EH36厚壁海上风电用钢及其焊接热影响区的断裂韧性研究

目的开发大壁厚抗断裂、耐不同线能量焊接EH36海上风电用钢,满足深水海上风电平台的服役需求。方法试制了80 mm厚的EH36海上风电用钢,研究了不同温度下EH36的断裂韧性变化规律,并进行了7 kJ/cm和50 kJ/cm线能量的焊接试验。通过裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,评估母材及焊接CGHAZ的断裂韧性。使用光学显微镜和电子显微镜对其微观组织及其CTOD试样断口形貌进行表征和分析。结果EH36的断裂韧性在−10~−30℃区间内保持较高的值,−40℃为该材料的韧脆转变温度,此时断裂模式从韧性断裂转变为脆性断裂,但其临界CTOD平均值仍高于标准要求。此外,7 kJ/cm热输入的CGHAZ临界CTOD平均值为0.658 mm,其微观组织主要由针状铁素体组成,50 kJ/cm热输入的CGHAZ临界CTOD平均值为0.468 mm,其微观组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成。在电镜下观察到CGHAZ内含有大量由Ti的氧化物组成的高熔点夹杂物,大量针状铁素体在其周围形核并生长,可有效提升CGHAZ的断裂韧性。结论所开发的EH36厚壁海上风电用钢具有优越的抗断裂性能和焊接性能。

超大线能量焊接用EH36厚钢板的开发及其焊接试验

在大型建筑、桥梁、造船、重型机械等领域,经常需要焊接厚钢板,使用常规的焊接方法可能会遇到焊接效率低下、焊接质量不稳定等问题。开发了一种大线能量焊接用的EH36钢板(厚80 mm),并采用线能量532 kJ/cm的双丝气电立焊进行超大线能量焊接试验。结果表明,经过大线能量焊接热循环后,粗晶热影响区不可避免地出现了粗化问题,原奥氏体平均晶粒尺寸为312μm,通过均匀分布的复合氧化物夹杂诱导,晶内可形成针状铁素体为主+少量侧板条铁素体的组织类型,使粗晶区能够获得较理想的韧性水平。其中,在-20℃条件下,钢板厚度中心熔合线冲击功为70~269 J,均值为179 J;在-40℃条件下,钢板厚度中心熔合线冲击功为50~216 J,均值为115 J。焊接接头各位置冲击性能良好,满足EH36钢板对焊接接头冲击性能的要求。

EH36钢焊接接头腐蚀疲劳性能研究及寿命预测

通过焊条电弧焊(SMAW)打底,随后采用药芯焊丝电弧焊(FCAW)填充并盖面获得EH36钢焊接接头。对接头进行10,20,30天预腐蚀后,对其进行疲劳试验,探究腐蚀时间对不通过应力范围条件下性能的影响,结果表明:预腐蚀时间为10,20,30天疲劳试样的腐蚀疲劳极限分别为242,187,155 MPa,接头的疲劳寿命随预腐蚀时间的增加而显著下降。随后通过有限元模拟建立表面受损EH36钢焊接接头腐蚀疲劳数学模型,以评估焊接接头腐蚀疲劳性能。

EH36船用钢材低温循环软硬化行为

为研究EH36船用钢材循环软硬化行为与温度的关系,通过低温恒应变幅循环加载试验,得到该钢材不同低温下的低周疲劳寿命和循环变形行为。结果表明, EH36船用钢材低周疲劳寿命会随温度的降低而降低,钢材的疲劳寿命对0~20℃范围的敏感性较高;分析此钢材在不同温度条件下的特定循环周次的滞后回线,发现EH36船用钢材表现出明显的循环硬化行为。此外,还讨论了不同温度下钢材的循环硬化率, EH36船用钢材的循环硬化率对低温较敏感,随着温度的降低,循环硬化率近似呈线性增加,在0~20℃范围内, EH36船用钢材的循环硬化率快速增加。

柳钢正火高强度船板EH36的研制开发

通过采用合理的成分体系、Nb+V+Ti微合金化设计,严格二阶段控制轧制,合理的正火工艺制度,实现了正火高强高韧低温系列产品的开发,扩展了柳钢船板品种系列,为沿海防城港基地3800 mm中厚板机组的产品开发提供了设计依据。

应力比对EH36钢在海洋腐蚀环境中疲劳裂纹扩展速率的影响

EH36钢因强度高、低温韧性好、自重较轻等性能优势而被广泛应用于大型海洋平台。为评估在海洋腐蚀环境中改变应力比对EH36钢腐蚀疲劳性能的影响,采用三级应力比(R=0.1、0.3、0.5)分别开展了空气环境、海水全浸环境和海水浪溅环境中EH36钢的疲劳裂纹扩展试验。在同一应力强度因子幅值(ΔK)下,EH36钢在三种环境中均表现出应力比R升高对疲劳裂纹扩展速率d a/d N的加速作用。空气环境中应力比对裂纹扩展速率会产生较大影响,对材料常数C和m影响很小,但在海水全浸环境和海水浪溅环境中,应力比增大不仅促进了裂纹扩展,而且使材料常数C和m发生变化。载荷条件相同时,海水全浸环境和海水浪溅环境中的裂纹扩展速率明显大于空气环境中的裂纹扩展速率,两种腐蚀环境对疲劳裂纹扩展行为的作用效果基本一致。通过观察断口形貌发现空气中的试件断口形貌表现为准解理特征,海水全浸环境和海水浪溅环境中的CT试件断口形貌大致相同,更接近于解理断裂。

