引言

水下采油樹作為海洋油氣開采中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵油氣生產(chǎn)控制設(shè)備，實(shí)際上就是位于海底井口頂端開口處的一個(gè)組件，它提供一系列用于原油生產(chǎn)、控制、測試及維修的通道和各種用來測量和維修的閥門。水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的主要功能是為采油樹及零部件模塊提供水下安放支座及防護(hù)結(jié)構(gòu)。水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)件長期沉浸于海底，遭受海水腐蝕，并接受陰極保護(hù)（犧牲陽極法），這種情況下鋼結(jié)構(gòu)焊接后內(nèi)部的殘余應(yīng)力往往會(huì)誘發(fā)氫脆或氫致裂紋并加劇應(yīng)力腐蝕。因此對(duì)于水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的焊接，必須采取措施消減其焊后殘余應(yīng)力。本文在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的機(jī)理、分布規(guī)律及其影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了控制水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的主要工藝解決措施。

 

1 水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求及特點(diǎn)
 

1.1 水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境

水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)主要包括樹框架（圖1）、永久導(dǎo)向基座（圖2）、樹整體取送工具（圖3）、防腐帽（圖4）、RPM 支架及ROV 操作面板等。水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)件長期浸于海底面臨海水腐蝕，并接受陰極保護(hù)[1]。

深海海底環(huán)境溫度較低，接近0℃。因此，水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)選用韌性及焊接性良好的低合金鋼，同時(shí)必須考慮焊接應(yīng)力對(duì)陰極保護(hù)的敏感性及應(yīng)力腐蝕傾向。
 

1.2 水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的危害

水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)由于接受陰極保護(hù)（犧牲陽極法）[2]，海水可作為電解質(zhì)溶液，在構(gòu)成電池反應(yīng)時(shí)，作為陰極而接受保護(hù)的采油樹鋼結(jié)構(gòu)的表面會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，生成的氫原子一部分會(huì)通過擴(kuò)散進(jìn)入金屬基體，在裂紋的尖端及應(yīng)力集中處聚集，降低金屬晶格的內(nèi)聚強(qiáng)度。由于氫與材料內(nèi)部應(yīng)力的共同作用會(huì)加劇開裂[3]，水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)與其他水下設(shè)備一樣，其焊后殘余應(yīng)力會(huì)誘發(fā)氫脆或氫致裂紋，并加劇應(yīng)力腐蝕的敏感性。

對(duì)于水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的焊接，盡管從材料設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)選擇方面考慮都可降低焊接殘余應(yīng)力及氫脆敏感性等，但焊接熱循環(huán)的作用使得殘余應(yīng)力（拉應(yīng)力）不可避免。因此，工藝上如何消除焊接殘余應(yīng)力成為水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)工藝的關(guān)鍵。
 

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力
 

2.1 焊接殘余應(yīng)力概念

焊接應(yīng)力是焊接構(gòu)件因焊接熱循環(huán)而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程的不均勻溫度場以及由其引起的局部塑性變形和比容不同的相組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的根本原因[4]。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時(shí)，焊件中的這種應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力，焊接溫度場消失后的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。
 

2.2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接鋼構(gòu)件的影響

1）影響焊接構(gòu)件剛度

由于內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力的存在，當(dāng)外部載荷還沒有達(dá)到材料的屈服極限時(shí)（實(shí)際上結(jié)構(gòu)的外部載荷與內(nèi)部應(yīng)力之和已超過材料的屈服極限），就可能引起材料的屈服變形，喪失了進(jìn)一步承受外部載荷的能力，這樣就相當(dāng)于減小了材料的有效截面積，降低了剛度，對(duì)受壓桿件來說，也就降低了穩(wěn)定性。
 

2）影響焊接構(gòu)件靜載強(qiáng)度

一般來說，如不存在嚴(yán)重應(yīng)力集中情況，只要材料具有允許的塑性變形能力，焊后殘余應(yīng)力不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度，但如果結(jié)構(gòu)處于脆性狀態(tài)，殘余應(yīng)力的存在則使結(jié)構(gòu)承受外載的能力降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞。
 

3）對(duì)焊接構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響

殘余應(yīng)力的存在使變載荷的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移，如應(yīng)力集中處存在焊接殘余應(yīng)力，將使疲勞強(qiáng)度降低。
 

4）加劇應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂是拉伸殘余應(yīng)力和化學(xué)腐蝕共同作用下產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，應(yīng)力腐蝕開裂所需的時(shí)間與殘余應(yīng)力大小有關(guān)，拉伸殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂的時(shí)間越短。
 

