最大限度地减少海上潜水弧焊的风险
为了提高埋弧焊沉积速率，需要适当选择耗材，以达到一致的韧性和低扩散氢镀层

由Ben Schaeffer和Teresa Melfi，林肯电气公司

焊接完整性，质量和一致性兼容较高的焊接生产率和更低的制造成本，只要考虑关键因素。扩散氢气的效果，合金系统的选择和焊接程序的选择都在维持海上焊接中的高质量和一致性方面发挥着至关重要的作用。

在政府法规、船东代表和代理船级社日益严格审查的时代，焊工和焊接工程师面临着明显的挑战。业主代表密切监视堆场的焊接活动，通常在合同授予前寻找整体焊接性能中低于1%的不良率。这就要求设计工程、制造和建筑公司重新考虑焊接过程中的安全裕度。为了在深水中最先开采石油或天然气，采用高强度材料的设计越来越普遍，更高生产率的焊接程序也越来越普遍，甚至在埋弧焊(SAW)等自动化工艺中也是如此。然而，焊接变量的变化也会增加氢含量，进一步影响延迟开裂的风险。氢相关的开裂已知是氢的数量，微观组织的敏感性和金属上的残余应力的函数。影响氢扩散的焊接程序和做法常常被忽视。焊接生产率的提高几乎总是导致单个焊道更厚，每小时焊道更多(焊道之间的时间更短)。结果是更大的扩散距离，更短的时间氢气逃逸和增加氢相关的裂化风险。这些因素，特别是与海上焊接工业中常见的高强度钢的微观结构相结合时，要求对焊接各个方面的氢控制有新的认识。

除了增加氢气破裂的风险之外，诸如裂纹尖端开口位移（CTOD）韧性，当用传统的焊接耗材和工艺沉积较大的焊珠时，通常会受到损失。本文量化了标准化扩散氢气和CTOD测试中探索的风险因素，消除了一些常见的信仰并提出其他人。从这方面，建立了选择，以减轻大型海上结构的现实环境中的这些风险。因此，重要的是海上公司对焊接的技术要求增加，并寻求新技术和策略，以维持焊接沉积性能的一致性和质量，实现更高的生产力。对于SAW，这是通过焊接程序升级结合正确选择焊接耗材来实现的。

用交流技术提高生产力
对海上平台和组件的制作需要对焊接质量的坚定承诺，但也是谨慎管理成本和生产计划的承诺。SAW电源的新技术是交流波形控制。如图所示图1，交流波形控制允许显著提高电极沉积速率，允许在相同的平均热输入下更高的焊接生产率。

在单弧焊或多弧焊应用中，降低了焊接和操作成本，提高了焊接团队的生产率。此外，一些最新的基于逆变器的声表面波系统的输入电流要求降低了高达50%，用户一致表示，与传统声表面波设备相比，节省了大量的能源。然而，提高沉积速率并非没有代价。这个代价就是风险;具体来说，机械性能(韧性)失效的风险和氢相关开裂的风险。

CTOD韧性和消耗品选择
通过SAW交流波形控制提高生产率与更高的沉积速率相关，通常伴随着较厚的单独焊道。许多合金系统的韧性是在沉积焊缝金属经过再加热和随后的焊缝道次细化(参见图2）。通过增加沉积（未精制的）焊接金属的百分比，由较高沉积速率产生的厚焊珠可以影响机械性能。未精制的焊接金属与较粗的晶粒微观结构相关，更多的晶粒边界铁氧体和Mn-Si（低碳酸）和Mn-Si-Ni合金系统的较低韧性相关。

图2：浸没式电弧焊接中的焊接金属细化

当没有加入这种合金时，焊缝尺寸和位置对焊缝沉积韧性的影响尤其大。更小的焊珠和更多的道次确保了更高的精炼焊缝金属含量，但限制了焊接生产率。埋弧焊焊剂的技术进步使得低碳钢和低合金系统的未精炼焊缝金属具有更好的韧性，而无需牺牲传统的扩散氢或在较高沉积速率下易于焊接。表1结果表明:主要为未精炼焊缝金属(WCL + 5mm)的CTOD韧性@ -10℃;参见图2）接近主要精制的焊接金属（焊接中心线（WCL），参见图2)，当使用相应设计的焊剂时，适用于低碳钢和低合金镀层。这些结果表明，即使在整体未精炼焊缝金属浓度较高的情况下，整个焊缝堆积物的韧性也始终一致，这意味着在修改接头设计和焊接程序以提高生产率时，与韧性相关的失效风险可能会降低。

表1:低碳钢焊缝层在-10°C时的透厚CTOD值;焊缝中心线(WCL)主要由精炼的焊缝金属组成，而WCL + 5mm主要由未精炼的焊缝金属组成，CTOD测试位置的描述见图2

一致的CTOD值焊接沉积层也可以作为其自身生产率的提高。CTOD值量化了焊缝对延性裂纹扩展的抗力。在厚焊段的多道次焊接过程中，残余应力的积累会降低焊缝抗延性裂纹扩展的能力(并降低CTOD值)。焊接后热处理(PWHT)经常被制造商用来消除残余焊接应力。根据离岸标准DNV-OS-F101:

除非裂缝韧性试验显示为焊接条件的可接受值，否则焊接焊接热处理应对C-Mn和标称壁厚的焊接接头进行焊接接头进行。

焊接状态下一致的CTOD值消除了PWHT的需要，显著降低了成本并提高了生产率。

扩散氢和消耗品的选择
在较高的沉积速率下，正确选择焊接耗材也至关重要，以抵抗较厚焊缝中常见的故障——延迟氢开裂。

用于海上和管道关键结构的材料和焊接程序的鉴定通常包括广泛的焊接和在生产条件下验证机械性能(包括CTOD韧性)的测试。因为扩散氢测试很难在实验室之外进行量化，所以它的验证也并非如此。使情况更加复杂的是，大多数离岸船厂都位于海边的高湿度地区。这些因素使得SAW线和助焊剂组合在沉积低氢焊接金属的能力方面更加重要——无论是直接从包中出来还是暴露在潮湿的环境中。

故障模式排名使用频率、严重程度和缺陷的可检测性来确定风险等级。勤奋的制造商可能会认为氢裂解的频率较低。任何海底管道或组件的焊缝开裂都是一种严重的缺陷，由于检测氢裂纹的难度，在使用中出现故障的风险会增加。氢裂纹可能在焊接后立即或几天内开始。图3.结果表明，虽然氢的测量体积随着后续焊接道次的增加而增加，但在多道焊接接头的第一道焊接道次中，焊缝金属氢的浓度最高(即每100克焊缝沉积的氢)。在这种情况下，氢裂纹可能位于焊缝深处(常见的海上接头深度可达3或4英寸)，需要复杂的无损检测技术进行检测，维修费用也很高。

图3:多道焊中的扩散氢

氢裂纹的横截面（图4一）从高强度焊接表明这种裂缝也可以立即启动。显示该裂缝源于多条焊缝的第一次通过。暴露的裂缝表面（图4 b)确认立即开裂，因为在第一通道区域发现了热色。在海上结构焊接中，严重程度和可检测性的因素产生与氢裂纹相关的高风险。

图4:多道焊氢裂纹的例子

如图所示图5中,增加焊道间时间(特别是在焊道间温度)对降低可扩散氢含量是有效的。虽然增加预热和道间温度有助于降低氢开裂的风险，但这样做也可能降低焊缝金属强度。其他降低扩散氢的方法(通道间保持时间和脱氢浸渍)也会降低生产率。同样，避免此类实践使得消耗品的选择和处理尤为重要。

图5：用于单通焊缝的扩散氢气时间衰减;样品（在250°F处保持）需要超过一小时，以使其初始扩散氢含量减半

所有SAW熔剂(无论是团聚的和熔融的)在水分含量和扩散氢之间有独特的相关性。熔剂的水分特性在最大限度地降低与氢有关的裂化风险方面同样重要。这种关系限制了给定助焊剂的最低可达氢含量，即使在预焙或预干燥助焊剂之后。图6.从被认为是欧洲和亚洲海上焊接应用行业标准的焊剂中获得的扩散氢与用新技术设计和制造的焊剂之间的差异。一种用于海上焊接应用的新型焊剂——Lincolnweld®842-H™——在市场上是独一无二的。它被设计用于产生超低的扩散氢，通常在交流和直流极性沉积焊缝金属少于3 mL/100g，降低焊缝金属氢开裂的可能性。这对于海上建筑行业来说很有价值，因为海上建筑行业的可操作性、冲击韧性和低扩散氢的一致性至关重要。

图6:两个焊缝样品的氢气扩散;用相同的程序对样品进行焊接和测试;扩散氢值对应于图7中的“As-Received”条件

无需预处理的通量使用能力降低了成本和复杂性，同时最小化了处理过程中的出错几率。在焊剂的设计、制造和包装中使用的新技术允许直接从其包装焊接Lincolnweld®842-H™。在这里，新技术再次与“行业标准”通量进行比较，暴露后的扩散氢差异的幅度是惊人的。制造商和检查员通常对每100g焊缝金属的扩散氢水平为5ml感到满意，但对每100g焊缝金属的扩散氢水平接近15ml感到担忧是正确的!

图7:加湿后通量的扩散氢;接收焊剂以及暴露在高湿度环境下的焊剂的氢势应最小，以减少与氢有关的开裂风险

结论
针对深水和超深水锯应用指定耗材需要预见和勤奋，以生产强大的焊接，不仅掌握了恶劣环境，而且符合CTOD值等越来越严格的行业质量和测试标准。

焊接采用最新的逆变器交流波形控制交流/直流电源，具有极大提高生产效率的潜力。结合高韧性、低氢通量，可以实现降低成本、降低风险的目标。应用于声表面波电源和磁通设计的新技术使这一切成为可能。

最初由美国焊接学会印刷焊接杂志, 2013年3月。