孟凡星 崔明輝 張大偉 魯 藝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著我國(guó)海洋石油行業(yè)的發(fā)展，特別是南海海域深水油田的勘探與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目越來(lái)越多，厚板焊接在海洋平臺(tái)建造中的應(yīng)用日趨廣泛，按照鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范的要求，為保證焊接接頭的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的綜合性能——韌性，厚度在50 mm以上的鋼板焊接必須做焊后熱處理，但這樣不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且嚴(yán)重影響工期，給施工帶來(lái)極大不便，根據(jù)挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)(DNVOS-C401)［1］，可以通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行CTOD試驗(yàn)來(lái)免除焊后熱處理，不僅可以減少施工成本，而且可以大大縮減施工環(huán)節(jié)。

1 工程概況

陸豐7-2油田位于約東經(jīng) 21°44′，北緯 116°02′的位置，屬于16-05原油生產(chǎn)分成合同區(qū)塊，該區(qū)塊位于南中國(guó)海。CNOOC與美國(guó)新田合作油田，油田水深106 m，導(dǎo)管架設(shè)計(jì)尺寸從EL(-)106 m到EL(+)8 m，共8條腿，主體結(jié)構(gòu)中大部分導(dǎo)管腿、鋼樁、裙樁套筒管壁厚度都在50 mm以上，如果全部進(jìn)行焊后熱處理，工作量極大。LF 7-2導(dǎo)管架模型見(jiàn)圖1。

圖1 LF 7-2導(dǎo)管架模型

2 工藝原理

Crack Tip Opening Displacement(CTOD)即裂紋尖端張開(kāi)位移，是指構(gòu)件受張開(kāi)型載荷后原始裂紋尖端處兩表面張開(kāi)的相對(duì)距離［2］，見(jiàn)圖2。CTOD值的大小反映了裂紋尖端抵抗開(kāi)裂的能力，在實(shí)驗(yàn)中，把待測(cè)焊接接頭做成帶有預(yù)制裂紋的試樣，加外載后，裂紋尖端有一個(gè)張開(kāi)位移——CTOD值可被測(cè)定(見(jiàn)圖3)。CTOD值越大，表示材料抵抗開(kāi)裂的性能越好，即韌性越好，CTOD值越小，表示材料抵抗開(kāi)裂的性能越差，即韌性越差［3］。

3 試驗(yàn)過(guò)程

在LF 7-2 EPCI項(xiàng)目中共做了七組試驗(yàn)件，分別用厚度80 mm和95 mm的板材進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)格書(shū)，完全可以覆蓋40 mm～100 mm厚度板材焊接工藝的評(píng)定。試驗(yàn)所用鋼材都是舞陽(yáng)鋼鐵廠生產(chǎn)的D36級(jí)別，焊接方法主要有CO2氣體保護(hù)焊、單絲埋弧自動(dòng)焊和雙絲埋弧自動(dòng)焊，焊接位置為平焊和立焊，其中立焊為立向上焊。

圖2 裂紋尖端張開(kāi)位移

圖3 CTOD試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)件的下料、焊接、NDT檢測(cè)及切割工作都是由深圳赤灣勝寶旺公司完成，在以上各個(gè)環(huán)節(jié)的加工過(guò)程，勝寶旺公司都做了詳細(xì)的記錄，而且加工過(guò)程都經(jīng)過(guò)NFX和COOEC相關(guān)人員見(jiàn)證，試驗(yàn)過(guò)程絕對(duì)可靠，試驗(yàn)件的CTOD試驗(yàn)是在天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的焊接試驗(yàn)室進(jìn)行的，試驗(yàn)過(guò)程經(jīng)過(guò)NFX和COOEC相關(guān)人員見(jiàn)證，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效。

試驗(yàn)過(guò)程參考BS7448標(biāo)準(zhǔn)［4］和DNV-OS-C401標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

按照BS7448標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CTOD試驗(yàn)要在焊縫金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)采用預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣加工成B×B方形尺寸，加工之前，在每個(gè)試件邊緣打印上簡(jiǎn)單的編碼以便跟蹤。試驗(yàn)溫度為0℃。焊縫金屬試樣采用X形坡口試件，焊縫金屬的機(jī)械缺口位于名義焊縫中心線處，熱影響區(qū)試樣采用K形坡口試件，熱影響區(qū)機(jī)械缺口位于與熔合線平齊位置。機(jī)械缺口根部半徑0.12 mm，開(kāi)口小于60°，深度為試件寬度的45%。在預(yù)制疲勞裂紋之前，每個(gè)試件都要采用局部壓縮方法減少焊縫中心部位的焊接殘余應(yīng)力，加載直徑為30 mm，載荷為750 kN。每個(gè)試件上面都會(huì)有0.1 mm～0.4 mm的壓痕，根據(jù)焊接接頭成分的不同，壓痕的深度也會(huì)有所不同，局部壓縮過(guò)程以標(biāo)準(zhǔn)BS7448第二部分為指導(dǎo)。

以CO2氣體保護(hù)焊焊接的80mm鋼板為例，分別用單邊V形坡口和K形坡口焊接試驗(yàn)件做焊縫金屬和熱影響區(qū)的CTOD試驗(yàn)，試件尺寸如表1所示，試件圖片如圖4所示。

表1 試件尺寸

圖4 試件的預(yù)制

試驗(yàn)采用頻率在115 Hz～117 Hz之間的高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用顯微觀測(cè)和控制疲勞裂紋在任意方向的擴(kuò)展，應(yīng)力比為0.1，加載范圍308 mm，預(yù)制裂紋最大加載為90 kN，每個(gè)試驗(yàn)件的疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)間為0.4 h。CTOD試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，F(xiàn)—V曲線形成過(guò)程如圖5所示，試驗(yàn)過(guò)程的詳細(xì)數(shù)據(jù)在此就不一一列舉，此試驗(yàn)以BS7448標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

