海洋鋼結構韌性問題與CTOD試驗技術
標簽: CTOD 海洋鋼結構
[ 時間:2009-12-24 全球石油網 關注度：45997 ] [ 加入收藏 ] [ 字號：大 中 小 ]
苗 張 木1） 吳 華 方2）
（1．武漢理工大學 交通學院，武漢， 430063；
2.中國船級社武漢分社，武漢， 430022）
摘 要
論述了海洋鋼結構韌性問題的本質及重要性。介紹了CTOD（裂紋尖端張開位移）概念、CTOD試驗主要規范，也介紹了國外海洋鋼結構中若干與CTOD有關的規范，介紹了CTOD試驗技術在海洋鋼結構中的三種主要用途：控制質量、提高生產效率、降低建造成本。
關鍵詞：韌性；裂紋尖端張開位移； CTOD； 海洋鋼結構
1. 海洋鋼結構韌性問題
1.1海洋鋼結構韌性問題重要性
海洋鋼結構的強度、剛度、穩定性問題，已經得到人們的普遍重視。但是，韌性問題，卻沒有得到應有的重視，令人十分擔憂！
所謂韌性，是指材料在外載荷作用下抵抗開裂和裂紋擴展的能力，也就是材料在斷裂前所經歷的彈塑性變形過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合體現。韌性好的材料（例如鋁），在斷裂破壞前會發生較大的塑性變形，吸收較多的能量，消耗較多的外力功，因而斷裂過程延續時間較長，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，容易發生脆斷。
海洋鋼結構服役環境惡劣、鋼板厚度大、強度高，其焊接接頭的韌性（抗開裂性能和止裂性能）至關重要。它們不僅承受巨大的靜載荷，而且往往承受由波浪、海流、臺風等引起的動載荷，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，這種裂紋不會擴展或者擴展緩慢；反之，裂紋就很容易擴展，導致鋼結構的破壞。例如，我國在1969年倒塌的渤海老2號三座海洋平臺，用的是16Mn和Q235A，它們不具備低溫韌性，在低溫下韌性很差，對于焊接接頭中存在夾雜物和未焊透的類裂紋的擴展，抵抗能力很差，最終造成平臺導管脆性斷裂[2]。再如1980年，在北海的一條半潛式平臺“亞歷山大·基蘭德”號（Alexander Keilland）發生傾覆，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了疲勞裂紋[3]。
因此，在海洋鋼結構建造中，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）也不會擴展或者擴展很緩慢，結構在服役期內仍然是安全的。
但是用什么樣的指標來反映韌性？對于具體的海洋鋼結構又需要多大的韌性？這種韌性如何測定？如何在設計中設定韌性指標、并在建造中得到保證？國外有一些成熟的規范和成功的經驗，國內這方面的工作有待開展。
1.2 用沖擊韌性表征海洋鋼結構韌性，存在局限與危險
由沖擊試驗得到沖擊韌性，可用來表征材料或焊接接頭的韌性。這種方法已經普遍被接受。但是海洋鋼結構中有許多厚鋼板及其焊接接頭，對于它們，用沖擊韌性衡量韌性，局限性較大，并且是偏于危險的！
這主要是由于沖擊試驗在試樣取樣時受到限制。就焊接接頭而言，按有關規范［4］，試樣標準尺寸是10mm ×10mm×55mm。這樣，對于厚度大于10mm的鋼板的焊接接頭，試驗結果就不能代表整個焊接接頭的韌性了。例如，按規范[4]，在后焊一側的焊縫厚度為18～40mm時，只在其中取一個沖擊試樣進行沖擊試驗。按這種取樣方式，這個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，顯然不能夠說明整個焊接接頭韌性不合格；同樣，如果所取試樣的沖擊韌性合格，也只能說明取樣部位的材料的韌性是合格的，而不能說明整個焊接接頭韌性合格。
另外，材料表現為韌性斷裂還是脆性斷裂，還與材料所受應力狀態有關。沖擊試驗局部取樣的方法，改變了材料的應力狀態。海洋鋼結構壁厚往往較大（國內導管架壁厚已達90mm［5］）,而沖擊韌性試樣只有10mm×10mm×55mm，按規范「4」，對厚度為60mm～100mm的焊接接頭，沿厚度方向不同位置，取三個試樣來測量。這樣，從力學上看，是把厚板材料原本所處的三向應力狀態轉變成為平面應力狀態，然后再測量沖擊韌性，會導致較大誤差，并且是偏于危險的。例如，“船體上的厚鋼板會發生90%以上結晶斷口的脆斷，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后卻發生完全纖維斷口的韌斷” [6]。另一個典型的例子是，1950年美國北極星導彈實驗發射時，固體燃料發動機殼體發生了爆炸。殼體材料是超高強度鋼（屈服極限1400MPa），按V型夏比沖擊試驗，殼體材料的韌性是合格的[7]。
由于海洋鋼結構大多是厚鋼板焊接結構，在用沖擊試驗來驗收母材、評定焊接工藝時，存在取樣限制，不夠科學、不夠合理。必須取整塊鋼板厚度、取整個焊接接頭厚度來制備試樣（全厚度試樣），進行韌性測定，才能夠保證韌性測定的可靠性。這就必須借助于CTOD試驗技術。
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距離[8]（如圖2）。CTOD的量綱為長度，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。在試驗中，把待測材料做成帶有預制裂紋的試樣，加上外載后，裂紋尖端處有一個可以被測定的張開位移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試驗主要規范
