苗張木1 陶德馨2 吳衛(wèi)國1 李永信1 彭永春3
（1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，武漢430063；2. 武漢理工大學(xué)物流學(xué)院，武漢430063；
3．中國船級(jí)社 北京 100006）
摘 要：介紹了裂紋尖端張開位移（簡稱CTOD）試驗(yàn)方法，并按照英國BS7448規(guī)范,用CTOD試驗(yàn)技術(shù)，測(cè)試了板厚為90mm的海洋平臺(tái)導(dǎo)管架焊接接頭的韌度，對(duì)三項(xiàng)焊接工藝進(jìn)行了評(píng)定。結(jié)果表明三項(xiàng)焊接工藝的所有焊態(tài)焊接接頭（包括焊縫和熱影響區(qū)）試樣的特征CTOD值，都大于設(shè)計(jì)規(guī)格書的要求。所評(píng)定的三項(xiàng)焊接工藝可以直接用于海洋平臺(tái)導(dǎo)管架建造，焊后允許不進(jìn)行熱處理。縮短了建造工期，降低了建造成本。
關(guān)鍵詞：焊接接頭；裂紋尖端張開位移；CTOD；韌度；海洋平臺(tái)；導(dǎo)管架
中圖分類號(hào)： TB302.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
0引言
海洋平臺(tái)導(dǎo)管架是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。這類焊接結(jié)構(gòu)的失效，大多數(shù)是由于焊接接頭的疲勞破壞造成的。焊接接頭中的焊縫金屬在凝固和相變過程中會(huì)發(fā)生脆化，熱影響區(qū)組織和機(jī)械性能的不均勻會(huì)造成韌度降低。鋼板越厚，焊接接頭韌度降低越嚴(yán)重。隨著海洋油氣資源開發(fā)不斷向深海發(fā)展，導(dǎo)管架的高度越來越大，因此鋼板厚度不斷加大。這使得焊后熱處理的成本越來越高，所需的工期越來越長，經(jīng)濟(jì)效益降低。此外，對(duì)厚鋼板焊接接頭來說，焊后熱處理可能還有副作用[1]。
可見，對(duì)海洋平臺(tái)導(dǎo)管架焊接接頭來說，更為可取的方法是通過選擇恰當(dāng)?shù)暮附硬牧稀⒑附臃椒ǎ{(diào)整優(yōu)化焊接工藝，來保證焊接接頭具有足夠的韌度，以免除焊后熱處理工序。這樣，可以同時(shí)兼顧焊接接頭的安全性和經(jīng)濟(jì)性。這種方法的思路如下：首先確定焊接接頭裂紋尖端張開位移（CTOD）允許值δmin，作為判別焊接工藝合格與否的依據(jù)。然后編制擬采用的焊接工藝PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification),再按PWPS焊接試板，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)程WPS（Welding Procedure Specification)；如評(píng)定結(jié)果不合格，就要修訂PWPS，再進(jìn)行新一輪CTOD評(píng)定試驗(yàn)。如果試樣的特征CTOD值不小于δmin，則PWPS可以作為正式焊接工藝WPS(Welding Procedure Specification)；如果試樣特征CTOD值小于δmin，就要修訂PWPS。然后，對(duì)修訂后PWPS再進(jìn)行CTOD評(píng)定，直到合格。迄今為止，國內(nèi)外對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)不同厚度鋼板焊接接頭CTOD試驗(yàn)有不少文獻(xiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)「2」報(bào)道了52毫米厚度（EH36鋼），文獻(xiàn)「3」報(bào)道了60毫米厚度（NVF36/Z鋼），文獻(xiàn)「4」報(bào)道了63.5毫米厚度（2HCr50鋼），文獻(xiàn)「5」報(bào)道了70毫米厚度（DH36鋼），文獻(xiàn)「6」報(bào)道了80毫米厚度（2WCr50鋼），更大厚度鋼板的焊接接頭CTOD試驗(yàn)未見國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道，但國外已有90毫米厚高強(qiáng)鋼鋼焊接接頭的CTOD試驗(yàn)的報(bào)道「7」。
