侯文輝，郭 毅，李紅艷，劉 濤

（太重濱海海工裝備分公司，天津 300450）

海洋石油平臺(tái)服役環(huán)境惡劣，不僅要承受巨大的靜載荷，而且要承受由波浪、海流、臺(tái)風(fēng)引起的動(dòng)載荷，容易產(chǎn)生疲勞破壞。因此，海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造部門應(yīng)將平臺(tái)在運(yùn)行過程的安全問題放在首位[1]。隨著海洋石油開發(fā)走向深海、遠(yuǎn)海，平臺(tái)所使用的鋼板厚度不斷增大，服役溫度越來越低，焊接接頭部位發(fā)生脆性破壞的可能性不斷增加。厚板焊接過程中，焊材熔敷金屬填充量大，焊接時(shí)間長，熱輸入總量高，構(gòu)件施焊時(shí)拘束度高，導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大；焊接施焊過程中容易產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋，致使焊接接頭的韌性惡化[2]。為了保證大厚度鋼板焊接接頭的抗脆斷能力，一般在設(shè)計(jì)過程中考慮采用焊后熱處理的方法改善焊接接頭的斷裂韌度。目前國內(nèi)外的海工焊接規(guī)范，如API、DNV、CCS等，對(duì)厚度大于50 mm的結(jié)構(gòu)焊接要求采用焊后熱處理或CTOD試驗(yàn)。海洋工程結(jié)構(gòu)規(guī)模大，焊后熱處理施工工期長，人力、物力成本高，因此CTOD工藝評(píng)定成為較好選擇。CTOD工藝評(píng)定不但可以提高海洋工程結(jié)構(gòu)的安全可靠性，而且可大幅度縮短工程結(jié)構(gòu)的建造周期，節(jié)約生產(chǎn)成本。本公司CCS級(jí)鉆井平臺(tái)的樁靴結(jié)構(gòu)中存在厚度為55 mm的EH36+E550異種接頭，依據(jù)CCS《材料與焊接規(guī)范》[3]的要求需進(jìn)行焊后熱處理或CTOD試驗(yàn)，本研究選擇采用CTOD試驗(yàn)來探究焊接接頭的綜合性能及尋求免除熱處理的可能性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑閲a(chǎn)船用高強(qiáng)鋼CCSE550和CCSEH36，試板厚度為55 mm。鋼板的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 E550和EH36鋼的化學(xué)成分 %

表2 E550和EH36鋼的力學(xué)性能

1.2 CTOD試板焊接

依據(jù) BS7448[4-5]和DNV-OS-C401[6]兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容，同時(shí)，結(jié)合鉆井平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)中厚度為55 mm的EH36+E550的焊接節(jié)點(diǎn)形式，最終確定CTOD試板采用K形焊接坡口。本研究焊接節(jié)點(diǎn)為EH36+E550的異種鋼焊接，為了方便CTOD試樣焊縫、熱影響區(qū)的取樣工作，本次試驗(yàn)按照相同的焊接工藝焊制了兩組CTOD試板，兩組試板的坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表3。

圖1 兩組試板的坡口形式

表3 試板焊接工藝參數(shù)

1.3 CTOD試樣制備

依據(jù)BS7448標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)采用帶預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲（TPB）標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣毛坯加工至截面積為 B×2B（55 mm×110 mm）的最終尺寸（B為試樣厚度），隨后在線切割機(jī)上用0.12 mm鉬絲加工機(jī)械缺口。

依據(jù)試驗(yàn)要求缺口開在焊縫和熱影響區(qū)。焊縫金屬試樣機(jī)械缺口位于名義焊縫的中心，熱影響區(qū)試樣的機(jī)械缺口沿著坡口直線邊一側(cè)距熔合線 0～1 mm 的范圍內(nèi)[7]。

采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫（25℃）下預(yù)制疲勞裂紋。為了保證初始裂紋長度在（0.45～0.70）W的有效范圍內(nèi)，在疲勞裂紋的預(yù)制過程中應(yīng)隨時(shí)觀測、監(jiān)控疲勞裂紋的擴(kuò)展長度和方向。為保證預(yù)制疲勞裂紋前緣具有合理的形狀，對(duì)每一個(gè)試樣均采用局部壓縮的方法減少焊縫中心部位的焊接殘余應(yīng)力[8-10]。CTOD三點(diǎn)彎曲試樣如圖2所示。

圖2 CTOD三點(diǎn)彎曲試樣示意圖

2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在1 000 kN萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）用游標(biāo)卡尺精確測量每個(gè)試樣的B（厚度）和W（寬度），測量精度為0.02 mm，記錄試樣尺寸后將試樣放入低溫箱中進(jìn)行冷卻，待溫度達(dá)到-10℃后進(jìn)行保溫，溫度變化控制在±2℃。

（2）采用一次加載的方式直到試樣失穩(wěn)斷裂， 加載速率控制在（0.50～1.30）mm/min， 試驗(yàn)過程中自動(dòng)記錄F-V（載荷－位移）變化曲線。

（3）試樣失穩(wěn)斷裂后，將試樣放入冷凍箱內(nèi)冷凍。

（4）從冷凍箱中取出試樣，在試驗(yàn)機(jī)上快速壓斷，然后將其烘干進(jìn)行測量。從斷裂試樣上取下斷口，用顯微鏡測量初始裂紋長度a0i，測量方法如圖3所示，沿試樣厚度方向等間距測量9個(gè)位置的疲勞裂紋前緣長度，并按公式（1）[7]計(jì)算其加權(quán)平均值a0，其中最外側(cè)點(diǎn)位于距試樣表面向內(nèi)1%B處。

