船舶焊缝裂纹的预防与检测

发布时间：2020-02-08

当今世界船舶建造正在向大型化方向发展，据某航运经济与物流所统计资料显示，过去的十多年来，世界商船队中每艘船的平均载重量年均增长率接近2%，这是航运业适应规模经济发展的反映。大船与小船所用的船员人数相当，但大船单位运力的船舶造价与动力装置、燃料的成本均比小船的低，这就意味着航运成本的下降。以每吨油轮造价为例，4.5～5万吨油轮的造价为1000美元，7～7.5万吨油轮的造价为690美元，10～11万吨油轮的造价为619美元，15～16万吨油轮的造价为530美元，30～32万吨油轮的造价为413美元。这种明显的规模化经济效应，是船舶大型化的主要驱动力。船舶的大型化，对船体整体强度和局部强度提出了更高的要求，高强度钢材、加厚钢材的大量采用，以及二氧化碳气体保护焊的广泛使用，都给船体结构设计和建造管理带来了新的挑战。

  对于大型船舶的船体结构来说，船体内壳板受到船体总纵弯曲、货物装载、压载舱压水和排水等反复作用，以及海水和周围环境的腐蚀，容易出现裂纹、撕裂等疲劳破坏，影响船舶、人员和货物的安全。劳氏船级社（中国）有限公司的于书铭和李根强对船舶内壳板关键节点焊缝出现的裂纹缺陷进行了分析，探讨了针对裂纹缺陷的质量控制和无损检测方法。

  在船舶建造过程中，对于船舶关键节点的质量控制是工作的重点。船舶的关键节点是指通过规范设计和结构强度有限元分析、结构疲劳有限元分析等计算得出的船体结构的危险节点，简称为CM。图1为某散货船横舱壁底墩整体和局部的有限元计算模型，根据规范进行有限元分析，得出底墩处承受较大的交变应力，易产生疲劳破坏，属于船体关键节点。在船舶航行的过程中，该类关键节点容易出现裂纹、撕裂等疲劳破坏。以韩国某船厂建造的超大型油轮为例，该油轮于2001年建造完成，2005年发现其内壳板/内底板折角处焊缝撕裂，原油渗漏到压载舱里，这给船舶结构安全、船员生命安全、海洋环境都带来了非常大的安全隐患。
 

图1  某货船横舱壁底墩整体和局部的有限元计算模型
 

  劳氏船级社（LR）对船长大于190 m的油船和散货船、授予SDA/FDA标志的船舶要求满足入级符号ShipRight CM。以VLCC内壳板/内底板折角处的关键节点为例，该处内壳板板厚在30 mm左右，内底板厚26 mm，边纵壁板厚16.5 mm，板材为AH32高强钢，要求全熔透；建造时需做到内壳板/内底板/边纵壁三心对位，根据建造指导标准，装配精度最大误差a为5.5 mm。该节点装配难度大，焊接要求高，对于质量要求非常严格，是船体建造过程中的重点环节。图2是30万吨超大型油轮的典型横剖面图，图中给出了关键节点的分布。

图2  30万吨油轮的关键节点分布图
 

  实际生产中出现的焊接裂纹类型大致分为热裂纹和冷裂纹两类。两类裂纹的成因不同，有各自特定的管理预防措施和无损检测方法:

