海洋平台焊接技术及发展趋势

0 前言

随着全球经济的发展，人类对能源的需求越来越高。预期到2040年，全球能源需求将增长26%，达到177亿吨油当量。石油仍将是第一大能源，在一次能源中占比32%[1]。全球陆地及近海经过长期的开采，重大油气资源探明量逐年减少，深海将成为未来油气资源的主要产区。

进入21世纪，中国提出“建设海洋强国”的战略目标，大力推进海洋油气资源开发关键技术的研究。海洋平台是勘探开发海洋油气资源的主要工程装备。焊接技术是海洋平台建造的关键工艺，在平台建造中占有重要地位，焊接工时约占平台建造总工时的30%～40%，焊接成本约占平台建造总成本的30%～50%。随着海洋油气资源勘探开发从浅海向深海区域的扩展，海洋平台用钢向着高强度、大厚度、良好的低温韧性和焊接性等方向发展，海洋平台用钢的焊接也面临新的挑战。然而，国内海洋工程装备制造业现有焊接工艺仍以传统的焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊为主，存在机械化程度低、焊接效率低、焊接质量波动大等问题，难以满足海洋平台用钢的焊接需求，制约着国内海洋工程装备制造业的发展。如何实现海洋平台用钢的高效高质量焊接成为近年来研究的热点问题。文中介绍了海洋平台的发展、海洋平台用钢及其发展趋势、海洋平台焊接技术现状及其存在的问题，论述了现代高效焊接技术在海洋平台建造中应用的可行性。

综上所述，对腹部创伤患者采用CT检查可以有效增加检查的准确性，能缩短医师确诊时间，从而缩短伤者接受治疗的时间，对治疗腹部创伤患者具有重大意义。值得临床推广应用。

1 海洋平台的发展

从1897年美国加州Summer Land 建起世界上第一个木质海洋平台开始，海洋平台不断升级进化，发展至今已形成十多种适用于不同作业水深、不同工况的平台[2]。根据运动方式，海洋平台可分为固定式、半固定式和移动式平台。

把好食堂承包经营合同审核关。要前置风控，将隐患排查前移，对合同进行细致审核，最大限度降低风险排除隐患。一是要邀请三方联审。即不能由食堂管理方与承包人单方签订合同，而应邀请法规部门、法律顾问、监管部门等第三方联合对合同进行严密审核。二是在合同中要做到“五明”，即明责任：明确甲乙双方食品安全方面的法律责任；明标准：明确食品安全和环境卫生标准，并列出禁入负面清单；明处罚：明确违反食品安全法律法规行为的处罚办法、细则和流程，确保处罚有威慑力、能落实，而不能沦为一纸空约；明预案：明确制定应急预案，甲乙双方共同建立食品安全事故应急处置预备基金；明信息：明确乙方应该公开的信息具体内容、时间、范围和方式等。

1.1 固定式平台

固定式平台主要包括钢结构固定平台、水重力平台、导管架平台等。钢结构固定平台根据作业水深又可分为极浅水钢混结构固定平台、浅水钢结构固定平台和深水钢结构固定平台[3]。极浅水钢混结构固定平台作业水深一般小于15 m，采用钢结构加混凝土结构或钢沉箱加砂土的结构，通过打桩方式在海底固定。浅水钢结构固定平台作业水深通常在50 m以下，采用单立柱结构支撑上部甲板平台，底部采取三支腿或四支腿的形式固定。深水钢结构固定平台最大作业水深可达450 m，采用打桩或拉索锚定形式固定，在导管架平台出现之前是应用最多的近海平台。水重力平台一般采用钢筋混凝土结构或钢筋混凝土与钢结构的复合体结构，靠自身重力(必要时灌水)在海底固定，无需打桩，作业水深可达300 m以上。导管架平台是目前应

用最多的近海固定式平台，最大作业水深可达411 m[4]。导管架平台由上部结构、导管架和桩组成，导管架在陆地预制好后，拖运至海上安装，顺着导管打桩，桩与导管之间灌入混凝土，使桩与导管连成一体固定于海底。

1.2 半固定式平台

半固定式平台介于固定式和移动式平台之间，作业水深一般在300～2 000 m之间，主要包括张力腿平台(Tension Leg Platform, TLP)和立柱式平台(Spar Platform)。张力腿平台一般由上部甲板、下沉箱、张力钢索、锚系、底基组成，平台及下沉箱受海水浮力，通过张力钢索与海底基座固定[5]。立柱式平台上部由一座单柱直径几十米的圆筒形柱体结构支撑，柱体下方通过垂直或斜向拉伸张力钢索，通过底部重力锚或吸力锚固定[6]。按照主体结构的不同，立柱式平台先后经历了传统立柱式(Classic Spar)，桁架式立柱式(Truss Spar)和多柱式立柱式(Cell Spar)三个阶段。

