杜麗影 邱保文 薛 歡 劉 冬 彭志英 余 立

(武漢鋼鐵(集團)研究院 湖北 武漢：430080)

焊接線能量對海洋平臺用鋼斷裂韌性的影響

杜麗影 邱保文 薛 歡 劉 冬 彭志英 余 立

(武漢鋼鐵(集團)研究院 湖北 武漢：430080)

依據(jù)BS7448試驗標準研究了焊接線能量分別為8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm對DH36海洋平臺用鋼焊接接頭中焊縫、粗晶粒熱影響區(qū)、過渡熱影響區(qū)和亞過渡熱影響區(qū)斷裂韌度的影響。結(jié)果表明：隨著焊接線能量的增加，焊接接頭CTOD值有降低的趨勢。焊縫的CTOD值低于熱影響區(qū)的CTOD值，粗晶粒熱影響區(qū)的斷裂韌度低于過渡和亞過渡熱影響區(qū)的斷裂韌度。

焊接線能量；焊接接頭；CTOD值

隨著海洋石油和天然氣的開發(fā)，海洋平臺工程得到迅猛發(fā)展，并趨于深水化、大型化，這將對厚規(guī)格海洋平臺用鋼的需求越來越大。海洋平臺在設(shè)計和制造中大量采用焊接連接，因此，結(jié)構(gòu)件焊接接頭在海水環(huán)境下的耐低溫斷裂韌性特別重要。

裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement，CTOD)，指裂紋體承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，能有效準確地評價材料的抗脆斷能力。通過CTOD試驗不僅可以評價材料的韌性，還可以優(yōu)化焊接工藝，并為評定海洋平臺安全可靠性提供數(shù)據(jù)。CTOD斷裂試驗已在歐美、日本等發(fā)達國家的海洋平臺生產(chǎn)建造中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

為了有效、全面評定海洋平臺用鋼焊接接頭的韌性，本文對DH36海洋平臺用鋼焊接接頭不同區(qū)域進行了0℃低溫斷裂韌度試驗，分析了不同焊接線能量對其性能的影響。

1 試驗材料制備

試驗用材為DH36，全板厚60mm。對于同一種材料來說，取不同厚度的試樣測得的CTOD值是不盡相同的。一般來說，所取厚度越大，CTOD值就越小。因此，為使CTOD值能準確反映鋼板的整體韌性，試樣厚度應(yīng)盡可能接近原始鋼板的厚度，即所謂全厚度試樣。但由于試驗設(shè)備能力有限，本文采用如圖1所示的試樣尺寸圖。

圖1 試樣加工圖

對于CTOD試樣的平行度、垂直度和表面粗糙度必須滿足加工圖1的要求。先將原材料進行平面切削加工，再用磨床進行磨削。磨削時應(yīng)注意保護試樣表面，避免留下劃痕。用電火花線切割加工試樣缺口，裂紋尖端部分用直徑為0.12 mm 的鉬絲切割，這樣能防止預(yù)制疲勞裂紋時裂紋發(fā)生分叉。

2 焊接工藝

根據(jù)目前我國使用的海洋平臺用鋼標準EN 10225-2009和API RP 2Z：2005規(guī)范中要求，本文對焊接線能量分別為8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm下，焊接接頭不同部位的CTOD值進行測試，焊接接頭示意圖如圖2所示。

圖2 焊接接頭各區(qū)示意圖

焊接工藝采用對接焊縫，等角K型坡口，其加工試樣如圖3所示。

圖3 K型坡口焊接樣加工圖

3 試驗過程

試驗依據(jù)英國焊接研究所提出的試驗標準BS7448[4-5]，在MTS 810試驗機上預(yù)制疲勞裂紋，按照a0/W=0.50控制裂紋初始長度，加載比為0.4，頻率f=25Hz，預(yù)制疲勞裂紋區(qū)長度為2mm。CTOD測試在島津AG-IS 100kN電子萬能試驗機上進行，并將COD規(guī)安裝到試樣的線切割裂紋嘴上，記錄材料的P-V曲線。試樣放在環(huán)境箱內(nèi)，利用液氮降溫，在0℃下保溫20分鐘以上，使試樣內(nèi)部與表面溫度一致，溫度始終控制在±2℃。

4 試驗結(jié)果與分析

線能量為8kJ/cm埋弧焊接工藝，其得到的測試結(jié)果如表1所示。δm指對于全塑性變形的第一個最大力平臺對應(yīng)的CTOD值；δu指材料在穩(wěn)定裂紋擴展中伴有脆性失穩(wěn)的CTOD值，即穩(wěn)定裂紋擴展量△a>0.2mm時的脆性失穩(wěn)斷裂點或突進點所對應(yīng)的CTOD值。

由表1可知，線能量為8kJ/cm埋弧焊接試樣，其焊縫部位的CTOD值均在0.3-0.4mm之間；粗晶粒熱影響區(qū)的CTOD值均大于0.5mm，更有達到1mm以上；亞過渡熱影響區(qū)和過渡熱影響區(qū)的CTOD值均大于1mm，這兩個區(qū)域的值大小相當。