  热裂纹出现的主要原因是焊缝装配残余应力、焊缝装配间隙超差、焊接电流偏大。

  冷裂纹出现的主要原因是钢板凝结大量水蒸气、环境温度极低、焊缝装配残余应力、焊丝或焊条受潮等。

  为了在船舶制造过程中防止热裂纹的出现，提出以下质量控制措施：

①需严格控制分段精度，以便在分段合拢时不必使用过多的装备马板，避免装配应力残留在焊缝中；

②装配间隙必须控制在焊接工艺所认定的间隙范围内，若间隙稍有超差，需进行堆焊，堆焊完毕后重新打磨坡口，以达到正确的间隙；

③若装配间隙大范围的超差，必须重新进行装配工作；

④由于现代造船进度加快，工人每天的工作量加大，在这种情况下更加需要控制焊接电流，避免焊接缺陷的出现以及不必要的返工，进而增加工作时间，拖慢工程进度。

  在焊后检验过程中，可能有热裂纹缺陷埋藏在焊缝内部，所以必须借助于超声波无损检测方法进行检验。对于轧制钢板焊缝，常用的探头为0°直探头和45°，60° 以及70°斜探头。在实际工作中会遇到各种复杂的情况，如缺陷可能与工件表面倾斜某一角度，这时必须选用适当的斜探头来探测。为了得到最强的缺陷波，探头的波束应尽可能与缺陷垂直。而对于内壳板关键节点一类特殊焊接坡口型式，选择哪几种斜探头，以及哪种斜探头能更好地发现该类根部裂纹缺陷，他们进行了一些理论研究和现场试验。

  对焊缝探伤时，最适宜的探头角度为入射波和焊缝缺陷垂直的角度。以某油轮的关键节点为例，该处内壳板与内底板夹角约为54o，内壳板厚度为27 mm，裂纹开裂走向平行于内底板，经换算得到最佳入射声波角度为54o，该角度不符合任何标准的探头角度，理论上应选择最为接近的较大的标准角度，所以经理论分析得出应使用60°斜探头来扫查根部可能的裂纹缺陷。针对已存在缺陷的焊缝，笔者联合探伤人员在现场进行了对照试验，探伤人员分别用45°和60°的斜探头对焊缝进行扫查，结果发现用60°探头扫查时，显示屏上会出现大量底波，经过实际计算得知，超声波在到达缺陷前已被钢板边缘反射或折射，声束大部分衰减，这就使得超声波无法探测到缺陷；用45°探头扫查时，能较为清晰地发现缺陷波，而且缺陷显示位置和实际发现缺陷的位置非常接近。

  依据上述理论分析和现场试验结果，建议根据结构装配形式选择斜探头扫查焊缝根部，同时还需考虑到底波对检测的干扰，综合多种因素，建议在质量检测中采用多种探头检测焊缝，在此基础上重点使用45o探头来扫查焊缝根部，排除裂纹缺陷。

  对于冷裂纹的预防提出以下几点质量控制指导意见：

①焊前需对焊接位置进行预热，这样做的好处包括两点，第一可去除钢板上凝结的湿气，第二可祛除部分装配应力，根据建造指导标准，预热温度应至少达到20 ℃；

②焊后也要进行保温加热，这样可减少焊缝中马氏体的出现，有助于氢离子的逸出和降低焊接产生的剩余拉伸应力，根据上述试验结果，建议将冷却速度控制在10 ℃/s左右，这样焊缝的韧性也会得到改善；

③降低装配应力，第一要保证分段的精度，在合拢阶段就可避免过多的使用装配马板，从而降低装配应力，减少裂纹的产生；

④使用低氢焊丝或焊条，并注意焊材的保存，在使用焊材之前要烘干，以减少氢的来源。

  对于该类冷裂纹应通过表面探伤和内部探伤相结合的方法来检测。常见的表面探伤方法有磁粉探伤和着色渗透探伤，笔者通过现场着色探伤对照试验得出，环境温度小于15 ℃时渗透探伤灵敏度低，容易造成漏检；而冷裂纹的出现一般是在冬季，所以建议使用磁粉探伤方法进行焊缝表面缺陷的检测。内部探伤方法一般选择超声波探伤，采用纵波探头和横波探头在焊缝表面扫查整个焊缝，以排除内部裂纹缺陷；如果焊缝表面不够平顺，可沿着焊缝中心线在焊缝的两侧扫查，声束和中心线会形成一个小角度，但该角度不要超过45o，以免影响检测结果的准确性。

《理化检验-物理分册》2015年第1期
 

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