5）影響加工精度及尺寸穩(wěn)定性

當(dāng)機(jī)械加工把一部分材料從焊件上切除時(shí)，此處的殘余應(yīng)力也被釋放。殘余應(yīng)力原來的平衡狀態(tài)被打破，這樣焊件會(huì)在加工的同時(shí)發(fā)生變形，導(dǎo)致加工精度受影響。
 

3 傳統(tǒng)的消除焊后殘余應(yīng)力的工藝措施

在實(shí)際焊接過程中，可通過一定工藝措施來控制內(nèi)部的應(yīng)力，如調(diào)整工藝參數(shù)（焊接速度、焊接順序、接頭拘束度、焊接方向）、焊前預(yù)熱及反變形等。而對(duì)于焊后殘余應(yīng)力的消除常采取以下措施。
 

3.1 利用高溫回火來消除焊接殘余應(yīng)力

由于構(gòu)件殘余應(yīng)力的最大值通?？蛇_(dá)到該種材料的屈服點(diǎn)，而金屬在高溫下的屈服點(diǎn)將降低，所以將構(gòu)件的溫度升高至某一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力的最大值也應(yīng)該減少到該溫度下的屈服點(diǎn)數(shù)值。如果要完全消除結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，則必須將構(gòu)件加熱到其屈服點(diǎn)等于0 的溫度，所以一般所取的回火溫度接近于這個(gè)溫度。

1）整體高溫回火

將整個(gè)構(gòu)件放在爐中加熱到一定溫度，然后保溫一段時(shí)間再冷卻。通過整體高溫回火可以將構(gòu)件中80%～90%的殘余應(yīng)力消除掉，這是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、效果最好的一種消除殘余應(yīng)力的方法?；鼗饡r(shí)間隨構(gòu)件厚度而定，鋼按14 mm/h 計(jì)算，但不宜低于30min，但一般不高于3 h，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的消除效果隨時(shí)間迅速降低，所以過長的處理時(shí)間是不必要的。

2）局部高溫回火

只對(duì)焊縫及其局部區(qū)域進(jìn)行加熱消除殘余應(yīng)力。

消除應(yīng)力的效果不如整體高溫回火，此方法設(shè)備簡單，常用于比較簡單的、剛度較小的構(gòu)件，如長筒形容器、管道接頭、長構(gòu)件的對(duì)接接頭等焊接殘余應(yīng)力的消除。

 

3.2 利用溫差拉伸法來消除焊接殘余應(yīng)力

溫差拉伸法消除焊接殘余應(yīng)力的基本原理與機(jī)械拉伸法相同，主要差別是利用局部加熱的溫差來拉伸焊縫區(qū)。溫差拉伸法是在焊縫兩側(cè)各用一個(gè)寬度適當(dāng)?shù)难跻胰惭婧妇孢M(jìn)行加熱，在焊炬后面一定距離，用一根帶有排孔的水管進(jìn)行噴水冷卻。氧乙炔焰和噴水管以相同速度向前移動(dòng)。這就形成了一個(gè)兩側(cè)溫度高（峰值約為200 ℃）、焊接區(qū)溫度低（約為100 ℃）的溫度差。兩側(cè)金屬受熱膨脹對(duì)溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸，這樣就可消除部分殘余應(yīng)力。

 

3.3 利用振動(dòng)法來消除焊接殘余應(yīng)力

構(gòu)件承受變載荷應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，經(jīng)過多次循環(huán)加載后，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力逐漸降低，即利用振動(dòng)的方法可以消除部分焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、成本低，時(shí)間比較短，沒有高溫回火時(shí)的氧化問題，已在生產(chǎn)上得到一定應(yīng)用。

 

4 焊后殘余應(yīng)力消除的工藝技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)
 

4.1 傳統(tǒng)焊后殘余應(yīng)力處理工藝的局限性

1）由于焊后熱處理會(huì)降低一部分的材料屬性，因此它不一定有益。尤其在較高的溫度條件中，有的材料的剛度會(huì)下降，且焊接熱影響區(qū)和熔融區(qū)因韌性變低而產(chǎn)生的裂紋，亦可以很大程度上改變其使用屬性。

利用熱處理也存在其他的約束條件，如退火爐的高額成本、復(fù)雜的配套工具和大量的能量使用等。

2）振動(dòng)時(shí)效應(yīng)用涉及有關(guān)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，包括材料科學(xué)、熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等，其原理也尚處于探索階段。在工藝處理方面仍然難以穩(wěn)定可靠地改善金相結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。由于振動(dòng)時(shí)效具有不確定性，導(dǎo)致工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)水平極大程度直接影響了工藝效果。

 

