摘要：桩腿是自升式平台主要构件，在服役期间要承受很复杂的载荷，齿条作为桩腿的最重要和核心的部分，对发挥升降功能起着至关重要的作用，因此桩腿装配和焊接质量显得尤为重要。齿条板对接接长为桩腿制造的关键工序，齿条板采用超高强度大厚板A514 GR.Q Mod材料，焊接质量要求高。本文结合齿条板材料特性拟定焊接工艺。
关键词：自升式桩腿，齿条板，A514 GR.Q Mod，焊接工艺
0.前言
本文介绍一种用于Liftboat上的桩腿齿条板。桩腿是自升式平台主要构件，在服役期间要承受很复杂的载荷，齿条作为桩腿的最重要的部分，对发挥升降功能起着至关重要的作用，对桩腿装配和焊接质量显得尤为重要。采用与标准ASTM A514标中GR.Q个别元素稍有偏差但强度等级相同的ASTM A514 GR.Q Mod材料，不在AWS D1.1 材料清单中，按AWS D1.1，作为一种新型材料必须进行新焊评。
1. Liftboat自升式桩腿简介
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图1 Liftboat 375英尺多功能服务平台模型
1.1 平台桩腿设计
375英尺自航自升式平台，总吨位8000T，甲板设计载荷5T/m2，可变载荷2000T。桩腿结构在服役期间要承受复杂的载荷，升降装置既需要在升降状态下完成桩腿及船体的升降功能，又要在正常工况或风暴状态下承受高频交变载荷。桩腿采购三角桁架式架构，采用超高强钢，以减轻自重，提高可变载荷与平台自重比。
1.2 平台桩腿构成
本项目桩腿共4条，高114.3米，单根总重约375吨，共计1500吨。主弦管由齿条板和半圆管焊接而成，齿条板与半圆管的材质均为A514 GR.Q Mod，齿条板的厚度为127mm，半圆管规格为OD380mm*24mm。
2. 齿条材料和焊接材料的选择
齿条和半圆板焊接成主弦管，全部采用A514 Gr.Q Mod，屈服强度≥690Mpa，抗拉强度≥770MPa，满足-40℃冲击，横向冲击最低34J。主弦管、分段TKY节点的焊接质量和尺寸精度控制在规范和业主要求范围内，为该工程的难点和关键。
127mm厚齿条接长立焊对接SMAW的焊接工艺。焊材选用日本神钢等强匹配的E11018级别的焊条：LB-80L。
2.1 材料焊接性分析
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2个批号产品证书化学元素表2中含C, Cr略低于 ASTM A514 Gr.Q 表1中的质量分数。
A514 Gr.Q Mod Q+T调制钢，是ASTM A514 Gr.Q（表3）改良版材料，其屈服指标要求高于ASTM A514 Gr.Q，127mm厚度，屈服强度Min.690MPa，力学性能类似AB/EQ70和DNV E690。A514 Gr.Q Mod产品母材的力学性能举例，见表3：
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根据国际焊接协会推荐的碳当量计算公式计算出，A514 Gr.Q Mod范围为 0.61%~0.63%。
碳当量大于 0.45％，就容易产生裂纹，A514 Gr.Q Mod 碳当量超0.6%，淬硬倾向和开裂倾向大。综上分析，此齿条板焊接过程面临的主要问题是：防止延迟冷裂纹的出现。
从降低组织淬硬、减少熔敷金属扩散氢含量以及降低残余应力三方面考虑：
1）降低淬硬组织
合理控制焊接热输入，采用150℃~230℃的预热和层间温度，降低800 ℃到500℃的冷却速度，有效降低焊接残余应力和减少淬硬组织，同时扩散氢逸出；
2）降低焊缝扩散氢含量
采取预热并控制合理的层间温度、焊后立即消氢或采取保温缓冷消氢、采用超低氢手工电弧焊等措施减少焊缝中氢的含量。如采用高韧性的氢含量＜H5 认证焊材，进一步减少氢的来源。焊后消氢200~250℃（2.5小时），增加扩散氢逸出量。
3）降低拘束度和残余应力
由于母材较厚，刚度和拘束大，内应力大。127mm齿条接长以及窗户板焊接，均采用采用无马板定位工艺，焊接过程中，监控尺寸变化，无变化则对称焊接，对接缝焊缝自由收缩，减少马板的拘束应力。
在施焊过程中，忽视以上措施，则易出现裂纹。
2.2 焊接工艺评定
通过严格执行和控制焊接线能量，以及寻找防止和减少焊接热影响区冷裂纹的有效措施，改善或提出合适的焊接工艺和参数，来降低脆性断裂和疲劳断裂。结合以上因素，拟定不同焊接参数的焊接工艺（pWPS），然后进行焊接试验，按评定AWS D1.1标准和试验标准要求进行理化性能试验，并邀请船检现场见证WPQT各个检查见证点。
2.2.1拟定焊接工艺PWPS
根据相关规范要求，拟定焊接PWPS list和编制WQPT试验清单，选用等强度级别和韧性的焊接材料。
2.2.2 焊接预热和层间温度的选择
参照AWS D1.1-2010[1]标准表4.9的A514材质预热和层间温度要求，与127mm齿条板焊接，65mm以上最低预热温度为110℃，考虑板厚超100mm，将预热温度提高150℃，层间温度控制在230℃以内，且不低于预热温度。防止延迟冷裂纹。通过控制层间温度可控制过热区的软化[2] 。
2.2.4 试验和结果
部分试验数据如下：
1）拉伸试验，见表5：
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2）16个侧弯试验全部合格。
3）-40℃ 冲击试验，见表6：
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从 WPQT试验数据，焊缝中心（WMCL）冲击韧性相对HAZ低一些，但满足规格书Min.34J(-40℃) 的要求。
4）维氏硬度值（见表7）满足标准≤420HV10要求。
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图2 硬度打点分布图和宏观晶相
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3. 总结
经过ABS认证的ASTM A514 GR.Q Mod改性材料的焊接，可借鉴的经验少，而超高强度钢大厚板焊接，容易出延迟冷裂纹。通过对Liftboat多功能服务平台齿条板A514 GR.Q Mod的焊接工艺研究，采用LB-80L焊材焊接，可借鉴本文的焊接工艺条件，得到高质量的焊接接头[3]。
参考文献：
[1]. AWS D1.1/D1.1M:2015 Structural Welding Code—Steel. [S] Approved by the American National Standards Institute, July 28, 2015.
[2]. 王威，董炜，赵虹 自升式海洋平台桩腿齿条板焊接工艺研究[J] 中国水运，2012 Vol.12 (6)
[3]. 李风波，朱春生等 ASTM A514 Gr.Q 钢焊接工艺[J] 焊接技术，2010 39（3）
第一作者简介：
吴瑞（1987.09-），男，学士；研究方向：海工装备与制造；