材料在CTOD值測試過程中，試樣8-1、8-2、81-3、81-6的P-V曲線都出現(xiàn)了如圖4所示的失穩(wěn)斷裂情況，這使材料的CTOD值偏低。材料在失穩(wěn)斷裂前穩(wěn)定裂紋擴展量大于0.2mm，因此測出值是材料的δu值。

失穩(wěn)斷裂材料的宏觀斷口形貌如圖5所示，從圖5中可以看出，裂紋起裂擴展前緣附近有明顯的脆性裂紋擴展特征，此后裂紋止住，斷口表現(xiàn)出較大的塑性變形，這說明在焊縫和熱影響區(qū)仍不可避免存在局部脆性粗晶區(qū)，這將導致裂紋局部脆性擴展。但對整個焊接接頭來說，局部脆性區(qū)并不意味著焊接接頭整體韌性低，如果局部脆性粗晶區(qū)周圍的材料具有較好的止裂特性，同樣可以保證焊接接頭的安全性。

圖5 失穩(wěn)斷裂試樣的裂紋前緣形貌

線能量為30kJ/cm埋弧焊接工藝，其得到的測試結(jié)果如表2所示。

表2 焊接線能量為30kJ/cm的CTOD特征值

在該焊接線能量下，焊縫和熱影響區(qū)都沒有出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂現(xiàn)象，測得材料的CTOD特征值均是δm值。其焊縫部位的δm值在0.3～0.4mm之間；粗晶粒熱影響區(qū)的δm值均大于0.7mm；亞過渡熱影響區(qū)和過渡熱影響區(qū)的δm值均大于1.0mm。

線能量為45kJ/cm埋弧焊接工藝，其得到的測試結(jié)果如表3所示。

表3 焊接線能量為45kJ/cm的CTOD特征值

在該焊接線能量下，焊縫和熱影響區(qū)都沒有出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂現(xiàn)象，測得材料的CTOD特征值均是δm值。其焊縫部位的δm值在0.3-0.5mm之間；粗晶粒熱影響區(qū)的δm值波動大，高低不均勻；亞過渡熱影響區(qū)和過渡熱影響區(qū)的δm值均大于0.8mm。

圖6 不同焊接線能量下焊接接頭CTOD值的變化

不同焊接線能量對焊接接頭CTOD值的影響如圖6所示。從圖6中得出，隨著線能量的增加，焊接接頭的CTOD值有下降的趨勢，但變化不大。特別是焊縫區(qū)，CTOD值都在0.3mm～0.5mm之間，熱影響區(qū)CTOD平均值都大于0.8mm。由于焊接接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，熱影響區(qū)區(qū)域很窄，難以精確界定，因此熱影響區(qū)的CTOD值離散性較大。

5 結(jié)論

本文將DH36海洋平臺用鋼焊接接頭細分為焊縫、粗晶粒熱影響區(qū)、過渡熱影響區(qū)和亞過渡熱影響區(qū)，依據(jù)BS7448試驗標準研究了焊接線能量分別為8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm對各區(qū)域CTOD值的影響。結(jié)果表明：隨著焊接線能量的增加，焊接接頭CTOD值有降低的趨勢。焊縫的CTOD值低于熱影響區(qū)的CTOD值，粗晶粒熱影響區(qū)的斷裂韌度低于過渡和亞過渡熱影響區(qū)的斷裂韌度。又由于熱影響區(qū)區(qū)域狹窄，難以精確界定每個區(qū)域，因此其斷裂韌度CTOD值的離散性較大。

[1] 楊新岐，王東坡,等.海洋石油平臺焊接接頭大型CTOD試驗[J].焊接學報.,2002,23(4):48-50.

[2] 虞維明,周岳銀,陳秀妹.海洋平臺的建造與維修[M].北京：海洋出版社,1992,78-165.

[3] 孔祥鼎,夏炳仁.海洋平臺建造工藝[M].北京：人民交通出版社，1993,22-68.

[4] BS 7448：Part 1:1991, Fracture mechanics toughness tests. Part 1. Method for determination of KIC, critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[5] BS 7448：Part 2:1997, Fracture mechanics toughness tests. Part 2. Method for determination of KIC, critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

(責任編輯：李文英)

Effect of Welding Heat Input on Offshore Platform Steel Fracture Toughness

DU Liying QIU Baowen XUE Huan LIU Dong PENG Zhiying YU Li

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

The effect of welding heat input 8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm on fracture toughness of welded joint including Weld metal、CGHAZ、ICHAZ、SCHAZ used for offshore platform was studied according to BS7448 criterion. The result showed that the CTOD values of welded joint decreased with the increase of welding heat input, the values of CTOD for welded seam was lower than CTOD values of HAZ, and that the fracture toughness of CGHAZ was lower than that of the fracture toughness of ICHAZ and SCHAZ.

welding heat input; welded joint; CTOD value

2015-01-29

杜麗影(1982～)，女，在讀博士，工程師.E-mail:duliying_821012@163.com

TG404

A

1671-3524(2015)02-0024-03