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1、CTOD高效焊接工艺在海工装备制造业的应用中远船务工程集团有限公司杨文华,中远船务工程集团有限公司简介：中远船务工程集团有限公司（简称：中远船务集团）组建于2001年6月，是中国远洋运输（集团）总公司旗下，以大型船舶和海洋工程建造、改装及修理为主业，集船舶配套为一体的大型企业集团。目前在中国沿海大连、舟山、南通、广东、上海、连云港、天津、厦门等地拥有7家国内领先、国际享誉的大型海工和船舶造修企业和8家专业化船舶配套企业，形成了“北中南”科学合理的生产设置和空间布局。目前，公司坞容总量252万吨，厂区总面积逾600万平方米，各种配套设施设备先进，为总装化、集约化、专业化生产提供了充足保障。集团全
2、系统在职员工1万余人，分承包方员工近4.5万人。基于专业化的服务和现代化的管理，公司已经成为世界知名航运公司和海洋石油服务供应商首选合作伙伴。,海工产品简介,1号船项目获得“2011年度全国科技进步一等奖”该系列平台建造合同为：4+2模式，目前，2号船已交付使用；3号主体已下水，4号正在进行船台搭载,海工产品简介,海工产品简介,海工产品简介,目前南通船务在建N407、N408项目与该项目类似,海工产品简介,海工产品简介,海工产品简介,海工产品简介,海工产品简介,目录,一、课题背景二、选题理由三、现状检查四、目标确定五、原因分析六、要因确定七、要因分析八、对策及实施,八角“奥特宝”,目录,九、效
3、果检查十、效果巩固十一、小结打算,云中矗立的海工平台,一、课 题 背 景,1.N262 和N389 项目概况2.CTOD 简 介：,1.N262 和N389 项目概况：,N262 和N389 项目为美国船东公司建造，是一个概念性项目，属于“FDPSO”生产储油平台，该海工产品集储油、炼油功能于一体，属于当今世界海洋钻井平台技术水平最高，作业水平能力最强的领先产品。（因保密条款要求，就不进一步介绍了）,南通中远船务 高效焊接研究小组 2011年成果报告,一：课 题 背 景,2.CTOD 简 介：,CTOD 试验是一种评价材料和焊接接头抗断裂性能的有效方法。工业发达国家已在制造业中广泛应用CTOD
4、试验作为焊接接头的评定方法，以评价焊接接头整体抗开裂性能的优劣。如果CTOD值足够，说明韧性足够，可以免除做焊后热处理。,一：课 题 背 景,高效焊接工艺与降本增效,二、选 题 理 由,二、选 题 理 由,工艺要求,焊接接头必须具有足够的韧性；焊接接头要具有良好的抗裂性能；,二、选 题 理 由,热处理后的焊接接头韧性未必提高，甚至降低；热处理增加诸多困难和不便；热处理使成本增多；,只要通过CTOD试验可以证明整体板厚的焊接接头韧性优良，可以不做热处理。而保证CTOD 试验的通过，前期必须做大量调查和研究工作。为了研究超厚超高强度钢API 2W Gr.60、AB/EH36级别的抗裂性能，还能同时
5、兼顾焊接结构的安全性和建造施工的经济性。我们成立了技术攻关小组，开展高效焊接工艺推进工作，制定合理的焊接工艺、研究和提高超高强钢焊接接头韧性和抗裂性能，提高质量，降低消耗，提高经济效益。,二、选 题 理 由,高效焊接工艺与降本增效,三、现 状 检 查,Quality Management Department 2011/03/21,对焊后热处理工艺和做CTOD试验进行如下比较：,三、现 状 检 查,Welding Office,Quality Management Department,对焊后热处理工艺和做CTOD试验进行如下比较：,三、现 状 检 查,只要通过CTOD试验可以证明整体板厚的焊
6、接接头韧性优良，可以不做热处理。而保证CTOD 试验的通过，前期必须做大量调查和研究工作。为了研究超厚超高强度钢API 2W Gr.60、AB/EH36级别的抗裂性能，还能同时兼顾焊接结构的安全性和建造施工的经济性。我们成立了技术攻关小组，开展高效焊接工艺推进工作，制定合理的焊接工艺、研究和提高超高强钢焊接接头韧性和抗裂性能，提高质量，降低消耗，提高经济效益。,三、现 状 检 查,经查焊材资料和公司的焊材复验和PQR数据，DW-A55LSR焊材热处理后，材料强度和冲击韧性都变差，如表1，表2所示：,表1,三、现 状 检 查,可见，选择合适的焊接方法和材料，制定出适用的焊接工艺和焊后热处理，提高
