海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性問題與CTOD試驗(yàn)技術(shù)
標(biāo)簽: CTOD 海洋鋼結(jié)構(gòu)
[ 時(shí)間:2009-12-24 全球石油網(wǎng) 關(guān)注度：45957 ] [ 加入收藏 ] [ 字號(hào)：大 中 小 ]
苗 張 木1） 吳 華 方2）
（1．武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢， 430063；
2.中國(guó)船級(jí)社武漢分社，武漢， 430022）
摘 要
論述了海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性問題的本質(zhì)及重要性。介紹了CTOD（裂紋尖端張開位移）概念、CTOD試驗(yàn)主要規(guī)范，也介紹了國(guó)外海洋鋼結(jié)構(gòu)中若干與CTOD有關(guān)的規(guī)范，介紹了CTOD試驗(yàn)技術(shù)在海洋鋼結(jié)構(gòu)中的三種主要用途：控制質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低建造成本。
關(guān)鍵詞：韌性；裂紋尖端張開位移； CTOD； 海洋鋼結(jié)構(gòu)
1. 海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性問題
1.1海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性問題重要性
海洋鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性問題，已經(jīng)得到人們的普遍重視。但是，韌性問題，卻沒有得到應(yīng)有的重視，令人十分擔(dān)憂！
所謂韌性，是指材料在外載荷作用下抵抗開裂和裂紋擴(kuò)展的能力，也就是材料在斷裂前所經(jīng)歷的彈塑性變形過程中吸收能量的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合體現(xiàn)。韌性好的材料（例如鋁），在斷裂破壞前會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，吸收較多的能量，消耗較多的外力功，因而斷裂過程延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，不容易斷裂。韌性差的材料（例如鑄鐵），斷裂破壞前塑性變形很少，吸收能量的能力較低，容易發(fā)生脆斷。
海洋鋼結(jié)構(gòu)服役環(huán)境惡劣、鋼板厚度大、強(qiáng)度高，其焊接接頭的韌性（抗開裂性能和止裂性能）至關(guān)重要。它們不僅承受巨大的靜載荷，而且往往承受由波浪、海流、臺(tái)風(fēng)等引起的動(dòng)載荷，容易疲勞破壞。由于鋼板厚度大，焊接缺欠（如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等等）更容易發(fā)生。圖1所示為65毫米厚鋼板焊縫斷口電鏡照片[1]（放大150倍）。圖中凹坑是焊接過程中產(chǎn)生的氣泡坑，氣泡周邊有兩條裂紋，氣泡坑底部還有一條小裂紋。如果焊縫材料韌性好，這種裂紋不會(huì)擴(kuò)展或者擴(kuò)展緩慢；反之，裂紋就很容易擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的破壞。例如，我國(guó)在1969年倒塌的渤海老2號(hào)三座海洋平臺(tái)，用的是16Mn和Q235A，它們不具備低溫韌性，在低溫下韌性很差，對(duì)于焊接接頭中存在夾雜物和未焊透的類裂紋的擴(kuò)展，抵抗能力很差，最終造成平臺(tái)導(dǎo)管脆性斷裂[2]。再如1980年，在北海的一條半潛式平臺(tái)“亞歷山大·基蘭德”號(hào)（Alexander Keilland）發(fā)生傾覆，122人葬身海底。其傾覆的原因起源于支持其腿的一條支管出現(xiàn)了疲勞裂紋[3]。
因此，在海洋鋼結(jié)構(gòu)建造中，必須保證焊接接頭具有足夠的韌性。這樣，盡管母材和焊接接頭中有缺陷（類裂紋），這些缺陷（類裂紋）也不會(huì)擴(kuò)展或者擴(kuò)展很緩慢，結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)仍然是安全的。
但是用什么樣的指標(biāo)來(lái)反映韌性？對(duì)于具體的海洋鋼結(jié)構(gòu)又需要多大的韌性？這種韌性如何測(cè)定？如何在設(shè)計(jì)中設(shè)定韌性指標(biāo)、并在建造中得到保證？國(guó)外有一些成熟的規(guī)范和成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)這方面的工作有待開展。
1.2 用沖擊韌性表征海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性，存在局限與危險(xiǎn)
由沖擊試驗(yàn)得到?jīng)_擊韌性，可用來(lái)表征材料或焊接接頭的韌性。這種方法已經(jīng)普遍被接受。但是海洋鋼結(jié)構(gòu)中有許多厚鋼板及其焊接接頭，對(duì)于它們，用沖擊韌性衡量韌性，局限性較大，并且是偏于危險(xiǎn)的！