1.3 移动式平台

移动式平台分为接地式和浮式两种。接地式平台包括坐底式平台和自升式平台。坐底式平台主要用于水深15 m以下的近海，平台到达钻采区后在沉箱中灌水使平台沉入海底坐牢，钻采结束后将沉箱中水排出，平台上浮，再拖航至新的钻采区。自升式平台由上部甲板和能够升降的桩腿组成，按照有无动力系统，可分为拖航式和自航式。随着海上自航运输船的出现，自航式已趋于淘汰。自升式平台不受海底土壤环境限制，建造方便，移动性好，可重复利用，是目前应用最多的移动式平台，适用于120 m以下的水深作业[7]。浮式平台主要包括半潜式平台和钻井船平台。半潜式平台由上部甲板、立柱、支撑、浮体等组成，大部分浮体没于水面之下以稳定船体。半潜式平台抗风浪能力强，装载量大，适用于工况环境复杂的深水、超深水海域，最大作业水深可达3 000 m以上[8]。钻井船是浮船式钻井平台的一种，船体机动性好，甲板空间大，储油能力大，可变载荷高，适用于深水钻井。

人类对海洋油气资源的勘探开发已逾百年，从几十米深的近海发展至几千米深的深海，海洋平台的种类和功能也不断演变。发展至今，从经济性和平台性能角度出发，近海平台导管架平台和自升式平台应用较多，深海平台以半潜式平台为主。

2 海洋平台用钢及其焊接

2.1 海洋平台用钢标准及常见钢种性能

国际上海洋平台用钢广泛应用的标准有EN 10225，BS 7191，挪威石油标准化组织Norsok标准，美国海洋结构用钢API，ASTM标准，各船级社标准。国内海洋平台用钢标准包括GB 712—2011《船舶及海洋工程用结构钢》、YB/T 4283—2012《海洋平台结构用钢板》[9-10]。

根据强度级别(屈服强度)，现有海洋平台用钢可分为355 MPa，420 MPa，460 MPa，500 MPa，550 MPa，620 MPa和690 MPa等级别，低温性能要求级别为0 ℃，-20 ℃，-40 ℃，-60 ℃和-80 ℃等，抗层状撕裂性能要求Z25，Z35(Z向断面收缩率不低于25%，35%)，且具有良好的耐海水腐蚀能力，主要供货状态为轧制(M)、正火(N)、热机械轧制(Thermo-Mechanical Control Process, TMCP)、调质(Quenched and Tempered, QT)。

EN 10225标准规定了近海岸焊接结构钢的性能要求，主要分为S355，S420，S460三个强度级别，355 MPa级别供货状态为正火(N)、轧制(M)，如S355G2+N,S355G7+M等，420 MPa和460 MPa级别钢供货状态为轧制(M)和调质(QT)，如S420G2+M,S420G2+QT,S460G2+M,S460G2+QT等[11]。

API中海洋平台用钢相关标准主要有：API SPEC 2H—2006《近海结构用碳锰钢板规范》, API SPEC 2W—2006《海洋结构用热机械控轧(TMCP)钢板》, API SPEC 2Y—2006《海洋结构调质钢板》等。其中Spec 2H分为42，50两个强度级别，Spec 2W, 2Y分为50，60两个强度级别[12-14]。ASTM标准中ASTM A514/514M—05《焊接结构用高屈服强度淬火回火合金钢》和ASTM A517/517M—06《压力容器用高强度淬火回火合金钢板》也常被用作海洋平台用钢，A514，A517共分为A, B, E, F, H, P, Q, S八个等级，其中A514/A517 Gr.Q常用于自升式平台的齿条钢，最大厚度为150 mm[15-16]。然而由于自升式平台齿条钢的最大厚度可达259 mm，常用厚度为178 mm，超过了150 mm，阿赛洛集团Indu steel对A517标准进行了修订，制定了A517Q-MOD标准，最大厚度达到了210 mm，并提高了对冲击韧性的要求。表1是EN 10225, API, ASTM标准中海洋平台用钢的性能要求。

