海洋工程设计指南第二册第七篇加工设计3章

海洋工程设计指南第二册第七篇加工设计3章内容摘要：

177。 177。 177。 177。 177。 2 177。 1 177。 177。 177。 2 ≤%B 且最小 ≤%B 且最小m % 长 度 % 长 度 177。 177。 2 3 8 SM490B 0 20 或 40 27 47 9 SM490C 23(t50) 0 47 47 14 10 JIS G 3106 1999 SM490YA 365(t≤ 16) 355(t1640) 335(t4075) 490610 19(t≤ 5) 15(t516) 19(t1650) 21(t50) / / / 47 177。 177。 177。 177。 2 177。 177。 177。 177。 177。 177。 2 177。 1 177。 177。 177。 2 ≤%B 且最小 ≤%B 且最小 0..15 % 长 度 % 长 度 177。 177。 2 3 11 JIS G 3106 1999 SM490YB 0 20 或 40 27 47 12 JIS G 3106 1999 SM520B 365(t≤ 16) 355(t1640) 335(t4075) 520640 19(t≤ 5) 15(t516) 19(t1650) 21(t50) 0 20 或 40 27 47 177。 177。 177。 177。 2 177。 177。 177。 177。 177。 177。 2 177。 1 177。 177。 177。 2 ≤%B 且最小 ≤%B 且最小m % 长 度 % 长 度 177。 177。 2 3 13 JIS G 3106 1999 SM520C 0 20 或 40 47 47 15 3. 海洋工程结构物用钢材焊接特点 海洋工程结构物由于服役条件比较恶劣，结构设计不同于普通钢结构，对焊缝综合机械性能要求比较高，因此，要求母材必需有良好的可焊性。 海洋工程结构用钢通常有用于次要结构的低碳钢；主要结构的热轧 和正火高强度钢及重要构件的低碳调质高强度钢及油水处理系统的工艺管线用的低碳钢、不锈钢、双相不锈钢、铜 镍合金管材等，这几种钢的焊接特点如下： （ 1） 低碳钢的焊接 低碳钢的含碳量 ≤ %，可焊性良好。 其焊缝金属中的含碳量一般均低于母材，焊缝金属依靠提高硅、锰的含量和弧焊所具有的较高的冷却速度而达到与母材等强。 但冷却速度过快会使接头塑性及韧性下降。 因此在寒冷的冬季施工，焊接厚板、大拘束度结构时需要焊前预热及焊后保温缓冷。 AWS 标准规定，环境温度低于 20℃时禁止施焊。 当母材的 含碳量 接近上限时，焊缝的抗 热裂性能下降，如焊接不当，有产生热裂纹的倾向，因此采用碱性低氢型焊材有利于避免产生热裂纹。 为避免焊缝接头过热，焊接时应避免热输入过大。 （ 2） 热轧和正火高强度钢的焊接 屈服强度在 294345Mpa的热轧 钢属于 CMn 和 MnSi 系的钢种，同时添加 V、 Nb 微量元素，起细化晶粒及沉淀强化的作用。 这类钢有较好的塑性和韧性，碳当量低，可焊性较好，热影响区的淬硬倾向比低碳钢大，一般不需采取特殊的焊接工艺措施。 在厚板、接头拘束度大及低温环境下焊接时，为防止冷裂纹的产生，必须严格控制热输入、焊前预热及焊后热处理等工艺措施。 这 类钢材是海洋工程主结构主要用料。 屈服强度在 345490Mpa的 正火钢，是在固溶强化的基础上，通过细化晶粒及沉淀强化来进一步提高强度及保证韧性的一类低合金高强度钢。 此类钢随碳当量的增加，淬硬倾向加大，因此，碳当量控制在 %以下，以防止焊缝热影响区出现硬脆马氏体组织而导致热影响区塑、韧性的降低；抗应力、腐蚀性能恶化；增大冷裂纹倾向。 因此，在制定这类钢的焊接工艺时要特别注意“软组织或临界硬度”的控制。 要根据结构形式和母材厚度，确定热输入和预热温度，以控制 热影响区的冷却速度。 焊接预热有利于改善母材的焊接 性，防止焊缝与 热影响区产生裂纹，减小焊接变形，提高 焊缝金属与 热影响区的塑性及冲击韧性。 AWS 标准根据所采用的焊接方法和所焊钢材的强度、厚度，推荐了这类钢的最低预热温度与层间温度。 目前，我国的钢铁冶炼技术达到了较高的水平，同时，随着工业的不断发展，对钢材的综合性能要求越来越高，促进了钢铁行业的发展。 