這主要是由于沖擊試驗(yàn)在試樣取樣時(shí)受到限制。就焊接接頭而言，按有關(guān)規(guī)范［4］，試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸是10mm ×10mm×55mm。這樣，對(duì)于厚度大于10mm的鋼板的焊接接頭，試驗(yàn)結(jié)果就不能代表整個(gè)焊接接頭的韌性了。例如，按規(guī)范[4]，在后焊一側(cè)的焊縫厚度為18～40mm時(shí)，只在其中取一個(gè)沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。按這種取樣方式，這個(gè)試樣的沖擊韌性如果不合格，只代表取樣部位的材料的韌性不合格，顯然不能夠說(shuō)明整個(gè)焊接接頭韌性不合格；同樣，如果所取試樣的沖擊韌性合格，也只能說(shuō)明取樣部位的材料的韌性是合格的，而不能說(shuō)明整個(gè)焊接接頭韌性合格。
另外，材料表現(xiàn)為韌性斷裂還是脆性斷裂，還與材料所受應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。沖擊試驗(yàn)局部取樣的方法，改變了材料的應(yīng)力狀態(tài)。海洋鋼結(jié)構(gòu)壁厚往往較大（國(guó)內(nèi)導(dǎo)管架壁厚已達(dá)90mm［5］）,而沖擊韌性試樣只有10mm×10mm×55mm，按規(guī)范「4」，對(duì)厚度為60mm～100mm的焊接接頭，沿厚度方向不同位置，取三個(gè)試樣來(lái)測(cè)量。這樣，從力學(xué)上看，是把厚板材料原本所處的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為平面應(yīng)力狀態(tài)，然后再測(cè)量沖擊韌性，會(huì)導(dǎo)致較大誤差，并且是偏于危險(xiǎn)的。例如，“船體上的厚鋼板會(huì)發(fā)生90%以上結(jié)晶斷口的脆斷，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后卻發(fā)生完全纖維斷口的韌斷” [6]。另一個(gè)典型的例子是，1950年美國(guó)北極星導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)發(fā)射時(shí)，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生了爆炸。殼體材料是超高強(qiáng)度鋼（屈服極限1400MPa），按V型夏比沖擊試驗(yàn)，殼體材料的韌性是合格的[7]。
由于海洋鋼結(jié)構(gòu)大多是厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在用沖擊試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)收母材、評(píng)定焊接工藝時(shí)，存在取樣限制，不夠科學(xué)、不夠合理。必須取整塊鋼板厚度、取整個(gè)焊接接頭厚度來(lái)制備試樣（全厚度試樣），進(jìn)行韌性測(cè)定，才能夠保證韌性測(cè)定的可靠性。這就必須借助于CTOD試驗(yàn)技術(shù)。
2. CTOD的概念
受載前(原始)裂紋 受載后裂紋
圖2 裂紋尖端張開位移
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所謂CTOD（Crack Tip Opening Displacement），即裂紋尖端張開位移，系指裂紋體受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開的相對(duì)距離[8]（如圖2）。CTOD的量綱為長(zhǎng)度，常用單位是毫米或英寸。 CTOD值的大小，反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力。在試驗(yàn)中，把待測(cè)材料做成帶有預(yù)制裂紋的試樣，加上外載后，裂紋尖端處有一個(gè)可以被測(cè)定的張開位移CTOD值。CTOD值越大，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越好，即韌性越好；反之，CTOD值越小，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越差，即韌性越差。
3. CTOD試驗(yàn)主要規(guī)范
目前使用較多的CTOD試驗(yàn)規(guī)范，在英國(guó)有BS7448。 BS7448分三個(gè)不同部分。BS7448：Part1:1991 [9]是用來(lái)測(cè)金屬材料 CTOD特征值的，而BS7448：Part2:1997 [10]是用來(lái)測(cè)金屬材料焊接接頭 CTOD特征值的，BS7448：Part4:1997 [11]則是用來(lái)測(cè)金屬材料 CTOD阻力曲線的。在美國(guó)CTOD試驗(yàn)規(guī)范有好幾個(gè)，最新版本是ASTM E1290-2002 [12]。在我國(guó)國(guó)內(nèi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2358-1994[8]用來(lái)測(cè)金屬材料 CTOD特征值和CTOD阻力曲線。
4. 海洋鋼結(jié)構(gòu)涉及CTOD的主要規(guī)范舉例
4.1海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范
主要規(guī)范有DNV-OS-C101[13](規(guī)范名稱為“Design of offshore steel structures, general (LRFD method)”和DNV-OS-C201[14](規(guī)范名稱為“Structural design of offshore units (WSD method)” 。它們規(guī)定符合以下情況的焊接接頭的工藝評(píng)定中要做CTOD試驗(yàn)：對(duì)于要在同一地點(diǎn)服役5年以上的海洋結(jié)構(gòu)物，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度在+10OC以下、特殊的連接部位、連接部件中至少有一個(gè)部件的屈服極限≥420MPa。