对高速公路进行标准化的设置是一项较为复杂的系统性工程，因此在实施的过程中需要对各项内容进行具体的标准设定。

中国船级社CCS规范中海洋平台用钢包括一般强度船体用结构钢、高强度船体用结构钢和焊接结构用高强度淬火回火钢等[17]。一般强度船体用结构钢屈服强度为235 MPa，分为A, B, D, E等4个等级，对应的冲击韧性评定温度为20 ℃, 0 ℃, -20 ℃, -40 ℃，供货状态为轧制、正火。高强度船体用结构钢分为32, 36, 40等3个强度等级，最低屈服强度对应为315 MPa, 355 MPa,390 MPa，每个强度等级又对应A, D, E, F等4个等级，对应的冲击韧性评定温度为0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃，供货状态有正火、TMCP。焊接结构用高强度淬火回火钢分为420, 460, 500,550, 620, 690等6个强度级别，每个强度级别对应A, D, E, F等4个等级，对应的冲击韧性评定温度为0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃。表2是CCS规范中海洋平台用钢的性能要求。

表1 EN10225, API, ASTM海洋平台用钢性能要求

标准等级屈服强度ReH/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)冲击吸收能量KV/J供货状态EN 10225S355320～355460～6302250(-20 ℃,-40 ℃)N, MEN 10225S420380～400480～6401960(-40 ℃)M, QTEN 10225S460400～460500～7001760(-40 ℃)M, QTAPI Spec 2H42289427～5652234(-40 ℃)NAPI Spec 2H50324～345483～6202141(-40 ℃)NAPI Spec 2W, 2Y50345～5174482341(-40 ℃)TMCP, QTAPI Spec 2W, 2Y60414～6215172248(-40 ℃)TMCP, QTASTM A514 /A517 Gr.Q620620——34(-40 ℃)QTASTM A 517Q-MOD690690——46(-60 ℃)QT

表2 CCS规范海洋平台用钢性能要求

类别等级屈服强度ReH/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)冲击吸收能量KV/J供货状态一般强度船体用结构钢235235400～5202227(20 ℃, 0 ℃, -20 ℃, -40 ℃)N, M高强度船体用结构钢32315440～5702222(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)N, TMCP36355490～6302124(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)N, TMCP40390510～6602226(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)N, TMCP焊接结构用高强度淬火回火钢420420530～6801828(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)QT460460570～7201731(0 ℃ -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)QT500500610～7701633(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)QT550550670～8301637(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)QT620620720～8901541(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)QT690690770～9401446(0 ℃, -20 ℃, -40 ℃, -60 ℃)QT

2.2 海洋平台用钢的发展趋势

随着海洋油气资源开采由近海到深海的发展，固定式平台需求逐步减少，自升式平台、半潜式平台使用量不断增多，自升式平台作业水深由200 ft(1ft = 304.8 mm)不断升级至500 ft，半潜式平台现已发展至第七代[18]。海洋平台服役环境日趋恶劣，长期处于风浪、洋流、低温、海水等特殊环境，又受到近年来平台“减重降成本”等设计理念的推动，海洋平台用钢向着超高强度、超大厚度、良好的低温韧性和优良的焊接性等方向发展。

（2）低温环境下，该混凝土配合比未发生改变，混凝土浇筑温度增大会使温度应力增大，浇筑温度减小会使混凝土产生冻害，改变浇筑温度不能达到控制温度裂缝产生目的，要改变混凝土配合比设计，设计出在低温环境下施工不产生温度裂缝的混凝土配合比进行施工。

高强度一直是海洋用钢发展的方向，较高的强度不仅能增加平台承载能力，还可以降低平台重量，节约建造成本。高强轻量化是海洋平台用钢的主要发展趋势，是实现海洋平台经济性与安全性统一的有利手段。海洋平台用钢屈服强度由420 MPa提高到500 MPa，海洋工程结构可减重约20%，保守估算国内每年可节省海洋平台用钢约14万吨(2014年国内海洋平台总用钢量在300万吨以上)，节约资金8.4亿元[19]。目前国内投入生产的海洋平台用钢最高强度级别为690 MPa，已在“海洋石油981”半潜式平台、“蓝鲸一号”半潜式平台、“海洋石油921”自升式平台的部分结构中使用。德国迪林根、瑞典SSA版等公司已开发出屈服强度超过690 MPa的海洋平台用钢，如0X812，SE702等[20]。国内在超高强度海洋平台用钢的研发制造方面与欧美国家还有一定差距。