7、焊接接头韧性，会消耗大量的人力和物力，浪费能源、降低企业效益；选择增做CTOD试验，既能改进质量、降低消耗，提高经济效益。,表2,三、现 状 检 查,高效焊接工艺与降本增效,四、目 标 确 定,四、目 标 确 定,完成拥有自主知识产权的带有CTOD试验数据的工艺报告和工艺文件，实现集团内CTOD试验工艺文件的零突破。确保工程顺利进行，提高工程质量，改善施工工艺和环境，提高经济效益。争取在TTR项目上节约成本200万。,选定焊接工艺参数，提高焊接接头韧性，确保超高强度钢焊接试板力学性能达到标准、项目规格书、工艺文件和船东要求。确保CTOD的试验成功，满足CTOD 尖端开口距离不小于0.25mm的
8、目标（标准规定不小于0.15mm）。,高效焊接工艺与降本增效,五、原 因 分 析,5M1E分析,五、原 因 分 析,高效焊接工艺与降本增效,六、要 因 确 认,六、要 因 确 认,高效焊接工艺与降本增效,七、要 因 分 析,七、要 因 分 析,高效焊接工艺与降本增效,八、对 策 及 实 施,八、对 策 及 实 施,目前集团内没有做过包含CTOD的焊接工艺，按EEMUA 158：1994 建造此类结构，在集团内尚属首次，没有可借鉴的经验。经过调研和多方协商，制定了对策表：,8.1对策及实施计划表,八、对 策 及 实 施,1）编制pWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD试验程序）,
9、8.2.实施,2011年1月，小组查阅资料，结合试验和建造经验，选用韧性良好的焊材DW-55LSR，KRYO1；选择合理的焊接参数，规定手工焊热输入不大于3KJ/mm，在1.4-2.5KJ/mm；规定药芯气体保护焊热输入在0.6-1.3 kj/mm（2G横焊位置）、0.8-1.6KJ/mm(3G立焊位置)范围内；,研究设计图纸、标准和规格书等文件，编制完成PWPS和CTOD TEST PROGRAME试验程序，提交给船东和船检，并得到认可。,八、对 策 及 实 施,1）编制pWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD试验程序）,8.2.实施,选用焊材：根据AWS D1.1和EEMU
10、A 158标准要求，对于420Mpa和355Mpa级别对接接头，选用DW-A55LSR进行焊接，KRYO 1用于返修。以下是公司部分焊材熔敷金属焊后状态下的的数据：,从表中可以综合看出，焊材具有良好的力学性能。,八、对 策 及 实 施,1）编制PWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD试验程序）,8.2.实施,拟定PWPS：,拟定力学性能试验项目（MPT&CTOD）：,八、对 策 及 实 施,1）编制pWPS和CTOD TEST PROGRAME（CTOD试验程序）,8.2.实施,拟定PWPS：,拟定力学性能试验项目（MPT&CTOD）：,八、对 策 及 实 施,8.2.实施,2
11、）制定国外WPQT试验计划和确立试验合作方：,国内CTOD试验起步较晚，国内一些院校和企业经验和技术上比发达国家还有一定的差距，而且费用也高。目前，英国、挪威和美国等国家对焊接接头低温韧性测试技术的研究较多。美国ANDERSONS实验室CTOD试验设备达到世界一流，技术相对国内也比较成熟，试验结果具有权威性。,2月初，在船东协调和帮助下，取消在国内武汉理工大学及其他焊接研究所的试验，确定和美国ANDERSONS实验室共同完成了含有CTOD试验的焊接工艺评定（WPQT），并制定了试验计划（见附录I）。,4月上旬，从启东将DW-A55LSR、KRYO130公斤左右焊材，通过上海运往美国实验室。,2
12、011年5月上旬至6月16日，经过近两个月的WPQT和CTOD试验，南通中远船务焊接室和美国ANDERSONS研究所按照编制和试验程序，顺利完成了所有试验，得到船东和船检的认可。,八、对 策 及 实 施,8.2.实施,2）制定国外WPQT试验计划和确立试验合作方：,WPQT试验项目切割分布示意图：,八、对 策 及 实 施,8.2.实施,2）制定国外WPQT试验计划和确立试验合作方：,CTOD试验项目图片：,CTOD试验设备和仪器 CTOD试样（缺口位置放大图）,高效焊接工艺与降本增效,九、效 果 检 查,Quality Management Department,Welding Office,
