬，B代表遠離焊縫和熱影響區的齒條板母材區域）。硬度測量結果表明，位于HAZ 內裂紋附近的硬度值較高，硬度值基本都在400 HV5以上，硬度最高值達到451 HV5，超過了規定允許的范圍。

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

現場取樣實驗室分析結果表明，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板之間焊縫趾部位（熱影響區）的多個位置開始，裂紋隨后在齒條板中擴展，在焊縫金屬下方的擴展深度約為15 mm。

金相檢驗證實裂紋起源于齒條板的粗晶粒熱影響區（CGHAZ）或細晶粒熱影響區（FGHAZ），主要為馬氏體組織或貝氏體和馬氏體混合組織；硬度測量結果也證明了這一點，結果表明，在焊趾開裂區域附近的CGHAZ 和FGHAZ 均存在較高的硬度（大于400 HV5），裂紋擴展可能是由擴散氫的遷移輔助造成的。這種情況可以發生在高碳當量（CEV=0.69）鋼上，形成熱影響區的馬氏體或馬氏體與貝氏體混合組織，特別是局部區域（如硬度高于420 HV5）馬氏體完全轉變，即使擴散氫濃度相對較低（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強烈表明，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）的高焊接殘余應力和焊縫結構的高拘束度，以及擴散氫可能遷移到焊趾熱影響區，導致該結構遭受了延遲冷裂，從焊趾熱影響區周圍開始起裂。

5 結論

對海上超厚板高強度鋼焊接結構開裂的現象，進行了開裂原因排查分析、斷裂部位取樣檢測分析。得出結論：

（1）對于樁腿關鍵且復雜部位焊縫缺陷的檢驗檢測，采用相控陣超聲檢測技術檢測復雜工件，相比常規超聲波檢驗檢測，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）結構斷裂部位的實驗室取樣檢測分析，發現在焊縫焊趾區域及周圍的熱影響區形成了淬硬顯微組織和高硬度，結合厚板齒條鋼在制造期間高的接頭約束度，以及擴散氫向熱影響區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焊縫焊趾處發生了延遲冷裂紋。

（3）延遲冷裂紋是厚板高強度鋼焊接的重要風險防控點，相關產品修復及制作需要針對具體結構和工況，從焊接材料、焊接工藝工法及焊接過程控制等方面科學系統制定高強度鋼裂紋焊接返修工藝方案和焊接管控措施，用以保證產品的質量。

本項目結合上述原因分析結果，制定詳細的修復方案、成功修復并交付最終用戶。