4.2 新型的焊后殘余應(yīng)力處理工藝——

1）20 世紀(jì)70 年代，烏克蘭的Paton 研發(fā)中心第一個(gè)提出超聲波沖擊技術(shù)，并和俄羅斯的“量子”研發(fā)中心成功地聯(lián)合研發(fā)出此項(xiàng)技術(shù)，并首先投入到船舶焊接殘余應(yīng)力領(lǐng)域。之后，（ HPU ）方面連續(xù)獲得突破，其應(yīng)用涉及到多種材料、結(jié)構(gòu)件和焊接單元方面。該技術(shù)至今在俄羅斯、烏克蘭、法國、日本、挪威、瑞典、加拿大和美國多個(gè)國家和地區(qū)的各個(gè)工程領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用。

2）豪克能沖擊處理可以在焊接接頭表面形成壓縮塑性變形，產(chǎn)生壓應(yīng)力，改善接頭殘余應(yīng)力分布[6]。它通過高功率儀器產(chǎn)生20 000 次/秒左右的頻率沖擊物體金屬表層，高能量使得材料表面生成顯著的壓縮塑性變形，形成有利的壓縮應(yīng)力和殘余應(yīng)力場，同時(shí)，大能量沖擊使得材料表層溫度快速升高而后快速降低，可以使材料作用區(qū)表面晶粒組織細(xì)化，這樣就可以增加焊件的疲勞壽命，獲得抗應(yīng)力腐蝕的能力。

3）隨著科技的發(fā)展，當(dāng)今的UIT/UP 設(shè)備電源箱選用高質(zhì)材料及元件，通過運(yùn)用模塊設(shè)計(jì)，并采用最新的生產(chǎn)工藝制造，使得其控制電源具有頻率自動(dòng)掃描、檢測、跟蹤和故障保護(hù)、功率調(diào)整、人機(jī)交流和程序升級(jí)等功能。豪克能沖擊焊接應(yīng)力消除設(shè)備及應(yīng)用如圖5 所示。

4）不同工藝殘余應(yīng)力去除率的比較如表1 所示。

相關(guān)研究資料[5-7]表明，豪克能沖擊技術(shù)能夠大幅度消除鋼制焊接接頭殘余應(yīng)力，并改善疲勞強(qiáng)度。

5）豪克能沖擊技術(shù)是目前所有消除焊接殘余應(yīng)力的工藝手段中最徹底、最有效的消除方式。

圖5 沖擊焊接應(yīng)力消除設(shè)備及應(yīng)用

表1 典型工藝方法的殘余應(yīng)力去除率比較

典型工藝方法 殘余應(yīng)力消除率/(%)

振動(dòng)時(shí)效 30～50

熱時(shí)效 40～80

豪克能沖擊 80～100

 

5 水下采油樹中鋼結(jié)構(gòu)焊接殘后殘余應(yīng)力消除工藝
 

因水下采油樹焊接構(gòu)件整體尺寸比較大，如采用傳統(tǒng)的熱處理退火工藝消除焊接殘余應(yīng)力，要求爐體尺寸大，不僅成本高昂，而且效率低?；谝陨系募夹g(shù)分析，在中國南海某油氣開采項(xiàng)目中，為增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抵抗氫致裂紋及應(yīng)力腐蝕的能力，國產(chǎn)化備用水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的焊后應(yīng)力消除采取振動(dòng)時(shí)效+超聲波沖擊的組合工藝。

1）振動(dòng)時(shí)效：其主要作用是對(duì)構(gòu)件整體的殘余應(yīng)力降低并均化。

2）豪克能沖擊：其作用是消除焊縫接頭區(qū)的有害拉應(yīng)力，細(xì)化接頭區(qū)金屬晶粒組織。

 

6 結(jié)論

1）水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的焊接須考慮陰極保護(hù)效應(yīng)導(dǎo)致的氫致裂紋及應(yīng)力腐蝕傾向。

2）接受陰極保護(hù)（犧牲陽極法）的水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)的焊后殘余應(yīng)力會(huì)誘發(fā)氫脆或氫致裂紋，并加劇應(yīng)力腐蝕。工藝上如何消除焊接殘余應(yīng)力成為水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)工藝的關(guān)鍵。

3）傳統(tǒng)焊后殘余應(yīng)力處理措施（如焊后退火、振動(dòng)時(shí)效等）存在一定的局限性。豪克能超聲沖擊技術(shù)是目前所有消除焊接殘余應(yīng)力的工藝手段中消除率最大化、z有效的消除方式。

4）水下采油樹鋼結(jié)構(gòu)焊后采取振動(dòng)時(shí)效+豪克能沖擊的組合工藝進(jìn)行消除應(yīng)力處理，有利于增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抵抗氫致裂紋及應(yīng)力腐蝕的能力。