13、九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,每个焊评的CTOD平均值分别为0.84mm，0.877mm，1.043mm，远高于0.15mm的标准要求，完成不小于0.25mm目标，焊接接头抗裂性能很好。,CTOD 尖端开口距离m越大，表明焊接接头整体韧性越高，越耐抗裂。,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,每个焊评的CTOD平均值分别为0.84mm，0.877mm，1.043mm，远高于0.15mm的标准要求，完成不小于0.25mm目标，焊接接头抗裂性能很好。,CTOD 尖端开口距离m越大，表明焊接接头整体韧性越高，越耐抗裂。,九、效 果 检 查,
14、9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,PQR-NT-01-357-2G,各点硬度值都低于325 HV的标准要求，硬度分布图表明，焊接接头焊缝金属、熔合区、热影响区韧性优良。,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,PQR-NT-01-358-3G,各点硬度值都低于325 HV的标准要求，硬度分布图表明，焊接接头焊缝金属、熔合区、热影响区韧性优良。,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,PQR-NT-01-359-3G Repair,各点硬度值都低于325 HV的标准要求，硬度分布图表明，焊接接头焊缝金属、熔合区、热影响区韧性优良。,九、效
15、 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,CNV冲击试验：,Quality Management Department,Welding Office,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,CNV冲击试验：,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,CNV冲击试验：,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,CNV冲击试验：,CNV试验去，所有试样，全部高于标准不同焊接线能量下，焊接接头母材、焊缝、返修焊缝、熔合区、热影响区的韧分布，如右表：,焊缝及熔合区的相对偏差。焊接接头区域的韧性分布如图所示。,九、效 果
16、 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,CNV冲击试验：,359-3G KRYO1 对原始焊缝DW-A55LSR的焊缝热影响区的冲击韧性比DW-A55LSR（358-3G）的韧性有所提高。,359-3G KRYO1 对母材API 2W-Gr.60一侧的影响，冲击韧性从FL到FL+5mm的区域内比358-3G中有所提高，甚至高于357-2G中的冲击韧性。这是因为返修焊缝对近坡口处的母材和原始焊缝金属起到了热处理的作用。,焊缝区域：359-3G用KRYO 1返修焊缝中，纯KRYO 1熔敷金属的冲击值低于359-3G的DW-A55LSR原始焊缝。且二者在焊缝区域低于357-2G中DW-
17、A55LSR焊缝金属的冲击韧性。,九、效 果 检 查,9.1 试验效果及WPQT和CTOD报告：,CNV冲击试验：,同种焊材和母材，焊缝区域357-2G比358-3G位置的冲击韧性好，和焊接线能量有关。母材API 2W Gr.60和EH36侧冲击韧性跟焊接线能量对母材的热处理有关。,其他力学性详见焊接工艺评定报告（WPQR）。,九、效 果 检 查,9.3 用到生产施工结果：,2011年8月初南通中远船务焊接室派人负责建造海工项目“奥特宝”井口导向结构（TTR&Keel Guide）工程，到2011年11月29日，工程全部完成。该项目井口导向结构（TTR&Keel Guide）工程为满足英国北海