本文針對(duì)厚度為90毫米厚的DH40鋼板，編制了三項(xiàng)擬用焊接工藝PWPS，運(yùn)用裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗(yàn)技術(shù)，按照英國BS7448Part1[8]和BS7448Part2[9]規(guī)范，評(píng)定了所設(shè)計(jì)的三項(xiàng)焊接工藝。結(jié)果表明：按這三種工藝焊接的焊接接頭，其CTOD韌度均滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)格書的要求。因而，用這三項(xiàng)工藝在導(dǎo)管架建造中施焊，可以不再進(jìn)行焊后熱處理。既保證了導(dǎo)管架建造質(zhì)量，又縮短了建造工期，也節(jié)省熱處理所需的成本。
1.母材與焊接工藝
1.1 母材
DH40鋼(GB712-2000)，為海洋平臺(tái)用鋼，厚度為90mm，由舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)。，其基本力學(xué)性能為σs=455MPa，σb=570MPa。化學(xué)成分如表1，供貨狀態(tài)為正火。 表1 DH40鋼化學(xué)成分（0.001%）
C Si Mn P S Cu Al Cr Ni Ti M0 Nb V
140 270 1440 13 5 140 28 60 220 13 22 25 61
1.2 擬用焊接工藝
焊接接頭均采用多層多道焊，對(duì)接焊縫，雙V型坡口，保護(hù)氣體為CO2，焊接位置為1G，最低預(yù)熱溫度150oC，最高層間溫度為256 oC。三項(xiàng)擬用焊接工藝分別如下。
19號(hào)工藝（PWPS19）:
1）焊接過程：氣體保護(hù)焊/自動(dòng)埋弧焊。
2) 焊條數(shù)：根部焊道為單絲；其他焊道 ：一面單絲，另一面雙絲。
3) 填充金屬：
(1)焊絲：JM-58 (AWS A5.18 ER70S-G), LA-85 (AWS A5.23 ENi5-Ni5-H8)。
(2)焊劑： F8500 (AWS A5.23 F7A6)。
20號(hào)工藝（PWPS20）:
1）焊接過程：先用氣體保護(hù)焊/自動(dòng)埋弧焊，后用手工電弧焊模擬焊接返修。
2）焊條數(shù)：
(1)氣體保護(hù)焊/自動(dòng)埋弧焊:根部焊道 (單絲)；其他焊道 (一面單絲，另一面雙絲)。
(2)手工電弧焊: 單焊條
3） 填充金屬：
(1)焊絲：JM-58 (AWS A5.18 ER70S-G), LA-85(AWS A5.23 ENi5-Ni5-H8)。
(2) 焊劑： F8500 (AWS A5.23 F7A6)。
(3) 焊條：Jet LH-8018-C1 MR (AWS A5.5 E8018-C1)
28號(hào)工藝（PWPS28）:
1）焊接過程：氣體保護(hù)焊/自動(dòng)埋弧焊。
2）焊條數(shù)：單絲。
3）填充金屬：
(1)焊絲：JM-58 (AWS A5.18 ER70S-G), LA-85(AWS A5.23 ENi5-Ni5-H8)。
(2) 焊劑： F8500 (AWS A5.23 F7A6)。
2.試驗(yàn)過程及結(jié)果
2.1 試樣制備
制備過程按規(guī)范BS7448-1[8]和BS7448-2[9]進(jìn)行。采用三點(diǎn)彎曲試樣，試樣長度方向垂直于焊縫方向。焊縫（WP）試樣橫截面為B×2B型的矩形(B是試樣厚度，2B=W是試樣寬度)，裂紋尖端開在焊縫中心，裂紋取向?yàn)镹P方向[9]；熱影響區(qū)（HAZ）試樣橫截面為B×B型的正方形，裂紋尖端開在熔合線上，裂紋取向?yàn)镹Q方向[9]。按規(guī)范要求，裂紋尖端位置離開熔合線的距離不能超過0.5mm。本文工作中，板厚為90mm，考慮加工因素，加工后的試樣厚度為82mm。因此，焊縫試樣的主要尺寸為：B=82mm， W=164mm, 長度L=754mm；熱影響區(qū)試樣的主要尺寸是：B=82mm， W=82mm, 長度L=378mm。