海洋钢结构用钢由于要求比较高，其综合机械性能必须满足相关国际规范规定的技术要求，如碳当量、低温韧性、断面收缩率等。 对海洋钢结构的管节点处等特殊部位钢材还要求为具有“ Z”向性能， 衡量钢材抗层状撕裂性能（ “ Z”向性能） 的指标一是钢材的 Z向塑性，二是钢材的夹杂物含量。 通常要求 Z35钢。 对于这种抗层状撕裂钢，要求 钢材的厚度方向的断面收缩率最低 35%（ Z35）。 这种钢材在冶炼时需特殊的工艺，特别是控制“ S”的含量，要求硫的含量小于 %，同时采取控制轧制及正火处理。 焊接具有 抗层状撕裂钢时必需 采用合适的焊接工艺， 减少焊道数，采用对称的焊接顺序。 合适的线能量、预热温度，以及采用低氢型焊接材料一方面减少了冷裂倾向，同时也减少了由于冷裂纹诱发的热影响区层状撕裂及热影响区脆化倾向，也增加了金属本身的抗层状撕裂倾 向。 在上个世纪九十年代之前，海洋钢结构的主结构用管材、板材及型材，包括工艺管线用管材及管件均需要进口，如美国、日本、德国及韩国等。 从上个世纪九十年代初期开始，随着国内钢铁冶炼技术的不断发展，已经有多家钢铁公司具备了生产海洋钢结构用钢的条件，进口钢材逐渐被国产钢材所替代。 现在的海洋工程钢结构用钢已全部国产化，无论从质量、性能，特别是可焊性方面都达到了海洋钢结构用钢的要求，并且制定了相关的国家标准。 目前海洋钢结 16 构用钢普遍采用 GB 7122020《船体用结构钢》标准，主要是中、厚板材，最厚板材厚度达到100mm，低温冲击温度达到 60℃ ，在焊接性方面已达到国外同等水平，是目前我国海洋钢结构主要的使用钢材。 （ 3） 低碳调质高强度钢的焊接 低碳调质高强度钢 的 强度一般在 441980Mpa，在控制含碳量 %以下时，能保证良好的综合性能和焊接性，不仅具有高强度和高塑、韧性。 而且有良好的可焊性。 这类钢熔化焊的基本原则有：① 从奥氏体化的热影响区冷却下来的速度达到一定程度，以便获得低碳马氏体或下贝氏体组织。 ②为避免产生冷裂纹，必须严格保持低氢条件。 这类钢的热影响区的高强度和高塑、韧性是靠低碳马氏体或下贝氏体提供的。 如热影 响区的冷却速度过低，则奥氏体将转变成粗大的贝氏体，其强度及韧性下降。 所以在拟定此类钢的焊接工艺时必须协调好焊件厚度、预热温度和线能量等参数之间的关系，以便在避免产生冷裂纹的同时，保证热影响区有合适的冷却速度，从而获得所要求的机械性能。 焊接 低碳调质钢时，尽管 热影响区最高硬度不太高并有高的韧性，但氢仍是促成冷裂纹的重要因素，在整个工艺过程中要严格保持低氢条件。 焊接材料中的氢和水分，坡口表面的潮湿、油迹等都严重影响焊接质量。 此外，焊接工艺及参数的选择，应力求有利于使焊缝金属中的扩散氢含量最低。 在保持冷却速度不低 于临界值的条件下，除适当选用预热温度和焊接线能量外，还需适当控制层间温度。 必要时采用后热以加速氢的扩散逸出。 （ 4） 不锈钢的焊接 1) 不锈钢的种类 不锈钢是通俗称呼，按用途来讲能抗大气腐蚀就叫不锈钢；能抵抗化学介质酸腐蚀的称为不锈耐酸钢；能耐高温的称为抗氧化热强钢。 按组织状态分为马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体 — 铁素体及沉淀硬化型不锈钢。 不锈钢中最重要的元素是铬，按性能需要还添加一些其它合金元素如 Ni、 Mo、 Ti、 Nb等。 氧化铬的致密薄膜对钢起保护作用，防止内部继续腐蚀。 按照电位腐蚀理论，铬的抗腐性能随含量为 13%、 17%、 25%而跳跃上升，所以不锈钢的含铬量都围绕这种含量。 碳能与铬化合使铬失去抗腐能力，特别是在晶间易产生晶间腐蚀，所以不锈钢几乎都是低碳、超低碳的。 加入 Ti或 Nb就是使之优先与碳化合，保证铬的有效含量，加入的 Ti量约为 5倍碳含量， Nb为 8倍碳含量，这样，在敏化温度（ 450℃ 850℃ ）加热，不会有碳化铬析出。 其它元素的作用分别化成铬当量和镍当量， 不锈钢通常要在热处理后使用；马氏体不锈钢在淬火加回火状态下使用；铁素体不锈钢在退火状态使用；超低碳不锈钢可不经固溶处理使用。 固溶处理是把奥氏体不锈钢加热 到 1050℃1080℃ ，铁素体不锈钢加热到 1050℃ ，按工件截面大小保温 24h，使铬的碳化物重新扩散溶入固溶体中，然后把钢放入水或油中迅速冷却，使碳化铬来不及析出而获得抗晶间腐蚀能力。 