正火工艺处理的EH36船板钢疲劳裂纹扩展行为和断裂韧性

采用电子背散射衍射(EBSD)和扫描电镜(SEM)分析了正火工艺处理的EH36船板钢织构、再结晶和疲劳断口。并通过拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳断裂韧性试验及数值模拟等研究了正火工艺处理的EH36船板钢的疲劳裂纹扩展行为、疲劳断裂机理以及外载和应力比对应力强度因子幅值的影响。结果表明:EH36船板钢具有较强的{110}和{111}塑性织构成分,平均晶粒尺寸为8.2μm,变形晶粒所占比例为4.1%,伸长率为33.3%。通过双对数线性拟合得到应力比为0.03和0.1下的疲劳裂纹扩展寿命预测公式分别为da/dN=1.07×10^(-9)(ΔK)^(3.49)和da/dN=1.96×10^(-9)(ΔK)^(3.35)。通过J积分法计算出正火处理的EH36船板钢的疲劳断裂韧性K_(J0.2BL(30))为387 MPa·m^(1/2)。试验钢的疲劳断裂机制是解理穿晶断裂和微孔生长聚合断裂的混合断裂机制。多参数模拟表明在最大外载一定时,相同疲劳裂纹长度下的应力强度因子幅值随着应力比的增加而减小;在疲劳裂纹长度与标准紧凑拉伸试样的长度比值为0.62时,可作为试验钢即将进入瞬断区的判据。

TMCP工艺生产的100 mm大壁厚EH36钢板焊接接头的组织和性能

介绍了TMCP工艺生产的100 mm厚EH36海洋工程用结构钢的生产方法,采用埋弧焊技术分别在15、50kJ/cm线能量下对钢板进行多道次对接焊接,分析检测了母材及焊接接头的显微组织、常规力学性能和焊接接头-10℃的裂纹尖端张开位移(CTOD)。结果表明,采用超低碳多元微合金化成分设计,TMCP工艺试制的100 mm厚EH36钢板具有良好的力学性能,母材及不同热输入的焊接接头具有优良的低温抗开裂性能。

高强海工钢EH36中氢扩散行为研究

通过显微组织表征明确了高强海工钢EH36厚板心部和表面组织的差异,进而通过氢渗透测试、内耗、氢脆敏感性指数测定等实验研究了EH36厚板心部和表面位置的氢扩散行为。结果表明,EH36厚板的表面和心部组织分别为贝氏体组织和铁素体+珠光体组织。心部组织的氢陷阱数量较少,组织溶氢能力较弱,氢扩散系数较高,氢扩散穿透时间较短。钢中间隙氢原子的扩散导致了充氢后实验钢的内耗峰在低温区出现了H-Snoek峰,同时氢的存在使得SKK峰发生偏移。相比于心部位置,由于实验钢表面的组织中所含界面较多,导致其内耗谱在高温区出现较弱的晶界峰。实验钢心部粗大的铁素体+珠光体组织导致其氢脆敏感性指数较高,抗氢脆失效能力较弱。此外,钢中氢原子的大量存在会显著弱化柯氏气团对可动位错的钉扎作用,降低实验钢的屈服点延伸率。

阴极保护电位对EH36钢焊接接头疲劳性能的影响

通过电化学试验测量了EH36钢焊接接头在海水中的极化曲线,通过升降法疲劳性能测试试验测定了EH36钢焊接接头在空气中、海水中和阴极保护电位为-1 200,-1 050,-900,-700 mV时的疲劳极限,研究了阴极保护电位对焊接接头疲劳极限的影响。当阴极保护电位低于接头自由腐蚀电位时,阴极电位促进了海水的腐蚀,导致疲劳极限进一步降低;当阴极保护电位高于接头自由腐蚀电位时,阴极保护可以抑制海水的腐蚀,抑制程度随阴极保护电位的降低先升高后不变。海水中EH36钢焊接接头的最佳阴极保护电位为-1 050 mV。

EH36船板钢的动态再结晶和变形抗力

通过单道次压缩热模拟实验,在MMS-200热模拟实验机上测定了EH36船板钢的应力-应变曲线,研究了变形温度、变形速率和应变对实验钢动态再结晶行为的影响,并建立了实验钢的动态再结晶/变形抗力模型.结果表明,变形温度越高,应变速率越低,应变量越大,越有利于动态再结晶的发生;计算出的动态再结晶激活能和变形抗力与实测值吻合良好,证明了模型的正确性.