随着海洋油气开发不断向深水发展，海洋平台用钢的厚度不断增加，60 mm以上的特厚板应用越来越普遍，最高厚度可达249 mm。特厚板生产技术难度大，易出现力学性能不均匀、焊接热影响区脆化、焊缝开裂、层状撕裂、疲劳性能差等问题。目前国内已可自主生产厚度150 mm以下的特厚钢板，超过150 mm厚度，国内产品质量与国外还有一定差距。与调质和正火工艺相比，TMCP钢碳当量低、焊接性好，德国迪林根TMCP钢板最大厚度可达120 mm。TMCP特厚钢板是海洋平台用钢的发展趋势之一。

北极地区蕴藏丰富的油气资源，美国、挪威、俄罗斯等国已开始勘探开发北极油气资源。然而由于北极地区常年低温，对海洋平台用钢的低温韧性提出了更高的要求，需要采用F级别或更高级别钢种。国内F级平台钢工程应用较少，钢材多采用进口。由于碳当量低，并采用氧化物冶金技术利用高温稳定的氮氧化物的晶界钉扎效应限制晶粒长大，现代TMCP钢具有良好的低温韧性[21]。

海洋平台是大型的焊接装备，焊接工时约占建造总工时的30%～40%。发展具有良好焊接性的海洋平台用钢，不仅可以减少甚至免除焊前预热、焊后热处理工艺，同时可有效避免焊接缺陷的产生，可以极大降低建造成本。TMCP工艺通过控轧、控冷技术实现微观组织和晶粒大小的精确控制，可在较低碳当量、较低合金元素添加下得到高强度、高韧性焊接性优良的海洋平台用钢。另一方面，大热输入焊接用钢可承受较高的焊接热输入，实现海洋平台大厚钢板的快速高效焊接，是海洋平台用钢近年来研究的热点。大热输入焊接用钢需要解决焊接热影响区的韧性下降问题，一般采用降低钢的碳当量、控制HAZ晶粒尺寸、改善HAZ组织等方法实现[22-25]。日本钢铁公司在生产大热输入焊接用钢方面成果显著。日本JFE和新日铁钢铁公司采用TMCP工艺并结合Super-OLAC(On-Line Accelerated Cooling)超快在线冷却技术，同时采用氧化物冶金技术，利用Ti-O、Mg-O、Ti-B等微粒子限制焊接过程中奥氏体晶粒的长大，促进晶内针状铁素体的形核，从而细化HAZ晶粒尺寸，改善HAZ组织类型，提高其韧性。目前日本已实现350 kJ/cm的大热输入焊接用钢的工程化应用[21]。

2.3 海洋平台焊接技术现状及存在的问题

近年来，国内先后自主研发设计制造了“海洋石油981”钻井平台、“蓝鲸一号”钻井平台，标志着国内海洋平台总体建造能力已跻身世界前列。随着海洋平台服役环境的日趋恶劣，超高强度、特大厚度、耐低温韧性的钢板在海洋平台建造中应用比例越来越高，也为海洋平台焊接技术提出了新的挑战。

海洋平台体积庞大、结构复杂，每个平台的结构都有所不同，建造方案各异，结构重复率低，难以实现结构的流水化作业，一定程度上限制了海洋平台焊接工艺的自动化、机械化的实施。以半潜式平台建造为例，半潜式平台的建造一般经过分段建造、分段总组、浮体合拢、浮体出坞、浮体进坞二次合拢、舾装及设备调试、平台出坞、码头舾装、DP安装调试、试航、交付等环节[26]。在分段建造、分段总组、一次合拢、二次合拢等阶段使用到焊接工艺。某型号半潜式平台共分122段，浮体36分段、立柱16分段、横撑4分段、上部甲板及船体共66分段。分段建造在车间内完成，利于焊接工艺的自动化，国内船厂目前埋弧自动焊使用较多，但由于焊接位置受限，使用范围受到限制。药芯焊丝气体保护焊(Flux Cored Arc Welding, FCAW)已实现半自动化，而使用最多的熔化极气保焊，自动化程度较低，远低于汽车、轨道交通等行业，有待进一步提高。分段总组、一次合拢、二次合拢等阶段主要在户外进行，由于场地限制，现有焊接工艺主要以焊条电弧焊(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)、药芯焊丝气体保焊等焊接工艺为主。国内海洋平台焊接技术主要存在以下问题:

(1)以传统焊接工艺方法为主，自动化水平低，焊接效率低。表3为经实际调研后总结的国内某船厂半潜式平台、自升式平台主要钢种的焊接工艺。国内海洋平台建造中355M Pa，420 MPa等低钢种级别钢种使用较多，这些钢种厚度一般在十几毫米到几十毫米不等。这些结构主要位于平台上船体、甲板等处，分段建造中在车间焊接，目前焊接方法以焊条电弧焊(SMAW)、熔化极活性气体保护焊(Metal Active Gas Welding, MAG)、埋弧焊(Submerged Arc Welding, SAW)、药芯焊丝气体保护焊(FCAW)为主。在平台一些特殊部位采用了25.5～60 mm厚的EQ56，EQ70等超高强度钢，如半潜式平台的横撑节点处、立柱、立柱与上下船体连接处、推进器基座等。EQ56，EQ70的焊接主要以焊条电弧焊、药芯焊丝气体保护焊为主。在自升式平台的桩腿齿条板、弦板等处使用了690 MP级别的A514, A517, S690QL1等超高强度钢，厚度最大可达249 mm。桩腿的焊接主要以焊条电弧焊为主，图1所示为某船厂桩腿焊接图。以127 mm厚的齿条钢S690QL1焊接为例，采用焊条电弧焊，开X形坡口，钢板两侧各需80余道焊缝，共160多道焊缝，每道焊缝之后不仅需要清根，还需控制层间温度，整体焊接效率低下。在平台内部某些管道回路采用了SUS304TP不锈钢，焊接方法为钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面。

表3 国内某船厂半潜式平台、自升式平台主要钢种焊接工艺

钢种厚度δ/mm结构部位接头形式焊接位置焊接工艺A36, D36等14～65半潜式平台上船体、甲板对接、角接、T形、搭接、K形等1G, 2G, 3GSMAW, MAG, FCAW, SAWE36, E36Z25, F36, E420, F420, E460, F460等16, 20, 30半潜式平台浮筒平板对接、角接、十字等1G, 2G, 3GSMAW, MAG, SAW, FCAWE36, F36Z25, F420Z2530, 50, 60, 65半潜式平台立柱平板对接、角接、十字等1G, 2G, 3GSMAW, FCAWNVF36Z2, NVE3614, 30, 40,50,ϕ40半潜式平台横撑管对接、角接、十字等1G, 2G, 3GSMAW, FCAWA514, A517Q100～249,ϕ40自升式平台桩腿齿条板、弦管对接1G, 2GSMAW, FCAWEQ56, EQ7025.5, 28, 38, 60半潜式平台立柱与上船体连接部位对接1G, 2GSMAW, FCAWS690QL1127自升式平台桩腿对接2GSMAWSUS304TPϕ11(114)管道回路管对接6GGTAW+SMAW

图1 桩腿焊接现场图

(2)存在焊接变形大、焊接裂纹等质量问题。图2是国内某服役中平台的焊接接头的层状撕裂、冷裂纹。由于传统焊接方法如焊条电弧焊、埋弧焊等焊接热输入大，焊后残余应力大，焊接热影响区晶粒粗大，往往造成脆硬组织的产生，海洋平台服役过程中由于受到风浪等循环载荷作用，焊接接头容易出现层状撕裂、冷裂纹等现象。对于服役中的平台出现开裂现象，往往需要返回船厂进坞修复，造成巨大的经济损失。海洋平台上船体和甲板部位存在大量由板材拼接而成的大幅板结构，厚度为6～20 mm，一般采用A36,D36钢板。这些中厚板的拼接大多采用SMAW, FCAW焊接工艺，由于焊接热输入控制不当，板材拼接后焊接变形严重。目前多采用焊前施加预应力、预变形等经验性的方法来控制焊接变形，没有从根本上解决焊缝焊后残余应力大的问题，在平台服役过程中易出现焊缝开裂现象。另一方面，在海洋平台合拢过程中，大厚度焊接结构复杂，刚性大，焊后残余应力高，焊接变形控制困难，易出现焊接结构变形、开裂等问题。以半潜式平台合拢为例，平台4个立柱需同时焊接，每个立柱先焊接内部十字交叉舱壁，需8名焊工同时焊接，然后由16名焊工同时按照一定顺序焊接立柱外围焊缝，外围焊缝焊接完后再由8名焊工焊接内部肋板焊缝，之后依次焊接其他型材和肘板，整个平台合拢焊接时最多需要64名焊工同时焊接。平台合拢对精度要求较高，需要严格控制焊后结构的变形，目前多采用调整焊接顺序的方法控制焊接结构变形。

