3.3試驗結果 

　　試樣的主要尺寸和特征CTOD值分見表3（CTOD值單位均為mm）。δu是脆性失穩CTOD值，即穩定裂紋擴展量 脆性失穩斷裂點或突進點所對應的CTOD值。δm是最大載荷CTOD值，即最大載荷點或最大載荷平臺開始點所對應的CTOD值[9]。 

　　3.4有效性檢驗 

　　BS7448-1 [9] 第十一章列出了有效性檢驗項目，主要包括原始裂紋長度ao的有效性、疲勞預制裂紋的有效性（長度和方向及其平直度 [12]）等等。BS7448-2[10] 針對焊接接頭的特殊情況，放寬了一些要求，也補充了一些要求，特別是關于試樣切口加工前的金相學定位和試驗后裂紋位置的金相學評價，是重要的有效性檢驗內容。FPSO是重要的海洋浮式結構物，還必須滿足規范的DNV-OS-C401[11] 要求。因此FPSO模塊支墩焊接接頭的CTOD試驗及其結果的有效性檢驗，必須同時滿足上述三個規范的要求。 

　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 焊縫試樣斷口照片

　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 熔合線試樣斷口照片
　　圖4和圖5分別是焊縫試樣和熔合線試樣的宏觀斷口照片。表4是試樣的有效性檢驗的主要項目表。表中 表示斷口上測得的疲勞預制裂紋擴展量數據的最小值，它不能小于2.5%W=2.5%×72=1.8mm。 
　　　　　　　　　　　　　　　　　表4 試樣有效性檢驗主要項目

　　　　　　　　　　　　　　　圖6 熔合線試樣的有效性檢驗
　　ao/W 是原始裂紋長度與試樣寬度之比，必須滿足0.45＜ao/W＜0.75。aomax和aomin分別是試樣斷口裂紋長度的九個測量值中的最大值和最小值，必須滿足 。 是熔合線上與疲勞裂紋平面的距離不超過0.5mm的區域的長度的總和[11]（圖6），如試樣FH1的 =32.3＋1.8=34.1mm。按規范DNV-OS-C401[11]對厚度為72mm的熔合線試樣， 的值應該不小于72×15%=10.8mm，而焊縫試樣無需作此項檢驗。表4中四個熔合線試樣，FH11的 小于10.8mm，不滿足DNV-OS-C401 的要求[11]，該試樣無效。其他三個試樣都有效。 

　　4. 結論與討論 

　　4.1結論 

　　按照國際通用的海洋結構物建造和試驗規范DNV-OS-C401 [11] 規定，三個有效試樣的CTOD值都不小于0.15mm即為合格。從表3可見，三個有效熔合線試樣的CTOD值都遠大于0.15mm，符合規范要求。三個有效焊縫試樣中，FH6的CTOD值是0.149mm, 比0.15mm小0.001mm,偏小的百分數為0.67%,這在工程上可以看作相等。因此三個焊縫試樣也都符合規范要求。試驗結果表明：所評定的焊接工藝可以用于FPSO模塊支墩的建造施工中，并且由于試板未經過任何焊后熱處理，因此模塊支墩可以免除焊后熱處理。 

　　4.2討論 

　　國際上對FPSO斷裂與安全性評估中，應用了CTOD試驗技術「13」。實際上，國外工業發達國家在制造業中已經廣泛應用了CTOD試驗。例如NORSOK Standard“Structural Steel fabrication”[14]對厚度超過50毫米的鋼板焊接接頭，要求進行CTOD試驗評定。又如DNV-OS-C401[11] 規定對屈服強度超過350MPa鋼板的焊接接頭，也要做CTOD試驗。特別是海洋結構物，厚鋼板焊接接頭的韌性要求都比較高。但迄今為止，在國內FPSO的設計、建造領域，未見該類文獻報道。由于FPSO模塊支墩上所用鋼板厚度達60mm、80mm甚至更厚，焊接缺欠（如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等等）比較容易發生。如果焊接接頭韌性較低（即抗開裂的能力較差），其中的焊接缺欠（類裂紋）在交變應力（由風載、慣性載荷等引起）作用下比較容易擴展，模塊支墩的疲勞壽命就比較短。如果焊接接頭韌性較高，抵抗開裂的能力較強，焊接缺欠（類裂紋）就不容易擴展，模塊支墩就比較安全。因此，設計中應對模塊支墩焊接接頭CTOD韌性設定一個合理的允許值，建造中應對模塊支墩的焊接工藝進行CTOD試驗評定。本文的工作，為國內同行提供了可供參考的經驗。 

