基于EEMUA及DNV標準的S460鋼焊接工藝開發

陳 哲， 閔祥軍， 程晉宜， 楊 建， 宋秋菊

海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520

0 前言

EEMUA 158［1］規范由英國工程設備及材料使用者協會（EEMUA）海洋服務材料技術委員會編制，對海洋安裝重要結構中建造工作的提出基本要求，對鋼結構的焊接工藝評定也有詳細要求。DNV C401［2］標準由挪威船級社編制，對海洋工程結構建造工作提出基本要求，其中也涉及到對海洋鋼結構焊接工藝評定的要求。

在海洋石油工程（青島）有限公司承接的浮式生產儲油輪項目中，存在最小屈服強度460 MPa 級別鋼結構的焊接施工，既需要滿足項目建造標準EEMUA 158的要求，也需要按照船體入級要求執行DNV C401 標準，因此針對EEMUA 158 和DNV C401雙標準的焊接工藝開發具有實際應用意義。

本文基于EEMUA 158 與DNV C401 雙標準要求，開展最小屈服強度460 MPa 級別碳鋼的焊條電弧焊（SMAW）打底+藥芯焊絲氣體保護焊（FCAWG）填充蓋面的焊接工藝評定，試驗取得DNV 挪威船級社和項目業主的全程見證和確認。

1 EEMUA與DNV焊接工藝評定要求分析

針對最小屈服強度460 MPa級別碳鋼的焊態下單面對接焊（焊條電弧焊SMAW 打底，藥芯焊絲氣體保護焊FCAW-G填充、蓋面）焊接工藝評定，基于EEMUA 158 和DNV C401 兩個標準的主要要求分析歸納如表1所示。

表1 EEMUA 158與DNV C401要求分析Table 1 The analysis of requirements between EEMUA 158 and DNV C401

2 焊接工藝評定試驗

由于35 mm 厚度母材焊接要求不同于16 mm厚度母材，為滿足EEMUA158和DNV C401雙標準的要求，并且覆蓋TM和QT供貨狀態、壁厚10 mm≤T≤40 mm、直徑D≥324 mm、全位置焊接施工，本研究選取厚35 mm的板材和壁厚16 mm、直徑324 mm的管材分別進行對接，其中板材選用兩個焊接位置、管材一個焊接位置，共三個焊接工藝評定試件（詳見表1結合工程實際情況所得工藝評定結論）。

2.1 試件母材

焊接工藝評定試件1 和試件2 選用EN10225 S460 G2 板材［3］，厚度為35 mm，供貨狀態為熱機械軋制，碳當量為0.35%。其主要化學成分和力學性能如表2、表3所示。

表2 試件1和試件2母材主要化學成分（質量分數，%）Table 2 Main chemical compositions of base metal specimen 1 and 2（wt.%）

表3 試件1和試件2母材金屬力學性能Table 3 Mechanical properties of base metal specimen 1 and 2

焊接工藝評定試件3 選用API 5L L450Q 管材［4］，壁厚為16 mm，直徑為324 mm，供貨狀態為淬火和回火，碳當量為0.37%。其主要化學成分和力學性能如表4、表5所示。

表4 試件3母材主要化學成分（質量分數，%）Table 4 Main chemical compositions of base metal specimen 3 （wt.%）

表5 試件3母材金屬力學性能Table 5 Mechanical properties of base metal specimen 3

2.2 填充材料

三組試件打底焊接均采用焊條電弧焊打底，焊材選用AWS A5.5 E7016-G［5］，直徑3.2 mm；填充蓋面均采用藥芯焊絲氣體保護焊，焊材選用AWS A5.29 E81T-K2C［6］，直徑1.2 mm，保護氣體為CO2（體積分數≥99.8%）。

2.3 焊接坡口及焊接位置

三組試件均采用單邊坡口，單面焊雙面成形。其中試件1采用2G焊接位置，如圖1所示；試件2采用3G（立向上），如圖2所示；試件3 采用6G（立向上），如圖3所示。

圖1 試件1焊接位置Fig.1 Welding position of specimen 1

圖2 試件2焊接位置Fig.2 Welding position of specimen 2

圖3 試件3焊接位置Fig.3 Welding position of specimen 3

2.4 焊接工藝參數

考慮到為了滿足EEMUA158 和DNV C401 雙標準的要求，并且覆蓋壁厚10 mm≤T≤40 mm、直徑D≥324 mm、焊接位置全位置的焊接施工，試件1、試件2、試件3 的接頭及焊道分別如圖4～圖6所示，其焊接工藝參數如表6～表8所示，其中焊條電弧焊和藥芯焊絲氣體保護焊的電流極性均為直流反接DCEP，熱輸入計算方式參照ISO 17671［7］要求，需考慮不同焊接方法的影響系數。

圖4 試件1接頭及焊道Fig.4 Welding joint and pass sequence of specimen 1

圖5 試件2接頭及焊道Fig.5 Welding joint and pass sequence of specimen 2

圖6 試件3接頭及焊道Fig.6 Welding joint and pass sequence of specimen 3

表6 試件1焊接工藝參數Table 6 Welding parameter of specimen 1

表7 試件2焊接工藝參數Table 7 Welding parameter of specimen 2

表8 試件3焊接工藝參數Table 8 Welding parameter of specimen 3

其中試件1 和試件2 的預熱溫度控制在50～60 ℃，層間溫度不超過250 ℃。試件3 的預熱溫度為30 ℃，層間溫度不超過150 ℃。本要求參照ISO 17671-2及EN1011-2［8］執行。

