海洋钢结构中层状撕裂的控制

1. 海洋钢结构中层状撕裂的控制 作者：李大鹏 单位：海洋石油工程有限公司

2. 摘要 我们生产的海洋结构中，由于使用的板材都比较厚，很容易产生层状撕裂(Lamellar tearing)，尤其在节点和吊点部位。层状撕裂危害性很大，如果不采取措施控制，很可能会导致产品失效。 针对层状撕裂造成的严重危害，施工中采取了一系列措施对其进行控制。主要方法有：正确使用Z向钢、改变焊接接头的设计、改进焊接工艺、改变焊接技术并焊后采取热处理方式等。

3. 1、层状撕裂的产生条件与特征 1.1 层状撕裂的定义 厚板结构焊接时由于Z向（板厚方向）承受拉应力作用而致沿厚板轧层产生开裂，即所谓的“层状撕裂”。层状撕裂常发生于全熔透的T形接头或角接接头中，主要发生在热影响区。层状撕裂属于冷裂范畴，是母材冷裂的一种形式。

4. 1、层状撕裂的产生条件与特征 1.2 层状撕裂产生的条件 促使层状撕裂产生的条件有二： （1）钢材中存在脆弱的轧层（轧层上存在局部集中的非金属夹杂物）。板厚越大，越易形成夹层，所以一般的薄板不会形成层状撕裂； （2） 焊接接头在板厚方向（Z向）产生较大的拉伸应力或应变，是引发层状撕裂的外因。运行载荷引起的外加应变，虽然不足以引发撕裂，但可以使撕裂扩展。构件中所产生的应变会在与轧制平面垂直的方向上有一个可观的向量，钢板抵抗这种垂直方向应变作用的能力较差。因此会产生撕裂。

5. 1.层状撕裂的产生条件与特征 1.3 层状撕裂的特征 层状撕裂属于冷裂范畴，但不同于普通的冷裂纹（氢致开裂或淬硬开裂），与夹杂物存在相关的脱聚开裂是其最大的特点。因此仅仅提高预热温度是难以防止层状撕裂的。

6. 2.生产中层状撕裂的控制 2.1 正确使用Z向钢 层状撕裂内因是非金属夹杂物的存在，那么我们就先从材料上入手。钢中存在着各类夹杂物，最常见的是硫化物和硅酸盐夹杂物，但是很难通过试验区分清楚究竟是那一种夹杂物对层状撕裂的影响最大。但可以确定，钢中含硫量越多，Z向拉伸时的延性（常以断面收缩率φz来表示）就越低下，层状撕裂倾向就越大，如图一所示。因此选择钢材时一定要控制S的含量。具有良好的抗层状撕裂的钢，特称为“Z向钢”。一般按含硫量及φz对Z向钢分级， 如表一所示。

7. 2.生产中层状撕裂的控制 图一 Φz与钢中含量的关系

8. 2、生产中层状撕裂的控制 表一 Z向钢分级

9. 2、生产中层状撕裂的控制 实践表明，φz的影响很明显。 Φz≤10%，低度约束的T形接头（工字梁）可能有一些层状撕裂倾向。 Φz≤15%，中等约束的接头，会有一定的层状撕裂。 Φz≤20%，只在高约束接头时有一定层状撕裂倾向。 Φz≥25%，在任何接头中一般都不致产生层状撕裂。

10. 2、生产中层状撕裂的控制 在海工产品的生产中，易产生层状撕裂部位主要有导管架的KTY节点、组块拉筋节点和各种吊点，如图二a、b所示。对这类部位在钢板选材时一定要采用Z向钢。场地上大部分Z向钢都来自舞阳钢铁厂，含硫量可以控制在0.002%左右，在Z向钢分级中可以达到Z35要求，Φz≥25%，这样在任何接头中一般都不致产生层状撕裂。

11. 2、生产中层状撕裂的控制 图二

12. 2、生产中层状撕裂的控制 2.2 改善接头设计      （1） 采用合理的焊缝形式及小焊脚焊缝     焊缝的形式对基材变形有很大影响。焊缝的坡口越大,焊缝表面积也越大,将增加收缩应力。单坡口焊缝会在整个连接厚度方向上产生不对称收缩应变而双坡口焊缝会减少和平衡部分收缩变形,当板材厚度不大于19mm时,用双坡口代替单坡口并不能显著降低焊缝收缩变形。

13. 2、生产中层状撕裂的控制 （2）分段拼装     在可行的情况下，应将一个大节点分成几个部分分别焊好后再拼装,并对各部分中焊缝的焊接次序进行仔细安排。此外，应尽可能减少定位焊点的尺寸及数量。这些都将有利于节点焊缝处的收缩变形。 （3）贯穿部件端部延伸一定长度有利 ，现场施工时在组块的节点处都留有一定长度，此长度完全超出板厚的临界长度，进而控制了撕裂的产生，如图三。