图2 某平台焊缝的层状撕裂和冷裂纹

3 高效焊接技术

随着工业的发展，特种材料、新型材料、大型结构、厚板结构的应用不断增加，传统焊接技术愈来愈难以满足现代焊接高效率高质量的需求。新型的高效焊接

水分是影响植物生长发育的主要环境因子之一,水分胁迫(尤其是干旱胁迫)是经常发生的、并且是制约植物生长发育的重要逆境问题,因此土壤的含水量与保水性在植物生长过程中尤为重要.土壤含水量过低会影响植物进行光合作用,降低植物有机物质的积累,无法满足植物生长的需求,使得株高、生物量等受到明显抑制,同时蒸腾作用和气孔导度会显著降低,从而抑制植物的生长[7],进一步影响植物对土壤中污染物质的积累量和植物修复效率.

如图8所示，实验曲线不与所列出的任何一个标准曲线重叠，但实验曲线的趋势和标准曲线AE _ 3 5和AE _ 1 2的趋势相同，判定该类动力学模型函数的动力学指数经过适当修正后可以描述该热分解反应动力学机理，即：

技术开始不断涌现，如窄间隙焊接、T.I.M.E. 焊接、激光电弧复合焊、K-TIG(Keyhole)、热丝TIG、双丝焊、带极GMAW等[27]。

窄间隙焊接(Narrow Gap Welding, NGW)是1963年由美国Battelle焊接研究所提出。20世纪80年代，日本压力容器研究委员会定义了窄间隙焊接：窄间隙焊接是将板厚30mm以上的板材，按小于板厚的间隙相对位置开坡口，再进行机械化或自动化焊接的方法。窄间隙焊接可利用现有的弧焊方法，形成NG-TIG，NG-GMAW，NG-SAW等，采用I形坡口或0.5°～7°的U形、V形坡口，多用于厚板结构的多层焊接，可实现全位置自动化焊接。窄间隙焊坡口断面小，可减少焊材填充和焊接时间，提高焊接效率；同时窄间隙焊热输入小，热影响区小，焊后变形小，焊接接头综合力学性能优良[28-29]。NG-TIG焊接技术已在国内核电行业投入使用，目前国内核电窄间隙TIG焊接设备和材料80%以上为进口，国外生产厂家主要有Poly-sude，ESAB，Liburdi，Babcock-Htachi等，国内窄间隙焊技术还处于研发阶段[30]。

排完《哭坟》，王爷坐在排练厅正前方的低台上休息。他显得有些疲惫，恹恹的，整个身子塌下去，鼻尖上全都是汗。

T.I.M.E.焊是Transferred Ionized Molten Energy 的缩写，是由Canada Weld Process公司于1980年研究成功的一种高性能MAG 焊接方法。T.I.M.E.焊采用大电流、大伸出长度和特殊的四元保护气体，通过增大送丝速度来得到高焊丝熔敷率，实现稳定可控的旋转射流过渡，在焊缝质量明显改善的同时，熔敷效率可提高2～3倍[31]。

中国特色社会主义理论体系的内涵是随着改革与发展的推进而不断深化和丰富的。十八大报告指出“中国特色社会主义理论体系，就是包括邓小平理论、‘三个代表’重要思想、科学发展观在内的科学理论体系，是对马克思列宁主义、毛泽东思想的坚持和发展。”［1］

