海洋钢结构焊材国产化的现状及建议

海洋钢结构焊材国产化的现状及建议

鲁 欣 豫

随着国家能源的发展，海上油气田的开发的力度越来越大并逐步走向深水，海洋钢结构形式也越来越大型化，复杂化。这对焊接质量焊材材料提出了更高的要求。海洋钢结构所用焊材一直处于高端水平对焊材品牌的依赖性较强。降低焊材品牌的单一性、降本增效探索一条焊材国产化的道路也是海洋钢结构企业面临的必须解决的难题。

一、海洋钢结构焊接特点

    海洋工程是一种大型复杂的焊接结构，它的工作环境和结构形式都与一般船舶有很大区别。海洋工程固定在某一海域服役长期处于波浪，潮流，风暴，地震和寒冷流冰等严峻工作环境中，石油天然气易燃易爆的危险性给海洋工程带来威胁。海洋工程结构中大厚度钢管相交接头（TKY节点）多，全焊透的T型K型Y型节点拘束力大容易产生裂纹。同时服役后结构检测和维修困难。船体结构可进船坞检测和维修，而海洋平台固定在一个位置，检测和维修成本很高、难度大，水下检测、水下焊接的技术远达不到陆地的标准，所以与陆地钢结构建造及造船相比，海洋平台制造对焊接技术的要求更加严苛。

与母材相比焊接接头是钢结构中最薄弱区，许多事故都发生在焊接接头处。世界上的海洋平台和输油管线曾多次因焊接接头失效导致重大安全事故，带来了巨大经济损失，并造成严重的生态环境污染。焊接材料的质量关系整个焊接接头的质量安全，所以海洋钢结构对焊接材料的质量要求较高。

二、海洋钢结构焊材选用

1. 基本原则

海洋钢结构焊材选用基本原则是保证焊接接头的性能要匹配（不低于）母材的各项技术指标，具体要求见美国焊接学会编制的钢结构焊接规范AWS D1.1，即焊材的性能要结合母材的具体要求而定，焊接规格书中同样遵循了此要求。

强度要求（不低于所焊母材）；2）冲击韧性要求（与所焊母材要求相同）

2. 标准依据

海洋钢结构当前多数工程项目执行的标准主要是美标，例如AWS D1.1、ASME IX、API 1104、DNV等标准。此外近年来涉及多个国际项目，引入了如AS、EN、PED、CWB、沙特阿美等标准体系，这些标准体系对焊接材料又提出了新的或特殊的要求。如低温冲击性能、CTOD断裂韧性、屈强比以及延伸率等高要求。

典型技术要求

海洋钢结构焊材技术要求制定根据标准规格书要求、施工服役条件而制定。碳钢焊材为例，常用的EH36钢材，主要为常规力学和热处理性能要求，对于50mm以上壁厚EH36钢材或S420级别的钢材，主要使用高性能焊材，具体要求差别主要现在冲击性能和断裂韧性（CTOD）要求方面，如表1所示。

表1 不同等级焊材技术要求

焊材种类和要求往往会根据母材的类型以及施工所采用的焊接方法和具体使用要求来确定。对于普通要求的材料，使用一般要求的焊材，对于关键节点或者高要求的材料，使用高性能焊材。

与陆地钢结构建造及造船相比，海洋平台制造对焊材技术要求更加严苛。尤其是对-40℃低温冲击性能、CTOD断裂韧性、屈强比以及延伸率等性能的要求。

 三、海洋钢结构焊材使用现状

海洋钢结构焊材使用也经历了几个阶段，由最初的70年代引进日本平台制造技术焊材全部采用国外品牌国外生产纯进口焊材为主，经过几十年的发展逐步形成了以合资品牌国内生产为主国外品牌国外生产为辅的局面。以某一公司为例每年应用焊材数千吨，如2020年，焊材用量约4220吨，用量最多的是普通碳钢用药芯焊丝，为1715吨（用量占比42%），药芯半自动焊接效率高，应用范围广；第二多的是普通碳钢用埋弧焊丝/焊剂为1563吨（用量占比31%），两种焊材占全年焊材用量的73%。按自动化程度区分2020年全自动化工艺使用占比39%；（埋弧焊，海管全自动焊）半自动化工艺使用占比55%，手工焊工艺占比6%。按品牌分为国外品牌8.5%，合资品牌90.4%，国产品牌1.1%。按生产产地分为国内生产90%和国外生产10%。目前海洋钢结构企业正在做大量的工作促使海洋钢结构焊材使用进入以国产品牌（80%）国内生产为主的阶段。

