海工钢构Z向裂纹的成因及控制
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摘 要：Z向裂纹是一种危害极大的钢结构裂纹。随着近年来我国船舶工业的迅速发展，船舶与海洋工程钢结构产品中的Z向
裂纹问题日益突出。本文结合现代船舶工业的特点，分析现代船舶与海洋工程钢结构产品中Z向裂纹产生的原因，并
介绍该类裂纹的预防措施及常规检测方法。
关键词：海洋工程 Z向裂纹 质量控制
进入二十一世纪以来伴随着全球经济的日趋繁荣世界范围内船舶工业迅速发展，各种海洋结构物的种类和数量迅速增加，船舶建造工艺和生产管理模式也针对性地进行了革新。随着这些新型船舶陆续投入营运，很多传统船舶中并不突出的问题开始涌现出来。船舶与海洋工程钢结构中的Z向裂纹就是现代造船中需要重点关注的新问题之一。
Z向裂纹的定义、成因及常见位置
1、Z向裂纹的定义
Z向裂纹也称层间撕裂（Lamellar Tearing）是指板厚方向（垂直于钢板平面方面）的钢板及焊缝内部裂纹。这种裂纹通常表现为冷裂纹，在某些结构刚性大焊接工艺不良的位置也可能表现为热裂纹。Z向裂纹常见于大型船舶厚板的角接接头，海洋平台管节点位置全熔透的K型、T型、Y型接头以及船舶、海洋平台组块的吊耳、顶撑点等集中受力位置。与其他方向裂纹不同的是，Z向裂纹经常出现于关键节点位置，一旦发生将导致结构迅速失效。更为严重的是相对其他类型的裂纹而言，Z向裂纹在钢结构内部形成的破坏面很大，且很难采用常规方法检出，修理这类损坏所耗费的时间和资源也非常可观。
2、Z向裂纹的成因及常见位置
钢材Z向裂纹的原因可以概括为内因和外因两个方面。钢结构内材质的不均匀是导致Z向裂纹产生的内因。通常轧制钢材中都不可避免地存在一定数量的杂质，主要成分是硫化物和硅酸盐。如果这些杂质在某一个区域上过于集中，就容易在钢材内部形成一种脆弱的夹层。通常钢板厚度越大，在轧制的过程中越容易形成夹层。也就是说相对而言厚板更容易产生Z向裂纹。钢结构内部材质不均匀的另一个原因是母材与焊材的化学成分本身存在一定的差异，这种差异必然会导致焊道位置及其附近的材质不均匀，进而导致刚才内部出现Z向裂纹。这也就是Z向裂纹多发生在焊缝与母材熔合线位置附近的原因。
焊接接头在Z向产生较大的拉伸应变是引发Z向裂纹的外因。引起这种应变的主要是焊接导致的材料残余应力。对于厚度较大的板材以及海洋工程导管架中的T、K、Y型管节点，不可避免地存在焊接过程中热量梯度较大的问题，因此而产生的残余应力也相对较大。同时，这些位置对材料变形的约束较大（即通常所说的刚性较大），如果残余应力得不到有效的释放，这些位置的材料就会在Z向上产生一个较大的应变。而常规钢材抵抗Z向应变的能力比另外两个方向要弱很多，一旦钢材无法抵抗这种应变就会导致材料内部发生Z向裂纹。另外，施加在钢结构上较大的Z向外力也会导致钢材局部产生较大的内应力，进而导致Z向裂纹。所以Z向裂纹多发生在海洋平台导管架、大型起重机基座、吊耳及其基座等结构刚性较大且主要承受Z向外力的位置。
现代船舶工业的特点及其与Z向裂纹的关系
船体结构Z向裂纹的问题的日益突出与现代船舶结构型式的转变以及造船工艺的进步有着非常密切的关系。现代船舶的大型化、工作环境的复杂化、造船焊接工艺的进步以及起重能力的大幅提升共同导致了在当代船舶工业中，Z向裂纹的问题不容忽视。
1、现代船舶的特点与Z向裂纹的关系
与传统运输船舶相比，现代船舶呈现出明显的大型化趋势，现代大型船舶的船长普遍超过150m，超大型集装箱船的船长已超过366m。船长的增加必然导致船舶总纵强度问题的突出，这就使得在甲板等需承受总纵强度的关键位置的船壳板厚度大大增加。现代大型集装箱船的甲板板厚已经达到80mm，大型散货船船中区域甲板厚度也在30mm以上，这对船用钢材以及焊接的质量提出了更高的要求。厚板在轧制的过程中更容易产生薄弱夹层，也就更容易发生Z向裂纹。
随着陆地资源的日益枯竭，人们开始将目光转向海洋，海洋工程配套装备的需求量开始大幅增加。海洋工程类产品所工作的环境更为恶劣，其钢结构承受载荷的情况也与传统意义上的船舶有很大的区别。特别是平台导管架部分以及下浮体部分结构刚性大，且需要承受较大的Z向力。所以相对船舶而言，海洋工程项目更容易产生Z向裂纹。
2、现代造船技术的特点与Z向裂纹的关系
随着材料科学的进步与船厂生产条件的日趋改善，现代船舶建造模式与传统模式相比有了很大的变化，其中最大的特点之一就是建造速度的明显加快。随着船用钢材及焊材质量的日益改善，FCB等快速焊接方法在造船也中普遍推广。这些焊接方法虽然效率很高，但是极易引起焊接过程中线能量输入过大，这将导致焊接结束后结构产生更大的残余应力。当采用这类工艺施焊的结构受约束程度较高时，Z向裂纹的可能性就会大大增加。