20世纪70年代末，英国学者首先提出了激光电弧复合焊的概念，并率先利用TIG和CO2气体激光器实现了激光电弧复合焊[32]。通过结合物理性质、能量传输机制截然不同的激光与电弧两种热源，激光电弧复合焊能够充分融合激光焊和电弧焊的优势，具有熔深大、效率高、接头桥接性好、热影响区窄、焊接变形小、焊接成本低等优点[33]。激光电弧复合焊在海洋平台的中厚板结构焊接、高强度海工钢焊接方面具有良好的应用前景。对于中厚板的焊接，激光电弧复合焊可减少焊丝填充，提高焊接效率，降低焊接残余应力，减小焊接变形，可用于平台上船体、甲板结构大幅板的焊接。目前激光电弧复合焊可一次性焊透20 mm以下的钢板，随着高功率光纤激光器的发展，激光电弧复合焊有望一次性焊透30 mm以上的钢板。对于20 mm以上的钢板，可采用激光电弧复合多层多道焊或激光电弧复合焊与其他焊接方法复合的方式焊接。图3为管线钢环焊缝分别采用熔化极气体保护焊点焊+传统埋弧焊填充与激光电弧复合焊打底+埋弧焊填充焊接工艺焊接道次的对比图。采用熔化极气体保护焊点焊+埋弧焊填充焊接工艺方法，X坡口钝边最大为8 mm，共需焊接8道埋弧焊缝。采用激光电弧复合焊打底+埋弧填充焊接工艺方法，钝边采用12 mm，减少了焊丝填充量，后续只需4道埋弧焊焊缝，焊接效率大大提高[34]。欧美等国已将激光电弧复合焊接技术用于船体结构钢的焊接[35]。2002年德国Meyer-Werft船厂建立了第一条激光电弧复合焊接自动化生产线，可一次性焊接20 m长的焊缝，对于5 mm厚钢板对接焊焊接速度可提高3倍以上，如图4所示[36]。芬兰、意大利、美国等国家也先后实现了激光电弧复合焊的工程化应用，建立了激光电弧复合焊接生产线，可焊接15～30 mm厚高强钢，大大提高了焊接效率，降低了焊接结构变形[37]。便携式光纤激光设备的出现，解决了激光电弧复合焊接设备占地面积大、不易携带的问题，德国、西班牙等国先后研发了便携式激光电弧复合焊接设备，已用于海洋平台钢的焊接。国内激光电弧复合焊接实际应用较少，近年来，中集来福士集团为了提高海洋平台建造质量和效率，积极促进高效优质焊接技术在海洋平台建造领域的应用，拟在山东龙口船厂引进激光电弧复合焊接技术，用于海洋平台钢的焊接。

图3 管线钢两种焊接工艺对比图

图4 德国Meyer-Werft船厂激光电弧复合焊接自动化生产线

K-TIG是由澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO开发的一种大电流TIG焊接技术，焊接过程中通过建立液体熔池重力、熔池表面张力、电弧反作用力等的平衡，实现稳定的小孔形态，焊接效率较传统TIG大大提高[38]。K-TIG焊可以一次性焊透4～12 mm厚的钛合金、不锈钢、碳钢等，无需开坡口，不需或仅需少量焊丝填充，焊接变形小[39-42]。对于海洋平台上船体及甲板部位10 mm以下厚度的大幅板钢板的拼接，可采用K-TIG焊接工艺代替现有的焊条电弧焊、熔化极气保焊等，减少焊丝填充，提高焊接速度，降低焊接变形。对于厚度超高10 mm的钢板，可以采用K-TIG焊接工艺作为打底焊接工艺，其钝边可达到8～10 mm，大大减少了焊丝填充，提高焊接速度，如图5所示。K-TIG焊接工艺焊接电流一般在400 A以上，焊接接头热影响区晶粒粗大，热影响区的韧性有待进一步深入研究。有学者拟采用振荡脉冲电流的方法细化K-TIG焊接接头的晶粒，改善其热影响区韧性。

冰面消失对海洋生态系统也将带来巨变。海洋浮游植物是所有海洋生物赖以生存的食物链的基础和重要环节，在此之前人们一直认为北冰洋海区的浮游植物只有在夏季冰面融化之后才会生长繁殖，而现在科学家们认识到，由于全球变暖导致海冰冰层变薄，原本不透光的冰层已经开始变得可以通过光线，这一变化造就了这里海水中浮游植物的生长，这会对北冰洋食物链上的高级海洋生物带来影响。

图5 K-TIG打底焊接工艺示意图

热丝TIG是在传统TIG基础上发展起来的一种优质、高效、节能的焊接工艺，采用电阻加热、电弧加热、高配感应加热等方式在焊丝进入熔池前对其进行预热，焊丝熔敷效率是传统TIG的3～5倍，极大提高了焊接效率[43-45]。同时热丝TIG继承了传统TIG的焊接质量高、焊接变形小的优点[46]。与其他高效焊接方法结合，可形成双丝热丝TIG和窄间隙热丝TIG。王兆荣等人[47]采用超窄间隙热丝TIG焊接工艺对82.25 mm厚自升式平台桩腿窗户板进行了焊接，并与传统SMAW焊接工艺进行对比，结果表明超窄间隙热丝TIG焊接工艺下的焊接接头综合力学性能良好，可解决传统打底焊方法成形不良问题，可减少焊丝填充量64%，焊接效率提高1倍以上，缩短桩腿生产周期，降低劳动强度，改善生产环境。热丝TIG焊接工艺在海洋平台内部不锈钢管路焊接方面也具有较大的应用前景。