含Ti或 Nb的奥氏体不锈钢在 800℃ 以下使用时，一般要经过稳定化处理，即在固溶化处理后，再加热到 850℃ 900℃ 保温 24h，使 Ti或 Nb与碳化合，从而保护铬，起抗腐蚀作用。 2) 不锈钢的焊接特点 不同类型的不锈钢，焊接性能是不一样的。 铬镍奥氏体型不锈钢的焊接性，一般说是比较好的，它虽然是高合金钢，但不要求预热，然而焊 接材料选择不当，焊接工艺不合理或没严格遵守焊接工艺，都是会出现问题。 主要问题是降低焊接接头的抗晶间腐蚀能力和焊缝出现热裂纹。 另外还可能有下面所说的 475℃ 脆性和 !相脆性问题。 焊接铁素体型不锈钢时有产生脆化和冷裂纹的倾向。 过热区晶粒粗大难以热处理细化，常温冲击韧性低。 铬含量越高，高温停留时间越长，脆性倾向越严重。 当焊缝或热影响区在 400℃ 17 600℃ 或 650℃ 850℃ 温度范围停留时间过长，还可能出现所谓 475℃ 脆性或 σ相脆性。 前者有人认为与铬的氧化有关，近来研究发现是由于铬铁素体的有序化造成的，后者则是铁素 体转变成脆性的 σ相引起的。 马氏体型不锈钢具有强烈的淬硬和冷裂倾向，含碳越高越敏感，因此要控制预热温度和层间温度在马氏体始变温度（ 450℃ ）和终变温度（约 200℃ ）之间，并控制冷却速度。 焊后还要回火（约 730℃ 790℃ ）。 为防止晶粒粗化，回火不能从预热或层间温度直接加热处理，而应冷却到 150120℃ ，保温 2h，奥氏体变成马氏体，然后再及时加热回火处理，以获得具有足够韧性的细晶粒组织。 沉淀硬化型不锈钢由于经历了 3个步骤的热处理，即固溶处理、以固溶处理温度淬火和时效处理，焊接热循环使近缝区再受到热处理，出现了 熔化区、固溶区和过时效区。 固溶区一方面软化，另一方面晶粒粗大，要作焊后时效处理后才能使之硬化。 但时效区则不能因此而硬化，必须再次固溶处理、淬火和时效处理才行。 此外，焊接沉淀硬化合金还有热影响区裂纹问题。 这种裂纹通常是位于近熔合线的微裂纹，与焊缝的热裂纹相似，可以通过控制母材成分来防止，如控制产生低熔共晶的成分。 ① 奥 氏体不锈钢焊接 奥氏体不锈钢具有良好的焊接性能，但必须正确选用焊接材料和焊接工艺，才能防止焊接接头出现热裂纹和晶间腐蚀。  热裂纹 焊接奥氏体不锈钢时，主要是其枝晶方向性强，线膨胀系数大，焊缝冷 却时收缩应力大，容易出现热裂纹，并且变形倾向大。 生产上采用焊缝金属为奥氏体 铁素体双相组织的焊条焊接奥氏体不锈钢；采用低氢焊条促使焊缝金属晶粒细化，减少焊缝中的有害杂质，提高焊缝的抗裂性；采取尽量快的焊速，等待焊层冷却后再焊下一道，以减小焊缝过热；焊接结束或中断，收弧要慢，填满弧坑，防止弧坑裂纹；选用较小的焊接电流。  晶间腐蚀 奥氏体不锈钢在 450850℃ 停留时，奥氏体晶粒内的碳会以 ，使晶界的晶粒表层贫 Cr。 当在腐蚀性介质中，晶间贫 Cr 层就会遭到腐蚀破坏。 在焊接过程中，母材和焊缝金属的局部区域在此危险温度区间内停留时，会给焊接接头造成晶间腐蚀。 有时焊后进行热处理也会造成晶间腐蚀。 生产中为避免晶间腐蚀，采用尽可能快的焊接速度；焊条不横向摆动；多焊道时，等前一道焊缝冷却到 60℃ 左右时再焊下一道；与腐蚀介质接触的焊缝最后焊接；尽量减少焊接接头在危险温度范围内的停留时间。 ② 铁素体型不锈钢的焊接  热影响区晶粒急剧长大， 475℃ 和 σ相析出而会引起接头脆化。  在温度高于 1000℃ 的熔合线附近快速冷却时，会产生晶间腐蚀。 但经 650850℃ 加热，随后缓冷，则可消除。  焊前可预热防止裂 纹产生。 焊接时，采用小电流、快速、焊条不摆动焊法。  多层焊时，要控制层间温度，待前条焊道冷却到预热温度后，再焊下一焊道。 ③ 双相和超双相不锈钢的焊接 双相和超双相不锈钢以其优良的性能，具有良好的耐应力腐蚀性、抗点蚀、抗缝隙腐蚀及晶间腐蚀能力，而越来越受到重视。 双相和超双相不锈钢管、板、通用联接件和锻件等在显微组织上的奥氏体 铁素体比例近似为 50： 50，这种组织与总合金量一起赋予该合金以下特点；  比标准不锈钢的强度高；  在广泛的环境内一般耐腐蚀性很好；  有很强的抗氯化物引起的应力腐蚀裂纹 (CSCC)的能力；  在氯化物环境（例如海水）中强耐点蚀能力； 18 这种合金在海洋石油和天然气、化工和石化工业中得到了广泛的应用，例如管道系统、溢水口、集流管等。 因其铁素体及奥。