目前使用較多的CTOD試驗規范，在英國有BS7448。 BS7448分三個不同部分。BS7448：Part1:1991 [9]是用來測金屬材料 CTOD特征值的，而BS7448：Part2:1997 [10]是用來測金屬材料焊接接頭 CTOD特征值的，BS7448：Part4:1997 [11]則是用來測金屬材料 CTOD阻力曲線的。在美國CTOD試驗規范有好幾個，最新版本是ASTM E1290-2002 [12]。在我國國內，國家標準GB/T2358-1994[8]用來測金屬材料 CTOD特征值和CTOD阻力曲線。
4. 海洋鋼結構涉及CTOD的主要規范舉例
4.1海洋鋼結構設計規范
主要規范有DNV-OS-C101[13](規范名稱為“Design of offshore steel structures, general (LRFD method)”和DNV-OS-C201[14](規范名稱為“Structural design of offshore units (WSD method)” 。它們規定符合以下情況的焊接接頭的工藝評定中要做CTOD試驗：對于要在同一地點服役5年以上的海洋結構物，當設計溫度在+10OC以下、特殊的連接部位、連接部件中至少有一個部件的屈服極限≥420MPa。
4.2海洋鋼結構建造規范
主要規范有DNV-OS-C401[15]，規范名稱為“Fabrication and Testing of Offshore Structures”。它規定屈服強度超過350MPa的鋼板，其焊接接頭（焊縫中心和熔合線）必須做CTOD試驗。它對熔合線試樣的疲勞裂紋位置作了嚴格要求，以嚴格保證有效試樣的疲勞裂紋準確位于試樣熔合線上。
對焊縫和熔合線各做三個有效試樣，共計6個試樣的特征CTOD值都不小于0.15mm為合格。
對三個有效的焊縫試樣或熔合線試樣中，若有特征CTOD值小于0.15mm，則應當補做試驗。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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有效試驗的數目
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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：所有所進行的有效試驗都應當包含在結果中，不允許丟棄任何有效試驗的結果。
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還有一個海洋管線系統建造規范，DNV-OS-F101 [16]（“Submarine Pipeline Systems”）。它規定管線鋼母材縱向橫向都應進行CTOD試驗；焊縫和熱影響區均應進行CTOD試驗。
4.3通用鋼結構建造規范
挪威規范NORSK STANDARD M101 [17] （“Structural Steel Fabrication”）。它規定鋼板厚度超過50mm的焊接接頭必須做CTOD試驗；若屈服強度超過500MPa時，則鋼板厚度大于30mm，其焊接接頭就必須做CTOD試驗。還包括其他情況，可總結成表2。需要特別強調的是，該規范指出：如果CTOD值足夠，則焊接接頭可以免除焊后熱處理。
這是一個一般的鋼結構建造規范，但它被應用于海洋鋼結構建造中[18]。
表2 焊接接頭是否做CTOD試驗的規定
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序號
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焊接接頭的母材的狀況
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是否做CTOD試驗
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屈服強度σs(MPa）
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鋼板厚度t(mm)
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鋼材等級
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1
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σs＜500
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t＞50
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Ⅰ級Ⅱ級
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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