随着起重设备的迅速发展，现代船厂的起重能力普遍得到了很大的提高。为节约起运成本，现代造船模式下合拢阶段起重量普遍在500t以上，海洋工程海上安装组块的重量甚至可达到4000t，这就导致船舶的部分结构在起运过程中需要承受更多的Z向载荷。相对而言吊耳或顶升支撑座位置的结构刚性都很大，一旦结构承受较大的Z向载荷将在很大程度上增加发生Z向裂纹的可能性。如果母材或焊道内已经存在细微的缺陷，则发生Z向裂纹是必然的。
常用的Z向裂纹预防方法
从前文的分析中可以看出，当代船舶与海洋工程产品Z向裂纹问题的日益突出与现代船舶以及造船技术的发展有着不可分割的联系。如何既能充分发挥当代先进造船技术的优势又能够有效地避免Z向裂纹就成了现代船舶工业中亟待解决的问题。导致Z向裂纹的因素主要有内因和外因两个方面，只要消除其中一个因素即可有效地避免Z向裂纹。在工程实践中可以采取的措施如下：
1、适当地采用Z向原材料
普通钢抵抗Z向应变的能力较差是导致Z向裂纹的内因。通常钢材中的含硫量越高Z向延展性越差，拉断后断面收缩百分比（ΦZ）较小。工业上将ΦZ>15%的钢材称为Z向钢。Z向钢通常根据钢材含还硫量进行分类，具体如下：
在大型起重机座、大型结构起吊点、海洋平台导管架中的K、T、Y节点等需要承受Z向拉伸力又在焊接过程中受约束程度较高的位置采用Z向钢并在焊接时选用与之相对应的焊材可以有效地避免Z向开裂。需要注意的是Z向钢材与普通钢材在外观上几乎没有差别，在结构建造过程中应特别关注原材料的使用以免用错。
2、改善承受Z向力位置的结构型式
钢结构约束程度过大，焊后材料中的残余应力难以释放是导致Z向裂纹的主要外因，所以在进行钢结构型式以及施工方案设计时要尽可能减小结构钢性以避免局部产生较大的内应力。对容易产生Z向裂纹的位置采用加强结构要特别慎重，因为这些加强都会增加焊缝区域的约束程度。在建造过程中将一个大模块分成几个部分分别焊接后再拼装可以有效地减少钢材焊接时受约束的程度，进而降低焊后发生Z向裂纹的可能。
改善结构型式的另一个方法是通过合理的结构布局，避免出现集中承受Z向外力的位置，从而减少结构内应力。例如，对于起重量较大的分段或组块可以采用增加吊环数量的方法减少局部吊点的受力，降低出现Z向裂纹的可能。对于某些原本需要选用较厚板材的板架位置可适当增加板架内的骨材密度，从而达到减少板厚降低发生Z向裂纹可能性的目的。
3、调整焊接工艺必要时进行焊后热处理
适当的焊接工艺可以确保焊接质量，有效减少焊后残余应力，进而避免钢材Z向裂纹。通常而言FCAW方式焊接线能量输入相对SMAW而言较小，的冷裂纹倾向也小，对于容易产生Z向裂纹的位置可以考虑尽可能多地采用FCAW的焊接方法。在实践中采用多层多道焊的方式进行焊接可以有效地减少焊接区域的线能量输入，进而避免焊道位置附近产生较大的残余应力。另外、在焊后采用锤击或局部热处理的方式也是除残余应力的有效方式。
对于厚板角接及管节点结构采用合理的焊接结构型式也可有效地减少焊后残余应力。严格地控制焊道装配间隙可以减少不必要的电焊工作量，从而减少焊接线能量的输入进而减少收缩应力。采用双面坡口对称施焊的焊接型式可以有效地平衡部分焊后收缩变形。是对于厚板角接以及海洋工程导管架中的K、T、Y型管节点，在确保连接强度的前提下可以采用部分融透焊代替传统的全融透接头，从而减少不必要的线能量输入。这些办法都可以有效地减少焊接焊后残余应力，避免Z向裂纹的产生。
4、针对性地选择无损检测方法
与常规的裂纹相比Z向裂纹存在较显著的方向性，如果采用RT检测时射线照射的方向与缺陷面垂直，或采用UT超声波传入材质内部的方向与缺陷方向平行该类缺陷很难被检出。所以无论采用何种无损检测方式，都应当选择至少两个相互垂直的方向进行检查从而有效地避免漏检。考虑到Z向裂纹具有显著的冷裂纹特点，检测的时机也非常重要。在实践中不仅应在焊后48小时进行检测，还应在焊后15天再进行一次检测，从而有效地杜绝安全隐患。
结语
综上所述，Z向裂纹是现代船舶工业中必须面对的问题。内因是决定矛盾的主要方面，所以预防Z向裂纹的关键是控制钢材和焊材的质量，在钢材和焊材的使用上应当严格把关。同时在设计中采用合理的结构型式，在施工中选用合适的焊接工艺并在完工后采用正确的质量控制方法进行检测，就能有效地避免Z向裂纹对钢结构的影响。
（作者单位：中国船级社上海分社）