2.5 焊后無損檢驗及理化試驗

試件1、試件2和試件3的焊縫外表面及根部均無裂紋、無咬邊、無焊瘤，余高小于3 mm，按照相關標準規定外觀檢驗均合格。焊后48 h 后進行磁粉檢測和超聲檢測，結果符合EEMUA 158 和DNV C401相關要求。試件宏觀形貌如圖7～圖9所示。

圖7 試件1的宏觀試驗照片Fig.7 Macro test photograph of specimen 1

圖8 試件2的宏觀試驗照片Fig.8 Macro test photograph of specimen 2

圖9 試件3的宏觀試驗照片Fig.9 Macro test photograph of specimen 3

對試件1和試件2進行橫向拉伸、全焊縫拉伸、彎曲、-40 ℃沖擊、宏觀腐蝕、硬度試驗。其中橫向拉伸和全焊縫拉伸的抗拉強度結果介于母材同厚度下規定的最小抗拉強度520 MPa和最大抗拉強度680 MPa 之間，全焊縫拉伸屈服強度大于母材同厚度下規定的最小屈服強度420 MPa，斷后伸長率≥20%；彎曲試樣未發現缺陷或缺陷長度總和不超過3 mm；沖擊位置選取焊縫中心、熔合線（直邊位置）、熔合線+2 mm（直邊位置）、熔合線+5 mm（直邊位置）、焊縫中心（根部位置）、熔合線（根部直邊位置）、熔合線+2 mm（根部直邊位置）、熔合線+5 mm（根部直邊位置），沖擊結果滿足均值≥47 J，單值≥35 J。

對試件3 進行橫向拉伸、彎曲、-40 ℃沖擊、宏觀腐蝕、硬度試驗，試驗標準分別參考EN 4136［9］、EN 5173［10］、EN 9016［11］、EN17639［12］、EN 9015［13］。其中橫向拉伸和的抗拉強度結果介于母材規定的最小抗拉強度535 MPa和最大抗拉強度760 MPa之間，彎曲試樣未發現缺陷或者缺陷長度總和不超過3 mm；沖擊位置選取焊縫中心、熔合線（直邊位置）、熔合線+2 mm（直邊位置）、熔合線+5 mm（直邊位置），沖擊結果滿足均值≥47 J，單值≥35 J。

試件1、2、3 的拉伸、彎曲及沖擊試驗結果如表9～表12所示。EEMUA 158和DNV C401要求的硬度測試位置不同，如圖10、圖11所示，三個試件的硬度測試按照EEMUA 158 要求執行，然后按照DNV C401要求補充硬度試驗，試驗結果如表13所示，數值均低于325 HV10。三個試件的所有理化實驗結果均滿足EEMUA 158及DNV C401的相關要求。

圖10 EEMUA 158要求硬度測試位置Fig.10 Hardness test position in EEMUA 158

圖11 DNV C401要求硬度測試位置Fig.11 Hardness test position in DNV C401

表9 試件1、試件2和試件3焊接接頭的拉伸性能Table 9 Tensile property of specimen 1， 2 and 3 welding joints

表10 試件1、試件2和試件3焊接接頭的彎曲性能Table 10 Bend property of specimen 1， 2 and 3 welding joints

表11 試件1、試件2焊接接頭的沖擊性能（-40 ℃）Table 11 Impact property of specimen 1， 2 welding joints（-40 ℃）

表12 試件3焊接接頭的沖擊性能（-40 ℃）Table 12 Impact property of specimen 3 welding joints（-40 ℃）

表13 試件1，2，3焊接接頭的硬度（HV10）Table 13 Hardness of specimen 1， 2 and 3 welding joints （HV10）

2.6 焊接注意事項

基于EEMUA 158 和DNV C401 兩個標準的要求，針對最小屈服強度460 MPa 級別碳鋼的焊態下單面對接焊（焊條電弧焊SMAW 打底，藥芯焊絲氣體保護焊FCAW-G填充蓋面）焊接工藝評定實驗過程中，存在以下注意事項：（1）預熱溫度按照ISO 17671-2 要求執行，試件1 和試件2 預熱溫度50 ℃以上，試件3預熱溫度30 ℃以上。（2）記錄焊道最大寬度，SMAW 最大焊道寬度不超過3 倍焊條直徑；FCAW-G 最大焊道寬度不超過17 mm；（3）SMAW焊道需要記錄每根焊條的行走長度，從而計算出焊條的平均行走長度ROL；（4）FCAW-G 焊道需要記錄送絲速度和保護氣體流速；（5）整個焊接過程需要將層間溫度控制在250 ℃以內；（6）蓋面前將層間溫度降低到最小預熱溫度，再進行蓋面焊接；（7）FCAW-G焊接過程中不得更換焊絲直徑。

3 結論

本文分析了EEMUA 158 與DNV C401 標準下S460級別結構鋼對接焊焊接工藝評定的詳細要求，并基于EEMUA 158與DNV C401雙標準，針對不同壁厚和不同供貨狀態的管材和板材，開展S460級別碳鋼的焊態下單面對接焊工藝評定實驗，三組試驗結果均滿足EEMUA 158與DNV C401雙標準要求，并取得DNV挪威船級社的認證。（1）針對EEMUA 158與DNV C401標準要求逐條對比分析異同點，結合工程實際需求選取焊接工藝評定試件母材的牌號、尺寸和焊接位置。（2）在焊接工藝評定試驗過程中，應對預熱溫度、焊道寬度、焊條行走長度、送絲速度、層間溫度等要求特別關注和控制，避免形成的焊接工藝規范WPS參數范圍過窄限制施工的情況。（3）進行理化試驗時，應兼顧EEMUA 158 與DNV C401 雙標準要求，針對拉伸、彎曲、沖擊試驗選取要求較嚴格的執行，針對硬度試驗可以采取雙試樣方式分別按照兩個標準要求執行。