18、恶劣海况下生产要求，执行EEMUA 158标准，是中远船务承接建造EEMUA 158标准首个工程，这样节约了大量人力物力财力，并且大大缩短了施工工期。最终实现UT合格率99.44%，无二次返修及裂纹等缺陷。整体尺寸达到10mm（规范要求25mm以内），井口结构尺寸达到4mm（规范要求10mm以内）。得到船东、船检的一致好评，同时也为后续执行EEMUA 158标准的“勤奋号”（N389）海工项目建造积累了宝贵经验。通过拟定合理的编制焊接工艺、包含CTOD的焊接工艺评定试验（WPQT），最终取得试验和“奥特宝”井口导向结构（TTR&Keel Guide）建造的成功。,7月初，根据WPQR完成WPS
19、-NT-01-357-358的组合工艺和WPS-NT-01-359返修工艺,并将焊接工艺规程WPS复印件提交给项目使用。,9.2 完成WPS工艺文件：,九、效 果 检 查,九、效 果 检 查,9.3 用到生产施工结果：,产生的经济效益情况：CTOD 试验可以免除海洋结构钢焊后热处理，大大节省成本和工期。通过粗略成本估计，38mm-76mm厚钢板，1000mm焊缝，需要热处理62020。升温、保温、降温，大概需要8-12小时。加热设备功率：2400kWh。每个加热器可以接6块加热片，总长大约6m。假设在钢材单面加热，每米焊缝耗平均电量 Q=2400106=4000 kwh，电费假设为1元每度。每
20、米焊缝花费电费:Money=40001=4000元/米。N262项目上的井口导向和立管结构，超过50mm厚的节点，大概32处，一处大概16m，总长大约512m。仅电费节省就节省了大约204.8万元。再加上人工、加热片、保温棉、传感器、设备和耗材等材料等产生的直接和间接费用，总共大概节约250万元左右。,九、效 果 检 查,9.3 用到生产施工结果：,工期方面：假设6台加热设备用到该结构，不考虑流水施工方法，单计算工期，热处理估计用15天左右。及节省15天的工期。,九、效 果 检 查,9.4 对N389 CHEVIOT-OCTABUOY 产生的经济效益估算：,后续的N389 CHEVIOT-OC
21、TABUOY 八角上部结构，建造难度更大，结构复杂，38-100mm厚板连接的TKY和对接节点更多，焊缝更长。如果热处理，付出的代价更高。N389项目上，100多个这种节点，焊缝总长度超过TTR&Keel Guide的4倍，初步估计，因不做热处理至少可以节省1000多万元。,九、效 果 检 查,9.5 产生无形效果：,1.改善施工环境，避免了热处理施工产生的安全隐患。2.提高了组员团队意识及个人能力，培养和锻炼了人才。3.提升公司建造能力和质量品牌，可以为承接类似结构的建造提供技术资料和凭证。,高效焊接工艺与降本增效,十、效 果 巩 固,十、效 果 巩 固,10.2 中远船务焊研室完成了焊接工
22、艺评定报告（WPQR），PQR-NT-01-357&358、PQR-NT-01-359和WPS-NT-01-357-358的组合工艺、WPS-NT-01-359返修工艺。此次焊接工艺评定是集团内首个按照EEMUA 158 标准建造导管架结构的焊接工艺评定项目，并形成了拥有自主知识产权的CTOD试验数据的工艺报告和工艺文件，填补了国内API 2W Gr.60 和AB/EH36 76mm厚钢板对在（3G）和（2G）两个位置不同接焊线能量范围的焊接以及SMAW返修FCAW焊缝的CTOD试验空白，也填补了国内按照EEMUA 158:1994，BS7447，AWS D1.1/D1.1M:2008，ABS
23、 Rules Part 2，UK-HSE OTR01015 Steel，API RP 2Z六个标准进行的CTOD和力学性能实验的空白。,10.1 中远船务焊研室完成集团内第一个同时满足6种标准（EEMUA 158:1994，BS7447，AWS D1.1/D1.1M:2008，ABS Rules Part 2，UK-HSE OTR01015 Steel，API RP 2Z）的CTOD试验程序：N262-CTOD TEST PROGRAM和CHEVIOT-OCTABUOY PROJECT CTOD TEST PROGRAM。,高效焊接工艺与降本增效,十一、小 结 打 算,Quality Mana