4.2海洋鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范
主要規(guī)范有DNV-OS-C401[15]，規(guī)范名稱為“Fabrication and Testing of Offshore Structures”。它規(guī)定屈服強(qiáng)度超過350MPa的鋼板，其焊接接頭（焊縫中心和熔合線）必須做CTOD試驗(yàn)。它對(duì)熔合線試樣的疲勞裂紋位置作了嚴(yán)格要求，以嚴(yán)格保證有效試樣的疲勞裂紋準(zhǔn)確位于試樣熔合線上。
對(duì)焊縫和熔合線各做三個(gè)有效試樣，共計(jì)6個(gè)試樣的特征CTOD值都不小于0.15mm為合格。
對(duì)三個(gè)有效的焊縫試樣或熔合線試樣中，若有特征CTOD值小于0.15mm，則應(yīng)當(dāng)補(bǔ)做試驗(yàn)。在這種情況下，下表所定義的特征CTOD值，不小于0.15mm為合格。
表1 特征CTOD值表
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有效試驗(yàn)的數(shù)目
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特征值
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3～5
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最低值
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6～10
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次低值
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11～15
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第三位最低值
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注：所有所進(jìn)行的有效試驗(yàn)都應(yīng)當(dāng)包含在結(jié)果中，不允許丟棄任何有效試驗(yàn)的結(jié)果。
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還有一個(gè)海洋管線系統(tǒng)建造規(guī)范，DNV-OS-F101 [16]（“Submarine Pipeline Systems”）。它規(guī)定管線鋼母材縱向橫向都應(yīng)進(jìn)行CTOD試驗(yàn)；焊縫和熱影響區(qū)均應(yīng)進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。
4.3通用鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范
挪威規(guī)范NORSK STANDARD M101 [17] （“Structural Steel Fabrication”）。它規(guī)定鋼板厚度超過50mm的焊接接頭必須做CTOD試驗(yàn)；若屈服強(qiáng)度超過500MPa時(shí)，則鋼板厚度大于30mm，其焊接接頭就必須做CTOD試驗(yàn)。還包括其他情況，可總結(jié)成表2。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，該規(guī)范指出：如果CTOD值足夠，則焊接接頭可以免除焊后熱處理。
這是一個(gè)一般的鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范，但它被應(yīng)用于海洋鋼結(jié)構(gòu)建造中[18]。
表2 焊接接頭是否做CTOD試驗(yàn)的規(guī)定
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序號(hào)
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焊接接頭的母材的狀況
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是否做CTOD試驗(yàn)
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屈服強(qiáng)度σs(MPa）
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鋼板厚度t(mm)
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鋼材等級(jí)
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1
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σs＜500
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t＞50
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Ⅰ級(jí)Ⅱ級(jí)
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做
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2
