[ 時(shí)間:2009-12-24 全球石油網(wǎng) 關(guān)注度：43888 ] [ 加入收藏 ] [ 字號(hào)：大 中 小 ]
摘要：模塊支墩是海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）中連接上部模塊與主甲板的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，必須有效保證其焊接接頭的韌度以防裂防斷。按照國(guó)際通用規(guī)范BS7448和DNV-OS-C401的要求，對(duì)我國(guó)渤海PL19-3油田30萬(wàn)噸FPSO的模塊支墩焊縫和熔合區(qū)進(jìn)行低溫（-180C）裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）試驗(yàn)。結(jié)果表明：按擬用焊接工藝所焊接的模塊支墩焊接接頭，其焊縫和熔合區(qū)的CTOD試驗(yàn)值都滿(mǎn)足DNV-OS-C401規(guī)定的要求（不小于0.15mm）。因此，該焊接工藝可應(yīng)用于模塊支墩的焊接施工，并且可以免除模塊支墩的焊后退火處理。
關(guān)鍵詞： CTOD 焊接接頭 FPSO 模塊支墩
1. 引言
渤海灣PL19-3油田是我國(guó)最大的海上油田，該油田將使用一艘30萬(wàn)噸FPSO(floating production, storage and off-loading),為目前世界上在淺水中使用的最大的FPSO[1]，由上海外高橋造船有限公司承建。這艘FPSO的上部模塊與主甲板通過(guò)模塊支墩相連接。模塊支墩不僅承受上部模塊巨大的重量（單個(gè)模塊重達(dá)3000噸），還要承受由于FPSO搖擺、升降等引起的巨大慣性力。在這種動(dòng)載荷的長(zhǎng)期作用下，且由于模塊支墩所用鋼板很厚（面板厚度達(dá)70mm）,因此，模塊支墩的焊接接頭比較容易產(chǎn)生裂紋進(jìn)而造成破壞事故。
為避免模塊支墩焊接接頭在FPSO服役期間產(chǎn)生裂紋，必須要求焊接接頭材料（包括母材、焊縫中心和熔合區(qū)）具有足夠的抵抗開(kāi)裂的能力，即韌性（韌度）。所謂韌度，是指材料在外載荷作用下抵抗開(kāi)裂和裂紋擴(kuò)展的能力，也就是材料在斷裂前所經(jīng)歷的彈塑性變形過(guò)程中吸收能量的能力。一般用沖擊韌性（沖擊功）衡量韌度。由于模塊支墩鋼板很厚（面板厚70mm），而沖擊韌性試樣較�。�10mm×10mm×55mm），按有關(guān)規(guī)范如GB2649-1989 [2]，對(duì)厚度為60mm～100mm的焊接接頭，要沿厚度方向取三個(gè)試樣來(lái)測(cè)量。從力學(xué)上看，這是把厚板材料原本所處的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為平面應(yīng)力狀態(tài)后，再測(cè)量沖擊韌性，結(jié)果會(huì)有較大誤差，并且是偏于危險(xiǎn)的。一個(gè)典型的例子是，“船體上的厚鋼板會(huì)發(fā)生90%以上結(jié)晶斷口的脆斷，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后發(fā)生完全纖維斷口的韌斷” [3]。另一個(gè)典型的例子是1950年，美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)發(fā)射時(shí)發(fā)生爆炸，所用的材料是屈服極限為1400MPa的超高強(qiáng)度鋼，按V型夏比沖擊試驗(yàn)的結(jié)果卻是合格的[4]。因此，有必要取模塊支墩焊接接頭整個(gè)厚度來(lái)制備試樣（全厚度試樣），進(jìn)行韌度測(cè)定，以保證所制備試樣能夠反映真實(shí)焊接接頭的情況。這必須借助于CTOD韌度試驗(yàn)。
所謂CTOD，即裂紋尖端張開(kāi)位移，是其英文名稱(chēng)Crack Tip Opening Displacement 的首字母縮寫(xiě)，指的是裂紋體受張開(kāi)型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開(kāi)的相對(duì)距離[5]（如圖1）。 CTOD值的大小，反映了裂紋尖端材料抵抗開(kāi)裂的能力。在試驗(yàn)中，把待測(cè)材料做成帶有預(yù)制裂紋的試樣，加上外載以后，裂紋尖端處有一個(gè)張開(kāi)位移CTOD值，可以被測(cè)定。CTOD值越大，表示裂紋尖端材料的抗開(kāi)裂性能越好，即韌性越好；反之，CTOD值越小，表示裂紋尖端材料的抗開(kāi)裂性能越差，即韌性越差。
為有效控制模塊支墩焊接接頭的韌度，確保建造質(zhì)量，上海外高橋造船有限公司對(duì)焊接工藝進(jìn)行了深入研究，焊接成CTOD試樣，在武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，進(jìn)行了全厚度低溫（-180C）CTOD韌度試驗(yàn)。本文是部分試驗(yàn)工作的總結(jié)。
2. 材料與焊接工藝
2.1母材
母材是日本產(chǎn)的F36高強(qiáng)鋼，生產(chǎn)所依據(jù)的規(guī)范為EN133-001。其主要化學(xué)成分如表1，最大碳當(dāng)量為0.34%,板厚為80mm。主要力學(xué)性能σs=422MPa,σb=501MPa，δ5=34%。
表1 F36鋼化學(xué)成分（%）
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cu |
Ni |
Cr |
M0 |
V |
Nb |
N |
Ti |
|
0.05 |
0.17 |
1.31 |
0.004 |
0.001 |
0.3 |
0.67 |
0.02 |
0.01 |
0 |
0.012 |
0.0048 |
0.013 |
2.2焊接工藝
采用對(duì)接焊縫，等角K型坡口（角度為45o）,無(wú)鈍邊，對(duì)口間隙0-1mm。K型坡口的直邊垂直于試板平面。采用焊條電弧焊（SMAW）進(jìn)行多層多道焊接，預(yù)熱溫度為112oC,最高層間溫度為173oC。主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 手工電弧焊（SMAW）工藝參數(shù)