14. 2、生产中层状撕裂的控制 图三

15. 2、生产中层状撕裂的控制 （4） 谨慎布置加劲板     加劲板会对焊缝变形产生约束.应按计算的要求设计加劲板及其焊缝。 2.3改进焊接工艺 1、改变焊接方法 现场焊接时，多采用FCAW代替SMAW，因为FCAW的冷裂倾向要小，所以有利于改善层状撕裂。

16. 2、生产中层状撕裂的控制 2、 选择屈服强度低的焊条    只要能满足受力要求,应尽可能选择屈服强度低的焊条。美国焊接学会的<<结构焊接规范>>和美国钢结构协会的<<建筑结构设计、制作、安装规程>>均指出:焊条、焊丝和焊剂应于基材"匹配"。一般,这种"匹配"是以抗拉极限强度为基准的。即使当焊接金属标号于结构钢材非常"匹配"时,焊接金属的屈服强度也比基材要高得多。 使用干燥的低氢焊条，可以减少扩散性氢产生的内压，控制裂缝的出现。

17. 2、生产中层状撕裂的控制 3、焊接技术的应用 （1）采用表面隔离层的堆焊 （2）对称施焊 （3）采用适当小的线能量，以减小热作用 （4）严格控制焊缝尺寸 （5）采用小焊道，多道焊，如图4，b优于a

18. 2、生产中层状撕裂的控制 图四

19. 2、生产中层状撕裂的控制 4、 焊后应力消除 层状撕裂是在力的作用下产生的，焊接后会有很大的残余应力，这对层状撕裂有很大影响。所以焊接结束后，一定要采取措施消除应力。现场主要采用的方法有锤击法和焊后热处理法。锤击法是在焊接结束后锤击焊缝，这样可以使焊缝得到延展，从而降低拉伸应力的峰值。锤击可在500℃以上的热态下进行，也可在300℃以下的冷态下进行，这样可避免钢材的兰脆。锤击可以用手锤或锤头为一定直径的半球形风锤来进行，但施力适度。热处理法采用的是低温退火，加热温度在Ac1线以下，也就是说在单相奥氏体形成温度以下，这样金属内部并不发生组织转变，而只是发生蠕变现象，同时屈服点降低，易发生塑性变形，从而使应力松弛。随着温度的提高和保温时间的延长，金属材料的蠕变更加充分，但时间不能过长，以免晶核长大。

20. 3．实例分析 在海工生产的比较大的组块中，海上安装时往往采用浮托法，而现在还有一些组块依旧采用整体吊装的方法，如海工正在建造的LD22-1组块，由于设计吊装重量为3400吨，这样吊点的承载力很大，为了满足强度要求，采用比较厚的钢板制作，如图五，这时就很容易有层状撕裂现象发生。层状撕裂现象一旦发生，很难修补，这对工程进度和施工成本都会造成很大影响。为了避免层状撕裂的产生，施工时采取了一系列措施：

21. 3．实例分析 3.1 选用舞阳钢铁厂制造的Z35钢板，钢板含硫量大约在0.002%左右，断面收缩率Φz≥25%，这种情况下无论采用何种接头形式，都不容易产生层状撕裂。 3.2 严格控制组对间隙，间隙过大就会无形间增加了焊接工作量，进而会增加内应力，对控制撕裂很不利。现场采取样板法进行控制，先在电脑上放出开槽样板，然后依据样板在开槽位置划线，这样大大减小了组对误差，可以把组对间隙控制在10mm以内。 3.3 选用低氢焊条，焊接时使用了美国林肯的LH-75MR焊条，并在焊接前烘焙保温，以保证焊条干燥，同时对要焊接部位进行预热。

22. 3．实例分析

23. 3．实例分析

24. 3．实例分析 3.5 采取措施消除应力，现场焊接时先用锤击法消除部分应力，焊接后用加热垫片进行局部热处理，热处理温度参见 表2、表3。 表2 加热速率及保温时间

25. 3．实例分析 表3冷却速率

26. 3．实例分析 通过热处理，降低了内应力，同时消除了部分氢。有效的防止了撕裂的产生。 3.6 2次UT检测，为了达到设计要求，焊接时采用SMAW方法，这样冷裂倾向要比FCAW大，而且由于板厚过厚，焊道宽度太宽，焊接后应力集中明显，很容易出现氢致裂纹和层状撕裂，为了杜绝隐患，现场对焊接部位采取2次UT检测措施，48小时检测一次，15天后再检测一次。 LD22-1组块吊点的制作，从板材选择到焊接控制都是在理论的指导下进行的，经无损检测没有发现缺陷存在，满足了质量要求。

27. 四、总结 层状撕裂的控制主要取决于板材质量，所以在板材选择和使用上要严格控。正确使用了Z向钢，再采取一些适当的焊接措施和控制方法，层状撕裂就不会对产品造成严重的影响。

28. 谢 谢