双丝焊，顾名思义就是通过两根焊丝同时焊接的方法提高焊丝熔敷率，进而提升焊接效率的焊接工艺，包括双丝GMAW和双丝SAW[48]。双丝GMAW可分为Max法、Twin Arc法和Tandem法等。Max法又叫单面单弧焊法，前丝接电源正极，后丝和母材接电源负极，电弧仅在前丝产生，后丝仅仅插入熔池，Max法熔敷效率和焊接速度是普通MIG的2倍以上。Twin Arc法采用同一焊枪同时输送两条相互绝缘的焊丝，两焊丝都接在同一电源正极，采用电流相位控制方式使电弧在两焊丝间轮流燃烧，焊接效率得到提升。Tandem法是目前最成熟应用最广泛的双丝焊接技术，两根焊丝由两台电源供电，共用同一个焊枪和喷嘴，但是彼此之间绝缘，参数独立控制，熔池为两个电弧形成的椭圆形熔池，可大大提高焊接效率，同时可抑制咬边等缺陷的形成。双丝SAW根据电源和电弧的数量可分为双丝双电源单弧SAW、双丝双电源双弧SAW、并联双丝单电源SAW、串联双丝单电源SAW等[49]。

带极GMAW是德国研究人员于2001年开发的高效焊接工艺，该方法采用矩形截面的扁平状电极代替传统焊丝，可实现大电流高速焊接，焊丝熔敷率介于双丝GMAW和传统GMAW之间，焊接效率提高30%～50%[50]。

表4总结了各高效焊接技术的优缺点及适用范围。窄间隙焊技术焊接效率高、焊接质量好、可实现自动化、智能化，适用于大厚度高强钢、不锈钢等，但是窄间隙焊设备复杂、价格昂贵，坡口加工精度要求高[51]。T.I.M.E. 焊尽管具有较高的焊接效率和焊接质量，但是其保护气体复杂，需要使用国内紧缺的氦气，并不适用于中国的国情。激光电弧复合焊虽然设备集成较为复杂，但其对激光器的要求远低于纯激光焊，已被国外工程化验证适用于海洋平台用钢的焊接[52]。K-TIG是一种高效的单道焊接技术，适用于海洋平台用钢的中厚板打底焊，其焊接接头尤其是焊接热影响区的力学性能仍需进一步的研究[53]。热丝TIG焊接技术几乎适用于所有的材料和结构，但限于TIG的特点其焊接效率与传统的熔化极活性气体保护焊和埋弧焊仍有一定差距，可与窄间隙焊技术结合形成更高效的窄间隙热丝TIG焊接技术[54]。双丝焊和带极GMAW受限于特殊的焊接设备和焊接材料，仅适用于规则焊缝，无法实现全位置焊接，并不适用于海洋平台用钢的焊接[55]。

表4 高效焊接技术优缺点及适用范围

高效焊接技术优点缺点适用范围窄间隙焊接高效、高质量、自动化设备昂贵、坡口精度要求高大厚板、高强钢、不锈钢等T.I.M.E.高效、高质量保护气体复杂、氦气昂贵低碳钢、高强钢、特种钢等激光电弧复合焊高效、高质量、自动化设备集成复杂中厚板、高强钢、不锈钢等K-TIG高效单道焊接中厚板打底焊、碳钢、不锈钢、钛合金等热丝TIG焊高效、高质量效率提高程度有限几乎所有材料双丝焊高效设备复杂昂贵、仅适用于规则焊缝、无法形成全位置焊大部分材料、规则焊缝带极GMAW高效需专业带状焊材、特殊送丝机构大部分材料、焊接位置受限制

4 结论

(1)随着深海油气资源的勘探开发，海洋平台用钢向着高强度、大厚度、良好的低温韧性等方向发展。国内海洋平台焊接仍以传统焊接方法为主，存在焊接效率低下、自动化程度低、焊接质量波动大等问题。如何提高海洋平台焊接效率，降低海洋平台焊接结构残余应力，改善焊接变形，提高焊缝质量是现阶段海洋平台焊接面临的问题。

(2)窄间隙焊、激光电弧复合焊、K-TIG、热丝TIG等新型高效高质量焊接技术，已被初步用于海洋平台的焊接，焊接效率有了较大提高，可进一步深入研究，并在海洋平台建造领域推广应用。

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