　　這種參考價值體現在兩個方面。一是在FPSO的建造施工中，可以預先編制用于模塊支墩焊接的擬用焊接工藝PWPS（Preliminary Welding Procedure Specification），然后按PWPS焊接CTOD試板，進行CTOD試驗。如試驗結果合格，則擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規范WPS（Welding Procedure Specification)，直接用于模塊支墩的焊接；如試驗結果不合格，就修訂PWPS，再進行新一輪CTOD試驗。所謂合格與否，是將試驗得到的CTOD特征值δ與規定的焊接接頭CTOD允許值δmin進行比較，若 為合格，否則就不合格［15］。這樣不僅可以確保模塊支墩的焊接施工質量，而且由于這些工作可以提前進行，因此還可以縮短FPSO的建造工期。 

　　另一方面，通過CTOD試驗調整焊接工藝，使最終的焊接工藝所焊接的接頭具有規定的CTOD值，就可以免除模塊支墩的焊后熱處理。這可以節省建造成本。由于一艘FPSO有較多的模塊支墩，焊后熱處理是頗為耗資費時的。 

　　不僅如此，還應當指出，究竟焊后熱處理能否提高焊接接頭的韌性，并不能一概而論，應作具體分析。著名焊接專家D.拉達伊[16]在論述焊后退火問題時曾經指出：“為避免在構件表面與內部之間產生過大的溫度差，加熱與冷卻均須緩慢進行，否則由此而生的熱應力可能會引發裂紋，殘余應力的預期下降也會因產生了新的殘余應力及變形而受到影響”。可見，第一，若加熱與冷控制不當，會在構件表面與內部之間產生較大的溫度差，從而會產生新的熱應力，這種新的熱應力可能會引發裂紋。第二，構件表面與內部之間的溫度差會產生新的殘余應力及變形。因此，對厚鋼板焊接接頭來說，由于鋼板厚度大，熱處理時間、溫度、加熱速率和冷卻速率等難于選擇和控制，這容易使得焊接接頭表面與內部之間產生較大的溫差，會產生新的熱應力和殘余應力，甚至引發裂紋。文獻「17」曾經指出：高強度鋼焊后熱處理所得接頭的韌性值大多數是比未處理狀態要低。 

　　因此，本文認為，對模塊支墩焊接接頭來說，較之焊后熱處理更為可取的方法，是通過選擇恰當的焊接材料、焊接方法，調整優化焊接工藝，并運用CTOD試驗技術，來控制焊接接頭的韌性，而不進行焊后熱處理。這樣，可以同時兼顧模塊支墩的安全性和經濟性。 

　　5. 結束語 

　　作為FPSO船建造大國和強國，我國是世界上建造FPSO船最多的國家之一[18]。確保模塊支墩的安全性和可靠性是建造FPSO船的關鍵之一，而要保證模塊支墩的安全性和可靠性，關鍵是要保證其焊縫和熔合區都具有足夠的韌性。在FPSO船建造實踐中，通過選擇恰當的焊接材料與焊接方法，調整優化焊接工藝，然后運用CTOD試驗技術進行韌性評定，合理控制模塊支墩焊接接頭的韌性以免除焊后熱處理。這樣，可以保證模塊支墩的質量、縮短施工工期、降低建造成本。 
　　FPSO模塊支墩焊接接頭低溫CTOD韌度試驗研究(上)