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400＜σs＜500
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t＞50
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Ⅲ級(jí)
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做
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3
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σs＜500
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t≤50
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——
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由設(shè)計(jì)者決定
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4
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σs＞500
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t＞30
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——
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做
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5
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σs＞500
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t＜25
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——
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不做
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6
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σs＜400
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t＜40
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——
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不做
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4.4海洋結(jié)構(gòu)鋼規(guī)范
主要規(guī)范是NS-EN 10225 [19]（“Weldable structural steels for offshore structures-Technical delivery conditions”，固定式海洋結(jié)構(gòu)物焊接結(jié)構(gòu)鋼-交貨技術(shù)條件）。它150mm厚度以下的海洋結(jié)構(gòu)鋼板，如果沒有寬板試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，就應(yīng)當(dāng)做CTOD試驗(yàn)，作為交貨技術(shù)條件中的韌性數(shù)據(jù)。
在上述規(guī)范中，一般指明采用BS7448進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。
5. CTOD試驗(yàn)技術(shù)在海洋鋼結(jié)構(gòu)中的用法
海洋鋼結(jié)構(gòu)中，母材與焊接接頭的韌性都必須保證。關(guān)于用CTOD試驗(yàn)檢測(cè)船板、平臺(tái)板的韌性問題，作者另有專文論述[20]。這里重點(diǎn)談?wù)動(dòng)肅TOD試驗(yàn)控制海洋鋼結(jié)構(gòu)中焊接接頭韌性的方法。
圖3是用CTOD試驗(yàn)評(píng)定焊接工藝的一般程序。先編制擬采用的焊接工藝PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification),然后按PWPS焊接CTOD試板，制成試樣后，進(jìn)行CTOD評(píng)定試驗(yàn)。如評(píng)定結(jié)果合格，擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規(guī)范WPS（Welding Procedure Specification)；如評(píng)定結(jié)果不合格，就要調(diào)整修訂PWPS，再進(jìn)行新一輪CTOD評(píng)定試驗(yàn)。PWPS的合格與否，是將所測(cè)得的CTOD特征值δ與規(guī)定的焊接接頭CTOD允許值δmin進(jìn)行比較，若δ≥δmin為合格，否則就不合格。
下面從質(zhì)量控制、提高生產(chǎn)效率、降低建造成本三個(gè)方面介紹CTOD試驗(yàn)在海洋鋼結(jié)構(gòu)中的用法。
5.1 在控制質(zhì)量方面