試樣的平行度、垂直度和表面光潔度都必須滿足有關(guān)規(guī)范。在試樣的六個(gè)面（包括兩個(gè)端面在內(nèi)）完成初步的平面切削加工后，必須再上磨床進(jìn)行磨削加工。磨床加工完后應(yīng)注意保護(hù)試樣兩表面不受劃傷，避免留下劃痕。
在用腐蝕法確定試樣焊縫中心和熱影響區(qū)位置后，用劃針標(biāo)出裂紋位置，在微機(jī)控制的電火花線切割機(jī)床上切割出裂紋，裂紋尖端部分用直徑為0.08mm的細(xì)鉬絲進(jìn)行加工，以防止預(yù)制疲勞裂紋時(shí)裂紋發(fā)生分叉。然后在PLG-200型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋。疲勞裂紋預(yù)制按BS7448:Part1[5]和BS7448:Part2[6]規(guī)范的要求進(jìn)行。
2.2 試驗(yàn)過程
按規(guī)范BS7448:Part1[8]和BS7448:Part2[9]規(guī)定的程序和各項(xiàng)要求進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要步驟如下：載荷、位移測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定（試驗(yàn)前）；安放試樣、確定F-V曲線斜率；加載、記錄F-V曲線、卸載；載荷、位移測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定（試驗(yàn)后）；二次疲勞、壓斷試樣；斷口讀數(shù)測(cè)量a0 及a；數(shù)據(jù)和斷口的有效性檢驗(yàn)。圖1 是試樣及試驗(yàn)裝置照片，圖2是焊縫試樣斷口照片，圖3是熱影響區(qū)試樣斷口照片。
圖1 CTOD 試驗(yàn)裝置照片
圖3 熱影響區(qū)試樣斷口照片
圖2 焊縫試樣斷口照片
CTOD值的計(jì)算公式如下 [8]：
δ=δe +δp =[ (a)
式中各個(gè)參量的含義見規(guī)范BS7448:Part1:1991「8」。
三項(xiàng)工藝PWPS19、PWPS20和PWPS28的試樣的主要尺寸和特征CTOD值分別列于表2、表3和表4。表中B是試樣厚度，W是試樣寬度。a0為原始裂紋長度。δm是最大載荷點(diǎn)或最大載荷平臺(tái)開始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值，稱為最大載荷CTOD值。試驗(yàn)平均溫度為150C。
2.3 試驗(yàn)結(jié)果
表2 PWPS19號(hào)工藝試樣主要參數(shù)及特征CTOD值
試樣
編號(hào) 裂紋位置 力學(xué)性質(zhì) B(mm) W(mm) a0(mm) a0/w δm(mm)
1901 焊縫(WP) бs=528.5MPa
бb=583.05MPa
E=228.68GPa
μ=0.295 82.11 164.05 82.88 0.505 0.679
1903 82.09 164.09 83.60 0.510 1.159
1905 82.06 164.08 83.39 0.510 0.663
1908 熱影響區(qū) (HAZ) бs=510.87MPa
бb=625.69MPa
E=245.49GPa
μ=0.272 82.12 82.06 36.57 0.45 0.567
19010 82.11 82.11 36.85 0.45 0.562
19012 82.09 82.09 36.99 0.45 0.570
表3 PWPS20號(hào)工藝試樣主要參數(shù)及特征CTOD值
試樣
編號(hào) 裂紋位置 力學(xué)性質(zhì) B(mm) W(mm) a0(mm) a0/w δm(mm)
2002 焊縫(WP) бs=528.5MPa
бb=583.05MPa
E=228.68GPa
μ=0.295 82.10 164.09 83.36 0.51 0.577
2003 82.08 164.09 83.32 0.51 0.723
2005 82.03 164.09 83.08 0.505 0.686
2009 熱影響區(qū)
(HAZ) бs=516.57MPa
бb=612.75MPa
E=201.75GPa
μ=0.272 82.09 82.09 37.03 0.45 0.742
2010 82.10 82.08 36.85 0.45 0.603