圖3 初始裂紋測量示意圖

（5）數(shù)據(jù)處理。在F-V曲線上讀取最大載荷值F，對(duì)應(yīng)最大載荷時(shí)的塑性張開位移VP和裂紋尖端處材料的屈服強(qiáng)度σs，代入公式（2）中計(jì)算CTOD值，即

式中：δ—裂紋尖端張開位移；

S—三點(diǎn)彎曲時(shí)試樣的跨度，mm；

F—最大載荷值，N；

σs—屈服強(qiáng)度，取506MPa；

v—泊松比，取0.3；

E—彈性模量，取2.1×105MPa；

Z—刀口厚度，mm；

VP—對(duì)應(yīng)最大載荷值的塑性張開位移，mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

EH36+EH550焊接接頭的CTOD試驗(yàn)結(jié)果見表4。

3.2 試樣有效性判斷

根據(jù)BS7448標(biāo)準(zhǔn)，焊接接頭斷裂韌度試樣的有效性判斷依據(jù)如下：

（1）試樣的平均裂紋長度 a0=（0.45～0.70）W，機(jī)械缺口的最大寬度為0.065W；

表4 EH36+EH550焊接接頭的CTOD試驗(yàn)結(jié)果

（2）在斷口上測量初始裂紋長度a0i時(shí)，要求任意兩個(gè)裂紋長度的差值均不大于20%a0；

（3）在斷口預(yù)制疲勞裂紋的最小值不應(yīng)小于1.3 mm和2.5%W兩者中取較大值；

（4）預(yù)制疲勞裂紋擴(kuò)展方向與垂直試樣長度方向的夾角不大于10°；

圖4 焊縫試樣典型宏觀坡口照片

圖5 典型熱影響區(qū)斷口剖面

（5）根據(jù)DNV-OS-C401的規(guī)定，對(duì)于熱影響區(qū)試樣必須通過斷口金相檢查來確認(rèn)試驗(yàn)的有效性。斷口金相檢查主要是測量ΣNλi的長度，是指試樣厚度中間75%區(qū)域內(nèi)，裂紋尖端落在熔合線和預(yù)制疲勞裂紋之間的距離小于0.5 mm范圍內(nèi)的累積長度。根據(jù)DNV-OS-C401的要求，ΣNλi≥75%×20%B，圖4為焊縫試樣的典型宏觀斷口照片，圖5為典型熱影響區(qū)斷口剖面，通過圖5計(jì)算ΣNλi值，表5為試樣尺寸及有效性檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目。

表5 試樣尺寸及有效性檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目

通過圖4、圖5，表4、表5可以得出，試驗(yàn)中全部試樣都獲得良好的裂紋前緣形狀，其裂紋前緣任意兩個(gè)裂紋長度差值均小于20%a0，a0/W值均大于0.45，且小于0.70，熱影響區(qū)的9個(gè)試樣剖面 ΣNλi值均大于 75%×20%B， 滿足 DNV標(biāo)準(zhǔn)，為有效試樣。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)DNV-OS-C401的規(guī)定，海洋平臺(tái)構(gòu)件免除焊后熱處理的條件是焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)試樣的CTOD值必須滿足3個(gè)有效試樣的CTOD值≥0.15 mm，如果3個(gè)試樣中有不滿足條件的，必須追加CTOD試驗(yàn)。如果試樣數(shù)量是3～5件，試樣的CTOD值取所有試樣中的最低值，如果試樣數(shù)量是6～10件，試樣的CTOD值取所有試樣中的第二低值，如果試樣數(shù)量為11～15件，則取有效試樣測試值中的第三低值[6]。根據(jù)以上規(guī)定，EH36+E550焊接接頭焊縫CTOD值為0.676 6 mm，EH36側(cè)熱影響區(qū)CTOD值為0.388 4 mm，E550側(cè)熱影響區(qū)CTOD值為0.177 1 mm，均大于0.15 mm，故可以免除焊后熱處理。

4 結(jié) 論

（1）采用本研究所述的藥芯焊絲氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊填充蓋面的工藝得到的EH36+E550大厚度異種鋼焊接接頭的CTOD值滿足DNV要求，從而可以免除焊后熱處理。

（2）目前，該工藝已經(jīng)在鉆井平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)制造過程中應(yīng)用。實(shí)踐證明，采用該焊接工藝在保證焊接結(jié)構(gòu)安全性的前提下，免除焊后熱處理，能夠極大提高生產(chǎn)效率，降低焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約建造成本，縮短平臺(tái)的建造周期。

[1]孔祥鼎，夏炳仁.海洋平臺(tái)建造工藝[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]CCS2014，材料與焊接規(guī)范[S].

[4]BS7448—1997,Fracture mechanics toughness tests partⅠmethod for determination of KIC,critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[5]BS7448—1997,Fracture mechanics toughness tests partⅡmethod for determination of KIC,critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

[6]DNV-OS-C401,Fabrication and testing of offshore structures[S].

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[8]王志堅(jiān)，蔣軍，王東坡，等.海洋平臺(tái)用鋼D36超大厚度焊接接頭 CTOD試驗(yàn)[J].焊接學(xué)報(bào)，2007,28（8）:103-107.

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