24、gement Department,Welding Office,十一、小 结 打 算,（1）设计：结构按照EEMUA 158:199和AWS D1.1 2008标准设计要求设计焊缝节点和坡口型式。76mm厚对接接头开单面V型坡口，焊后焊缝根部残余应力更大，比双面坡口的根部更容易产生冷裂纹，对编制焊接工艺提出了更高的要求。通过试验和现场成功应用，积累了厚板单面坡口焊的成功应用经验。,从设计、选用标准、工艺文件和试验结果几方面总结如下：,十一、小 结 打 算,（2）完成的工艺和技术文件：,完成了WPS-NT-01-357-358的组合工艺和WPS-NT-01-359返修工艺。不同组别强度钢API
25、 2W Gr.60（AWS Group III）和AB/EH36(AWS Group II)焊接，完成了SMAW+FCAW-G组合工艺以及SMAW（Repair）手工焊条返修种焊接工艺。可以覆盖AWS Group III 跟AWS Group II&AWS Group I 中的任一材料进行焊接。通过两个焊评试验，可以免除很多材料和厚度焊接接头的评定试验。此工艺同时满足EEMUA 158:1994，BS7447，AWS D1.1/D1.1M:2008，ABS Rules Part 2，UK-HSE OTR01015 Steel，API RP 2Z六个标准的力学性能试验和CTOD是试验。评定的标准
26、多，以后在标准上应用范围更多，为以后建造同类结构积累了技术经验和承建资质。根据CTOD和力学性能报告以及以往大量的试验数据，制定了对于屈服强度355Mpa及其以上强度海洋结构钢焊接线能量参考的内部标准：FCAW-G（除了根部焊道）的线能量一般不得高于1.5KJ/mm，不低于0.8KJ/mm；SMAW线能量一般在12.5KJ/mm；SAW线能量控制在1.5-3KJ/mm，比EENUA 158：1994标准要求要高。,十一、小 结 打 算,（3）韧性分析结论与提高：API 2W Gr.60 和AB/EH36 76mm厚钢板对接焊线能量最大（3G）和最小（2G）两个位置焊接以及返修后的CTOD和CV
27、N冲击试验，CTOD结果平均值m(3G)=0.84mmm(2G)=0.877mmm(SMAW Repair)=1.043mm。而冲击试验结果跟CTOD试验结果表明了一致的结果。2G线能量比3G和返修焊缝小，同位置手工焊条返修焊缝的线能量比药芯焊丝焊缝的线能量大，但是对原始焊缝有热处理的作用。从两个方面分析了焊接接头的韧度影响因素：一、焊接材料与焊接工艺；二、宏观断口与微观组织（这里不做分析）。总结如下：同种焊接方法和焊材：主要是焊接线能量的变化对熔合区与焊缝中心的CTOD和CVN冲击值都有显著影响。焊接线能量：焊接线能量对得到的焊缝组织也稍有不同。线能量太小，得到的组织淬硬；线能量太大，得到粗
28、大的晶粒和组织，韧性都差，线能量控制在合理的范围，得到的韧性相对较好。,十一、小 结 打 算,韧性分析结论与提高：焊材：主要是焊材本身力学性能对焊缝中心和热影响区的CTOD值有影响。纯药芯焊丝DW-A55LSR较纯KRYO1的熔敷金属的韧性好。手工返修焊缝焊接工艺：CTOD试验结果和CVN试验结果表明手工焊条KRYO1返修药芯焊丝DW-A55LSR的焊缝比纯药芯焊丝DW-A55LSR的韧性好，这跟返修焊缝对近坡口处金属起到回火热处理有大关系。手工返修焊缝焊接工艺：CTOD试验结果和CVN试验结果表明手工焊条KRYO1返修药芯焊丝DW-A55LSR的焊缝比纯药芯焊丝DW-A55LSR的韧性好，这跟返修焊缝对近坡口处金属起到回火热处理有大关系。,十一、小 结 打 算,不足和打算：由于受N389项目设计和材料的限制，只做了420Mpa 和355Mpa级别的CTOD试验，而在455Mpa-690MPa界别钢材的没有CTOD的焊接工艺评定，在这一块还是空白。以后遇到460Mpa-690MPa还需要做热处理的结构，建议取消热处理，继续做CTOD试验，达到海工超高强钢CTOD焊评的全覆盖。接下来，我们打算进一步研究和提高超高强度钢焊接接头的韧性及厚板抗层间撕裂性能的研究，编制合理高效和焊接工艺，指导现场、服务现场，保证各项目顺利、优质、高效完成，提高经济效益。,THANK YOU!,