就設(shè)計(jì)方而言，應(yīng)該突破只要強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性足夠就安全的觀念，把結(jié)構(gòu)韌性，作為一個(gè)重要指標(biāo)，予以明確。鑒于國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)范沒有明確的規(guī)定，可以借鑒國(guó)外的做法。對(duì)超過一定厚度的母材，設(shè)計(jì)中應(yīng)要求用CTOD試驗(yàn)抽查檢驗(yàn)其低溫韌性，并給出驗(yàn)收值。對(duì)管節(jié)點(diǎn)等重要部位的焊接工藝，其評(píng)定試驗(yàn)須包含CTOD試驗(yàn)，也應(yīng)給出驗(yàn)收值，或指定驗(yàn)收所用的（國(guó)際）規(guī)范。
應(yīng)當(dāng)指出，設(shè)計(jì)單位不宜采取變通的辦法回避做CTOD試驗(yàn)，那樣會(huì)留下安全隱患。例如按國(guó)際規(guī)范，板厚超過50mm的焊接接頭，要做CTOD試驗(yàn)。如果為了回避做CTOD試驗(yàn)，在本來(lái)應(yīng)該用大于50mm厚鋼板的部位，改用厚度小于50mm的鋼板，再焊接加強(qiáng)筋。這種方法不宜采用。事實(shí)上，減薄鋼板會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體剛度；加強(qiáng)筋的焊接又加大了結(jié)構(gòu)增加焊接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。
確定一個(gè)合理的韌性值作為驗(yàn)收指標(biāo)并不容易。如果韌性過低，影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。韌性過高，將會(huì)加大成本。就母材而言，不少高韌性鋼尚需從國(guó)外進(jìn)口，成本較高。對(duì)焊接接頭韌性要求過高，不僅造成材料的浪費(fèi)，而且也增加結(jié)構(gòu)焊接的技術(shù)難度，還會(huì)延長(zhǎng)建造工期，這些都會(huì)增加成本。顯然，合理控制鋼板及焊接接頭的韌性，是關(guān)系到海洋鋼結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性的問題。一般來(lái)說(shuō)，首先是要確保結(jié)構(gòu)在服役期間安全可靠。在這個(gè)前提下，來(lái)確定較低的韌性要求，以便于在結(jié)構(gòu)建造中比較容易實(shí)現(xiàn)，降低建造成本。關(guān)于確定合理韌性值的問題，可參見作者的另一篇論文[21]。
就建造企業(yè)而言，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)指定規(guī)范進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。工藝評(píng)定試驗(yàn)報(bào)告中必須有第三方簽字的CTOD試驗(yàn)報(bào)告。評(píng)定的鋼板厚度、接頭形式和尺寸應(yīng)能涵蓋即將進(jìn)行施工建造的所有焊接接頭。監(jiān)理方應(yīng)該做好現(xiàn)場(chǎng)鑒證工作。
值得一提的是，作為焊接接頭韌性檢測(cè)技術(shù)，CTOD試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楦纳坪附庸に囂峁┯袃r(jià)值的信息。例如，某焊接接頭的CTOD試驗(yàn)[22]發(fā)現(xiàn)焊縫中心的特征CTOD小于國(guó)際通用值，為分析原因，進(jìn)行了掃描電鏡觀察和能譜分析，發(fā)現(xiàn)焊縫中有氣泡、夾雜物、微裂紋，并檢測(cè)到了硫元素，這為調(diào)整焊接工藝、改選焊接材料從而提高韌性提供了方向和思路。
5.2 在提高生產(chǎn)效率方面
在挪威鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范中[17]規(guī)定：若焊接接頭韌性足夠，可以免除焊后熱處理。海洋鋼結(jié)構(gòu)尺寸較大，焊后熱處理耗資費(fèi)時(shí)。若能免除焊后熱處理工序，則可節(jié)省大量人力物力，縮短建造工期，提高生產(chǎn)效率。
具體做法是在設(shè)計(jì)文件中對(duì)焊接接頭韌性設(shè)定一個(gè)CTOD允許值（驗(yàn)收值）。施工方提前編制擬用焊接工藝PWPS，然后按PWPS焊接CTOD試板，進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。如試驗(yàn)合格，則PWPS就成為正式焊接工藝規(guī)范WPS，直接用于建造施工，并且不用焊后熱處理；如試驗(yàn)不合格，就修訂PWPS，再進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，直到合格。這種方法在海洋平臺(tái)上已獲多次應(yīng)用[23] [18] [5],近期在FPSO建造中首次得到應(yīng)用[24]。
提高生產(chǎn)效率的另一條思路，可以用文獻(xiàn)「5」作為例子。文獻(xiàn)「5」評(píng)定的三個(gè)焊接工藝中，其中有兩個(gè)工藝是為了比較而設(shè)計(jì)的，一個(gè)是單絲自動(dòng)埋弧焊（PWPS28號(hào)工藝），另一個(gè)是雙絲自動(dòng)埋弧焊（PWPS19號(hào)工藝），它們的焊接材料、其他工藝參數(shù)相同。CTOD試驗(yàn)結(jié)果表明：這兩項(xiàng)工藝的焊接接頭的特征CTOD值非常接近，也就是韌度基本相同。但是，PWPS19號(hào)工藝的焊接效率要比PWPS28號(hào)工藝高得多。因此，在導(dǎo)管架的建造中，選擇采用PWPS19號(hào)工藝，提高了建造施工效率。
