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船舶焊縫裂紋的預(yù)防與檢測

發(fā)布時間：2020-02-08

當(dāng)今世界船舶建造正在向大型化方向發(fā)展，據(jù)某航運(yùn)經(jīng)濟(jì)與物流所統(tǒng)計資料顯示，過去的十多年來，世界商船隊中每艘船的平均載重量年均增長率接近2%，這是航運(yùn)業(yè)適應(yīng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展的反映。大船與小船所用的船員人數(shù)相當(dāng)，但大船單位運(yùn)力的船舶造價與動力裝置、燃料的成本均比小船的低，這就意味著航運(yùn)成本的下降。以每噸油輪造價為例，4.5～5萬噸油輪的造價為1000美元，7～7.5萬噸油輪的造價為690美元，10～11萬噸油輪的造價為619美元，15～16萬噸油輪的造價為530美元，30～32萬噸油輪的造價為413美元。這種明顯的規(guī)模化經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，是船舶大型化的主要驅(qū)動力。船舶的大型化，對船體整體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度提出了更高的要求，高強(qiáng)度鋼材、加厚鋼材的大量采用，以及二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的廣泛使用，都給船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造管理帶來了新的挑戰(zhàn)。

  對于大型船舶的船體結(jié)構(gòu)來說，船體內(nèi)殼板受到船體總縱彎曲、貨物裝載、壓載艙壓水和排水等反復(fù)作用，以及海水和周圍環(huán)境的腐蝕，容易出現(xiàn)裂紋、撕裂等疲勞破壞，影響船舶、人員和貨物的安全。勞氏船級社（中國）有限公司的于書銘和李根強(qiáng)對船舶內(nèi)殼板關(guān)鍵節(jié)點焊縫出現(xiàn)的裂紋缺陷進(jìn)行了分析，探討了針對裂紋缺陷的質(zhì)量控制和無損檢測方法。

  在船舶建造過程中，對于船舶關(guān)鍵節(jié)點的質(zhì)量控制是工作的重點。船舶的關(guān)鍵節(jié)點是指通過規(guī)范設(shè)計和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析、結(jié)構(gòu)疲勞有限元分析等計算得出的船體結(jié)構(gòu)的危險節(jié)點，簡稱為CM。圖1為某散貨船橫艙壁底墩整體和局部的有限元計算模型，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行有限元分析，得出底墩處承受較大的交變應(yīng)力，易產(chǎn)生疲勞破壞，屬于船體關(guān)鍵節(jié)點。在船舶航行的過程中，該類關(guān)鍵節(jié)點容易出現(xiàn)裂紋、撕裂等疲勞破壞。以韓國某船廠建造的超大型油輪為例，該油輪于2001年建造完成，2005年發(fā)現(xiàn)其內(nèi)殼板/內(nèi)底板折角處焊縫撕裂，原油滲漏到壓載艙里，這給船舶結(jié)構(gòu)安全、船員生命安全、海洋環(huán)境都帶來了非常大的安全隱患。
 

圖1  某貨船橫艙壁底墩整體和局部的有限元計算模型
 

  勞氏船級社（LR）對船長大于190 m的油船和散貨船、授予SDA/FDA標(biāo)志的船舶要求滿足入級符號ShipRight CM。以VLCC內(nèi)殼板/內(nèi)底板折角處的關(guān)鍵節(jié)點為例，該處內(nèi)殼板板厚在30 mm左右，內(nèi)底板厚26 mm，邊縱壁板厚16.5 mm，板材為AH32高強(qiáng)鋼，要求全熔透；建造時需做到內(nèi)殼板/內(nèi)底板/邊縱壁三心對位，根據(jù)建造指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，裝配精度最大誤差a為5.5 mm。該節(jié)點裝配難度大，焊接要求高，對于質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，是船體建造過程中的重點環(huán)節(jié)。圖2是30萬噸超大型油輪的典型橫剖面圖，圖中給出了關(guān)鍵節(jié)點的分布。

圖2  30萬噸油輪的關(guān)鍵節(jié)點分布圖
 

  實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的焊接裂紋類型大致分為熱裂紋和冷裂紋兩類。兩類裂紋的成因不同，有各自特定的管理預(yù)防措施和無損檢測方法:

  熱裂紋出現(xiàn)的主要原因是焊縫裝配殘余應(yīng)力、焊縫裝配間隙超差、焊接電流偏大。

  冷裂紋出現(xiàn)的主要原因是鋼板凝結(jié)大量水蒸氣、環(huán)境溫度極低、焊縫裝配殘余應(yīng)力、焊絲或焊條受潮等。

  為了在船舶制造過程中防止熱裂紋的出現(xiàn)，提出以下質(zhì)量控制措施：

①需嚴(yán)格控制分段精度，以便在分段合攏時不必使用過多的裝備馬板，避免裝配應(yīng)力殘留在焊縫中；

②裝配間隙必須控制在焊接工藝所認(rèn)定的間隙范圍內(nèi)，若間隙稍有超差，需進(jìn)行堆焊，堆焊完畢后重新打磨坡口，以達(dá)到正確的間隙；

③若裝配間隙大范圍的超差，必須重新進(jìn)行裝配工作；

④由于現(xiàn)代造船進(jìn)度加快，工人每天的工作量加大，在這種情況下更加需要控制焊接電流，避免焊接缺陷的出現(xiàn)以及不必要的返工，進(jìn)而增加工作時間，拖慢工程進(jìn)度。