表2 CTOD試驗(yàn)結(jié)果

圖5 記錄F—V曲線

根據(jù)DNV-OS-C401的規(guī)定，海洋鋼結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中，為了能夠免除焊后熱處理，焊縫金屬和熱影響區(qū)的CTOD斷裂韌度必須滿(mǎn)足的條件是:3個(gè)有效試件的CTOD值必須都不小于0.15mm，如果其中有不滿(mǎn)足此條件的，就必須追加CTOD試驗(yàn)件的數(shù)量。從表2中可知，80 mm鋼板的CO2氣體保護(hù)焊的3個(gè)試驗(yàn)件CTOD值都大于0.15 mm，因此80 mm鋼板的CO2氣體保護(hù)焊工藝能夠免除焊后熱處理。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，LF 7-2 EPCI項(xiàng)目的七組試驗(yàn)件結(jié)果全部合格，這樣就覆蓋了此項(xiàng)目中50 mm以上鋼板的全部厚度，以此為基礎(chǔ)編制的焊接工藝均免除焊后熱處理，不僅為項(xiàng)目施工節(jié)省了大量用于焊后熱處理的人工和設(shè)備費(fèi)用，而且大大縮短了工期。

4 CTOD評(píng)定在此項(xiàng)目中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)

4.1 經(jīng)濟(jì)

與焊后熱處理相比，CTOD試驗(yàn)為L(zhǎng)F 7-2 EPCI項(xiàng)目節(jié)省了幾十萬(wàn)元的施工成本。按照正常的焊后熱處理工序，為了保證厚度為50 mm以上焊道的質(zhì)量，需要做的工作如圖6所示。

通過(guò)CTOD實(shí)驗(yàn)免除焊后熱處理以后，工序如圖7所示。

圖6中沒(méi)有進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，不僅要進(jìn)行焊后熱處理，而且焊后熱處理使得焊縫內(nèi)部晶體組織發(fā)生變化，為了保證質(zhì)量，焊后還要進(jìn)行NDT復(fù)查。

圖7 無(wú)焊后熱處理的工序

與圖6的工序相比，圖7中CTOD試驗(yàn)使焊縫的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)大大減少，不僅減少了繁瑣的焊后熱處理環(huán)節(jié)，而且也節(jié)省了焊后熱處理的NDT復(fù)查，經(jīng)粗略計(jì)算，整個(gè)LF 7-2 EPCI項(xiàng)目焊后熱處理和NDT復(fù)查所造成的施工成本大概幾十萬(wàn)元，而此項(xiàng)目的CTOD試驗(yàn)費(fèi)用累積花費(fèi)幾萬(wàn)元，極大地降低了施工成本。

4.2 高效

焊接熱處理要求在焊縫的NDT檢測(cè)合格后進(jìn)行，從熱處理設(shè)備的安裝、調(diào)試、加熱、保溫、降溫到設(shè)備的拆卸需要耗費(fèi)大量時(shí)間。根據(jù)以往海洋鋼結(jié)構(gòu)的熱處理經(jīng)驗(yàn)，一道厚度50 mm以上焊縫的熱處理需耗時(shí)12 h，加上熱處理之后的NDT復(fù)查所需要的時(shí)間(工序如圖6所示)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在LF 7-2 EPCI項(xiàng)目中，如果所有50 mm以上焊縫都進(jìn)行焊后熱處理，整個(gè)項(xiàng)目的工期將會(huì)達(dá)到18個(gè)月，通過(guò)CTOD試驗(yàn)來(lái)代替焊后熱處理，該項(xiàng)目節(jié)省了大量時(shí)間，按照正常的施工情況，15個(gè)月即完工，大大提高了施工的效率。

4.3 更科學(xué)合理

與夏比沖擊試驗(yàn)相比，CTOD采取全焊縫試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程更科學(xué)，更合理，能夠更準(zhǔn)確地模擬開(kāi)裂過(guò)程，更全面地進(jìn)行安全性分析［5］，對(duì)比內(nèi)容如表3所示。

表3 CTOD試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)的比較

5 結(jié)語(yǔ)

CTOD工藝評(píng)定制作的焊接工藝，可以免除50 mm以上焊接接頭的焊后熱處理，本文通過(guò)闡述具體的海洋平臺(tái)建造項(xiàng)目中對(duì)CTOD試驗(yàn)的應(yīng)用，證明CTOD工藝評(píng)定在海洋平臺(tái)發(fā)揮的重大作用，在保證焊接質(zhì)量的前提下，不僅節(jié)省了大量的人力、物力，而且大大縮減了施工的工期，CTOD工藝評(píng)定在我國(guó)海洋石油工程領(lǐng)域，特別是深海領(lǐng)域的發(fā)展中，占據(jù)著舉足輕重的地位。

［1］DNV-OS-C401-2001，F(xiàn)abrication and testing of offshore structures［S］.

［2］GB/T 2358-1944，金屬材料裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)方法［S］.

［3］苗張木，王振宇.厚鋼板焊接接頭韌性CTOD試驗(yàn)評(píng)定技術(shù)及應(yīng)用［J］.寬厚板，2006(6):23-28.

［4］BS7448:Part2:1997，F(xiàn)acture mechanics toughness test.Method for determination of KⅠC，critical CTOD and critical Jvalues of welds in metallicmaterials［S］.

［5］苗張木，吳華方.海洋鋼結(jié)構(gòu)韌性問(wèn)題與CTOD試驗(yàn)技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2008(2):18-22.