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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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由設計者決定
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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海洋結構鋼規范
主要規范是NS-EN 10225 [19]（“Weldable structural steels for offshore structures-Technical delivery conditions”，固定式海洋結構物焊接結構鋼-交貨技術條件）。它150mm厚度以下的海洋結構鋼板，如果沒有寬板試驗的數據，就應當做CTOD試驗，作為交貨技術條件中的韌性數據。
在上述規范中，一般指明采用BS7448進行CTOD試驗。
5. CTOD試驗技術在海洋鋼結構中的用法
海洋鋼結構中，母材與焊接接頭的韌性都必須保證。關于用CTOD試驗檢測船板、平臺板的韌性問題，作者另有專文論述[20]。這里重點談談用CTOD試驗控制海洋鋼結構中焊接接頭韌性的方法。
圖3是用CTOD試驗評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，進行CTOD評定試驗。如評定結果合格，擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規范WPS（Welding Procedure Specification)；如評定結果不合格，就要調整修訂PWPS，再進行新一輪CTOD評定試驗。PWPS的合格與否，是將所測得的CTOD特征值δ與規定的焊接接頭CTOD允許值δmin進行比較，若δ≥δmin為合格，否則就不合格。
下面從質量控制、提高生產效率、降低建造成本三個方面介紹CTOD試驗在海洋鋼結構中的用法。
5.1 在控制質量方面
就設計方而言，應該突破只要強度、剛度、穩定性足夠就安全的觀念，把結構韌性，作為一個重要指標，予以明確。鑒于國內有關規范沒有明確的規定，可以借鑒國外的做法。對超過一定厚度的母材，設計中應要求用CTOD試驗抽查檢驗其低溫韌性，并給出驗收值。對管節點等重要部位的焊接工藝，其評定試驗須包含CTOD試驗，也應給出驗收值，或指定驗收所用的（國際）規范。
應當指出，設計單位不宜采取變通的辦法回避做CTOD試驗，那樣會留下安全隱患。例如按國際規范，板厚超過50mm的焊接接頭，要做CTOD試驗。如果為了回避做CTOD試驗，在本來應該用大于50mm厚鋼板的部位，改用厚度小于50mm的鋼板，再焊接加強筋。這種方法不宜采用。事實上，減薄鋼板會影響結構整體剛度；加強筋的焊接又加大了結構增加焊接缺陷的風險。
確定一個合理的韌性值作為驗收指標并不容易。如果韌性過低，影響結構的安全性和使用壽命。韌性過高，將會加大成本。就母材而言，不少高韌性鋼尚需從國外進口，成本較高。對焊接接頭韌性要求過高，不僅造成材料的浪費，而且也增加結構焊接的技術難度，還會延長建造工期，這些都會增加成本。顯然，合理控制鋼板及焊接接頭的韌性，是關系到海洋鋼結構安全性與經濟性的問題。一般來說，首先是要確保結構在服役期間安全可靠。在這個前提下，來確定較低的韌性要求，以便于在結構建造中比較容易實現，降低建造成本。關于確定合理韌性值的問題，可參見作者的另一篇論文[21]。
就建造企業而言，應按設計要求，根據指定規范進行CTOD試驗。工藝評定試驗報告中必須有第三方簽字的CTOD試驗報告。評定的鋼板厚度、接頭形式和尺寸應能涵蓋即將進行施工建造的所有焊接接頭。監理方應該做好現場鑒證工作。
值得一提的是，作為焊接接頭韌性檢測技術，CTOD試驗能夠為改善焊接工藝提供有價值的信息。例如，某焊接接頭的CTOD試驗[22]發現焊縫中心的特征CTOD小于國際通用值，為分析原因，進行了掃描電鏡觀察和能譜分析，發現焊縫中有氣泡、夾雜物、微裂紋，并檢測到了硫元素，這為調整焊接工藝、改選焊接材料從而提高韌性提供了方向和思路。
5.2 在提高生產效率方面
在挪威鋼結構建造規范中[17]規定：若焊接接頭韌性足夠，可以免除焊后熱處理。海洋鋼結構尺寸較大，焊后熱處理耗資費時。若能免除焊后熱處理工序，則可節省大量人力物力，縮短建造工期，提高生產效率。
具體做法是在設計文件中對焊接接頭韌性設定一個CTOD允許值（驗收值）。施工方提前編制擬用焊接工藝PWPS，然后按PWPS焊接CTOD試板，進行CTOD試驗。如試驗合格，則PWPS就成為正式焊接工藝規范WPS，直接用于建造施工，并且不用焊后熱處理；如試驗不合格，就修訂PWPS，再進行CTOD試驗，直到合格。這種方法在海洋平臺上已獲多次應用[23] [18] [5],近期在FPSO建造中首次得到應用[24]。
提高生產效率的另一條思路，可以用文獻「5」作為例子。文獻「5」評定的三個焊接工藝中，其中有兩個工藝是為了比較而設計的，一個是單絲自動埋弧焊（PWPS28號工藝），另一個是雙絲自動埋弧焊（PWPS19號工藝），它們的焊接材料、其他工藝參數相同。CTOD試驗結果表明：這兩項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號工藝的焊接效率要比PWPS28號工藝高得多。因此，在導管架的建造中，選擇采用PWPS19號工藝，提高了建造施工效率。