  在焊后檢驗過程中，可能有熱裂紋缺陷埋藏在焊縫內(nèi)部，所以必須借助于超聲波無損檢測方法進(jìn)行檢驗。對于軋制鋼板焊縫，常用的探頭為0°直探頭和45°，60° 以及70°斜探頭。在實際工作中會遇到各種復(fù)雜的情況，如缺陷可能與工件表面傾斜某一角度，這時必須選用適當(dāng)?shù)男碧筋^來探測。為了得到最強(qiáng)的缺陷波，探頭的波束應(yīng)盡可能與缺陷垂直。而對于內(nèi)殼板關(guān)鍵節(jié)點一類特殊焊接坡口型式，選擇哪幾種斜探頭，以及哪種斜探頭能更好地發(fā)現(xiàn)該類根部裂紋缺陷，他們進(jìn)行了一些理論研究和現(xiàn)場試驗。

  對焊縫探傷時，最適宜的探頭角度為入射波和焊縫缺陷垂直的角度。以某油輪的關(guān)鍵節(jié)點為例，該處內(nèi)殼板與內(nèi)底板夾角約為54o，內(nèi)殼板厚度為27 mm，裂紋開裂走向平行于內(nèi)底板，經(jīng)換算得到最佳入射聲波角度為54o，該角度不符合任何標(biāo)準(zhǔn)的探頭角度，理論上應(yīng)選擇最為接近的較大的標(biāo)準(zhǔn)角度，所以經(jīng)理論分析得出應(yīng)使用60°斜探頭來掃查根部可能的裂紋缺陷。針對已存在缺陷的焊縫，筆者聯(lián)合探傷人員在現(xiàn)場進(jìn)行了對照試驗，探傷人員分別用45°和60°的斜探頭對焊縫進(jìn)行掃查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用60°探頭掃查時，顯示屏上會出現(xiàn)大量底波，經(jīng)過實際計算得知，超聲波在到達(dá)缺陷前已被鋼板邊緣反射或折射，聲束大部分衰減，這就使得超聲波無法探測到缺陷；用45°探頭掃查時，能較為清晰地發(fā)現(xiàn)缺陷波，而且缺陷顯示位置和實際發(fā)現(xiàn)缺陷的位置非常接近。

  依據(jù)上述理論分析和現(xiàn)場試驗結(jié)果，建議根據(jù)結(jié)構(gòu)裝配形式選擇斜探頭掃查焊縫根部，同時還需考慮到底波對檢測的干擾，綜合多種因素，建議在質(zhì)量檢測中采用多種探頭檢測焊縫，在此基礎(chǔ)上重點使用45o探頭來掃查焊縫根部，排除裂紋缺陷。

  對于冷裂紋的預(yù)防提出以下幾點質(zhì)量控制指導(dǎo)意見：

①焊前需對焊接位置進(jìn)行預(yù)熱，這樣做的好處包括兩點，第一可去除鋼板上凝結(jié)的濕氣，第二可祛除部分裝配應(yīng)力，根據(jù)建造指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)熱溫度應(yīng)至少達(dá)到20 ℃；

②焊后也要進(jìn)行保溫加熱，這樣可減少焊縫中馬氏體的出現(xiàn)，有助于氫離子的逸出和降低焊接產(chǎn)生的剩余拉伸應(yīng)力，根據(jù)上述試驗結(jié)果，建議將冷卻速度控制在10 ℃/s左右，這樣焊縫的韌性也會得到改善；

③降低裝配應(yīng)力，第一要保證分段的精度，在合攏階段就可避免過多的使用裝配馬板，從而降低裝配應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生；

④使用低氫焊絲或焊條，并注意焊材的保存，在使用焊材之前要烘干，以減少氫的來源。

  對于該類冷裂紋應(yīng)通過表面探傷和內(nèi)部探傷相結(jié)合的方法來檢測。常見的表面探傷方法有磁粉探傷和著色滲透探傷，筆者通過現(xiàn)場著色探傷對照試驗得出，環(huán)境溫度小于15 ℃時滲透探傷靈敏度低，容易造成漏檢；而冷裂紋的出現(xiàn)一般是在冬季，所以建議使用磁粉探傷方法進(jìn)行焊縫表面缺陷的檢測。內(nèi)部探傷方法一般選擇超聲波探傷，采用縱波探頭和橫波探頭在焊縫表面掃查整個焊縫，以排除內(nèi)部裂紋缺陷；如果焊縫表面不夠平順，可沿著焊縫中心線在焊縫的兩側(cè)掃查，聲束和中心線會形成一個小角度，但該角度不要超過45o，以免影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

《理化檢驗-物理分冊》2015年第1期
 

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