2011 82.07 82.08 36.79 0.45 0.764
表4 PWPS28號(hào)工藝試樣主要參數(shù)及特征CTOD值
試樣
編號(hào) 裂紋位置 力學(xué)性質(zhì) B(mm) W(mm) a0(mm) a0/w δm(mm)
2802 焊縫(WP) бs=528.5MPa
бb=583.05MPa
E=228.68GPa
μ=0.295 82.12 164.09 82.88 0.505 0.591
2805 82.10 164.07 82.58 0.50 0.628
2806 82.08 164.10 83.64 0.51 0.575
2810 熱影響區(qū) (HAZ) бs=493.69MPaбb=623.29MPa
E=252.15GPa
μ=0.272 82.07 82.08 37.28 0.45 0.798
2811 82.10 82.08 36.67 0.45 0.793
2812 82.11 82.13 37.06 0.45 0.984
3．結(jié)果討論
三項(xiàng)焊接工藝特征CTOD 值已如表中所列。
首先，可以看到所有特征CTOD值都大于設(shè)計(jì)規(guī)格書的要求（δmin=0.254mm），并且還有較大的安全儲(chǔ)備。按這三項(xiàng)工藝焊接的試板均未進(jìn)行焊后熱處理。因此，將這三項(xiàng)工藝直接用于海洋平臺(tái)導(dǎo)管架的施工建造，只要導(dǎo)管架的鋼板厚度不超過所評(píng)定的板厚（90mm）,其焊接接頭可以不進(jìn)行焊后熱處理。這樣節(jié)約了大量人力物力，并且大大縮短了施工工期。
其次，PWPS19號(hào)工藝和PWPS28號(hào)工藝都采用自動(dòng)埋弧焊，PWPS19號(hào)工藝是雙絲自動(dòng)埋弧焊而PWPS28號(hào)工藝是單絲自動(dòng)埋弧焊，但是這兩項(xiàng)工藝的焊接接頭的特征CTOD值很接近，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，提高建造施工效率，縮短施工工期。
再則，PWPS20號(hào)工藝先是用氣體保護(hù)焊和自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，焊接完成后，再用手工電弧焊模擬焊接返修。也就是說，在施工實(shí)踐中，用PWPS19號(hào)工藝對(duì)導(dǎo)管架施焊后，如在焊后檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在焊接缺陷，采用手工電弧焊返修，這個(gè)過程就是PWPS20號(hào)工藝。比較表2和表3，可以看到，PWPS20號(hào)工藝的試樣和PWPS19號(hào)工藝的試樣具有相近的特征CTOD值，并且都大于設(shè)計(jì)所要求的CTOD允許值（δmin=0.254mm）。因此，如在焊后檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，用PWPS20號(hào)工藝進(jìn)行返修補(bǔ)焊，仍可確保導(dǎo)管架的建造質(zhì)量。
可見，用CTOD試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭的韌度具有重要工程實(shí)用價(jià)值。CTOD試驗(yàn)可以作為焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)。對(duì)于像海洋平臺(tái)導(dǎo)管架這樣的大型結(jié)構(gòu)，還有如大型橋梁的鋼箱梁，對(duì)它們進(jìn)行焊后熱處理是比較困難的，況且焊后熱處理可能會(huì)產(chǎn)生消除應(yīng)力處理裂紋 (Stress Relief Cracking)［10］。因此，用本文所介紹的方法，即合理選擇焊接材料、焊接工藝，以使焊接接頭的特征CTOD值滿足設(shè)計(jì)要求。這樣做，既保證了導(dǎo)管架建造質(zhì)量，又可以免除焊后熱處理工序，縮短建造工期，也節(jié)省熱處理所需的成本。較低的建造成本和較短的建造工期，提高了企業(yè)的市場競爭力。
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