EH36高强度船板钢奥氏体连续冷却的转变行为

利用 Gleeble 2000型热模拟试验机对 EH36船板钢连续冷却相变行为以及在增速冷却和减速冷却条件下的相变行为进行了研究。结果表明:在连续冷却条件下,在400～650℃范围内,冷却速率在4～16℃/s时,相变组织以贝氏体组织为主且随着冷速的增大贝氏体的体积分数增加;在冷却速率≥1℃/s 时,先以一定速率冷却至600℃,然后将冷速减半时,其显微组织与半速恒速冷却组织相近;而先以一定速率冷却至600℃,然后将冷速加倍时,其显微组织与两倍速恒速冷却的显微组织相近。

轧制工艺对EH36船板钢显微组织和力学性能的影响

采用力学性能试验和显微组织观察等方法对比分析了常规轧制(AR)、控轧(CR)和控轧控冷(TMCP)三种轧制工艺对EH36船板钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:三种轧制工艺对该钢强度的影响不显著,而对低温冲击功的影响很大,CR和TMCP工艺试验钢表现出良好的低温冲击性能,而AR工艺的较差,不能满足国标要求;TMCP工艺试验钢的强度和韧性匹配最佳,原因是由于该工艺能够使组织均匀、晶粒细小。

EH36船用钢焊接角变形有限元分析

采用有限元分析方法,根据实际焊接工艺过程,对船舶常用低温高强钢EH36中厚板的二道焊缝焊接温度场及焊接角变形进行了分析.中厚板焊接常为二道的埋弧焊接,在有限元分析中采用生死单元技术进行处理.有限元分析结果显示焊接温度场关于热源中心对称,同一厚度截面方向的节点处的焊接变形相同,而在横向由于焊缝在厚度方向收缩的不均匀性,处于焊缝间隙大的截面的节点焊接变形要大于处于小间隙截面的节点.实验结果证明了有限元分析的准确性.

EH36钢埋弧焊接头CTOD试验中的突跃效应及评价

根据BS 74 4 8试验标准 ,在对海洋石油平台用钢EH36单、双丝埋弧焊接头的焊缝和热影响区 (HAZ)进行低温下 (- 15℃ )裂纹尖端张开位移 (CTOD)测试时 ,多个试样出现了”突跃”(F -V曲线上瞬间载荷下降、位移增加变慢 ) ,亦称”POP -IN”现象。针对这一问题 ,依据BS 74 4 8-Ⅰ中的有关评定标准 ,对存在POP -IN现象的试样进行了F-V曲线上载荷 -位移变化的测量、计算 ,并在光学显微镜 (× 10 0 0 )下观察了断裂面上脆性起裂点处的微观组织 ,从而合理取舍了焊接接头这一非均质结构中出现的POP -IN效应。

正火对EH36船板钢组织和力学性能的影响规律研究

正火是一种低成本而高效的热处理工艺。本文采用力学性能测试和光学显微镜观察研究了正火温度对15 mm厚的控轧控冷（TMCP）态EH36船板钢组织与性能的影响。结果表明正火后TMCP态船板钢的强度稍有下降,但其塑性有较大改善。在870~950℃正火后,EH36钢的-40℃冲击功随正火温度的升高而降低。

调质工艺对EH36船板钢组织和力学性能的影响

采用力学性能测试和光学显微镜研究了调质工艺对厚度为15 mm的控轧控冷(TMCP)态EH36级船板钢组织与性能的影响。结果表明,调质后TMCP态船板钢的综合性能有较大提高,虽然强度稍有下降,但其塑性,尤其是低温冲击性能都有较明显的改善。

EH36球扁钢变形抗力模型研究

使用Gleeble-1500热模拟实验机对EH36球扁钢进行了不同温度、变形速率和变形程度的单次压缩,测定了钢的应力—应变数据。通过对3种变形抗力模型的比较,得到了实验钢最适合的模型。用该模型进行了变形压力计算,并与实测值进行比较。结果表明,所得到的EH36球扁钢变形抗力模型具有较高的精度。

EH36钢的焊接工艺

通过对“西气东输”压气站管线EH36钢焊接性能的研究,并根据“西气东输”工程技术的标准(Q/SYXQ18—2002),制定了2种焊接工艺方案。第1种方案是采用钨极氩弧焊根焊,焊条电弧焊填充、盖面;第2种方案是采用焊条电弧焊根焊,自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。研究结果表明,2种焊接工艺方案均符合有关标准的要求。因此,在施工时应根据实际的人员、设备与地质情况选择合适的焊接工艺方案进行焊接。

EH36船板钢形变奥氏体动态再结晶行为的研究

在单道次压缩变形实验中,利用G leeb le—2000热模拟实验机测定了EH 36船板钢的应力—应变曲线,研究了变形温度、变形速率对实验钢再结晶行为的影响,建立了EH 36船板钢的动态再结晶模型。