四、海洋钢结构焊材国产化道路

大力推动焊材国产化减少供货风险及高采购成本，坚定的走国产化的道路是必须的，但也要清醒的认识到国产化道路充满了各种挑战和困难。它不是一蹴而就的，是需要做大量的工作耗费大量的时间去完成的，需要厂家和用户单位的共同努力，需要企业里的各个部门通力配合。一种新焊材要想成功应用到一个新的领域，需要过五关斩六将。

第一关厂家实验室阶段。这是焊材性能品质保证的最重要的阶段由焊材厂家负责完成。焊材厂家不仅要保证产品满足标准满足用户技术要求。还需要保证长期供货的稳定性。焊材厂家需要对焊材应用的行业焊接特点有充分地了解，对技术要求有充分的认知，不仅仅只做标准规定的焊材熔覆金属的各项力学性能试验，还应该考虑用户的实际应用需求进行大量其它性能测试及研究工作。例如海洋钢结构中常见的横向裂纹、长期供货的稳定性、抗断裂性能和抗疲劳性能都需要焊材厂家前期进行大量的研究实验工作。

  第二关用户验证性阶段也就是焊材准入关。国内能够生产焊材的厂家上万家，用户如何在众多的企业中挑选合适的厂家。厂家的业绩口碑，销售额，规模，质量体系，产品指标等等都需要考虑。招标的商务和技术条款的设置至关重要。焊材准入有两关，一是书面评审阶段最重要的有三项内容：1、产品业绩2、产品的认证3、产品性能报告。二是验证性试验阶段。焊接技术是一个实践性很强的技术。厂家的书面报告只能证明熔覆金属满足标准和订货技术要求，但是对于用户来说是要整个焊接接头符合技术要求，不仅仅是纯焊缝熔覆金属的性能。焊接接头组织性能最薄弱的部分是热影响。所以考察焊材性能需要进行焊接接头的验证性试验。这项工作可以厂家按用户的要求进行试验提供报告，也可以用户自己完成验证性试验。建议还是由用户用自己的设备，场地，焊工等资源来完成。这样更接近现场实际情况，降低工程项目焊评失败的风险。

第三关工程项目焊评阶段。为了保证焊接质量，新焊材引进后在项目中使用前必须按照标准进行焊接工艺评定。焊接工艺评定应在本单位进行，由技术熟练地焊工使用本单位设备焊接试件。焊接工艺评定通过后才能用于现场焊接。常见的不合格的地方是热影响区的韧性指标（低温冲击韧性和断裂韧性）。但如果在纯的焊缝组织出现不合格的情况多数情况和焊材本身性能有直接关系。需要综合判定。在业主和第三方的见证下如果出现大量不合格的情况会影响到业主施工单位对新焊材使用的信心。严格把控前两关才能降低这一阶段失败的风险。

第四关施工阶段。这个阶段是焊材正式焊到产品中。评价一种焊材性能不仅有力学性能还有操作性能。操作性能指标无法量化，试验阶段无法完全评价。但焊材操作性能好坏在项目施工阶段体现的比较明显。焊材的流动性，飞溅，脱渣性，抗裂性，气孔敏感性，工艺窗口宽窄等出现问题会造成焊接合格率的降低，影响焊接效率和项目工期也是需要特别关注的。最重要的是不要在这个阶段出现大量的横向裂纹。这是评价新焊材能否在海洋钢结构中使用的关键指标。这需要焊材厂家对焊材性能的整体把控，韧性要有足够的储备，对抗裂性要有足够的研究。抗裂性能用户在焊接工艺评定阶段无法评价出来。因为现场焊接的条件和做焊接工艺评定时的焊接条件相比是千差万别的，特别是影响冷裂纹的二个重要因素拘束度和焊材氢含量，试验条件和现场是完全不一样的。

第五关服役阶段。产品正式在海上投产使用，在产品服役阶段不出焊接质量问题。如果焊材经过前四关的严格考验在这个阶段出现问题的概率非常小。但一旦出问题就是致命的灾难性的。这一阶段主要考验焊材的抗断裂性能，抗疲劳性能。这需要焊材厂家对产品性能的实验研究来保证。需要用户严把焊材准入关，不要将新焊材引进的前几关的风险累积到最后一关服役阶段。

五、焊材国产化建议    

认清国产化道路上存在的困难和挑战，坚定不移的走焊材国产化的道路。建议焊材厂家严格控制焊材质量，针对行业的特点进行大量的实验阶段研究工作，提高不同行业焊材性能差异性的认知，加快加大焊材研发的力度，提高焊材安全裕度，进入一个新的行业要做足充足的准备，为用户提供满足使用要求的稳定的焊材产品。建议用户严把焊材准入关，加大与焊材厂家的合作，统筹技术和商务共同推进焊材国产化进程，保证焊接质量降低新焊材使用风险的前提下降本增效。