苗張木1 陶德馨2 吳衛國1 李永信1 彭永春3 

（1.武漢理工大學交通學院，武漢430063；2. 武漢理工大學物流學院，武漢430063；
3．中國船級社 北京 100006） 

摘 要：介紹了裂紋尖端張開位移（簡稱CTOD）試驗方法，并按照英國BS7448規范,用CTOD試驗技術，測試了板厚為90mm的海洋平臺導管架焊接接頭的韌度，對三項焊接工藝進行了評定。結果表明三項焊接工藝的所有焊態焊接接頭（包括焊縫和熱影響區）試樣的特征CTOD值，都大于設計規格書的要求。所評定的三項焊接工藝可以直接用于海洋平臺導管架建造，焊后允許不進行熱處理�？s短了建造工期，降低了建造成本。
關鍵詞：焊接接頭；裂紋尖端張開位移；CTOD；韌度；海洋平臺；導管架
中圖分類號： TB302.3 文獻標識碼： A 

0引言

海洋平臺導管架是一種典型的焊接結構。這類焊接結構的失效，大多數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發生脆化，熱影響區組織和機械性能的不均勻會造成韌度降低。鋼板越厚，焊接接頭韌度降低越嚴重。隨著海洋油氣資源開發不斷向深海發展，導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，經濟效益降低。此外，對厚鋼板焊接接頭來說，焊后熱處理可能還有副作用[1]。 

可見，對海洋平臺導管架焊接接頭來說，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，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，可以同時兼顧焊接接頭的安全性和經濟性。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。然后編制擬采用的焊接工藝PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification),再按PWPS焊接試板，進行CTOD評定試驗。如評定結果合格，擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規程WPS（Welding Procedure Specification)；如評定結果不合格，就要修訂PWPS，再進行新一輪CTOD評定試驗。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，對修訂后PWPS再進行CTOD評定，直到合格。迄今為止，國內外對海洋鋼結構不同厚度鋼板焊接接頭CTOD試驗有不少文獻報道。文獻「2」報道了52毫米厚度（EH36鋼），文獻「3」報道了60毫米厚度（NVF36/Z鋼），文獻「4」報道了63.5毫米厚度（2HCr50鋼），文獻「5」報道了70毫米厚度（DH36鋼），文獻「6」報道了80毫米厚度（2WCr50鋼），更大厚度鋼板的焊接接頭CTOD試驗未見國內文獻報道，但國外已有90毫米厚高強鋼鋼焊接接頭的CTOD試驗的報道「7」。 

本文針對厚度為90毫米厚的DH40鋼板，編制了三項擬用焊接工藝PWPS，運用裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗技術，按照英國BS7448Part1[8]和BS7448Part2[9]規范，評定了所設計的三項焊接工藝。結果表明：按這三種工藝焊接的焊接接頭，其CTOD韌度均滿足項目設計規格書的要求。因而，用這三項工藝在導管架建造中施焊，可以不再進行焊后熱處理。既保證了導管架建造質量，又縮短了建造工期，也節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)，為海洋平臺用鋼，厚度為90mm，由舞陽鋼鐵有限責任公司生產。，其基本力學性能為σs=455MPa，σb=570MPa�；瘜W成分如表1，供貨狀態為正火。 表1 DH40鋼化學成分（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，對接焊縫，雙V型坡口，保護氣體為CO2，焊接位置為1G，最低預熱溫度150oC，最高層間溫度為256 oC。三項擬用焊接工藝分別如下。
19號工藝（PWPS19）:
1）焊接過程：氣體保護焊/自動埋弧焊。
2) 焊條數：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號工藝（PWPS20）:
1）焊接過程：先用氣體保護焊/自動埋弧焊，后用手工電弧焊模擬焊接返修。
2）焊條數：
(1)氣體保護焊/自動埋弧焊: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號工藝（PWPS28）:
1）焊接過程：氣體保護焊/自動埋弧焊。
2）焊條數：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.試驗過程及結果 

2.1 試樣制備 

制備過程按規范BS7448-1[8]和BS7448-2[9]進行。采用三點彎曲試樣，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，裂紋取向為NP方向[9]；熱影響區（HAZ）試樣橫截面為B×B型的正方形，裂紋尖端開在熔合線上，裂紋取向為NQ方向[9]。按規范要求，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規范。在試樣的六個面（包括兩個端面在內）完成初步的平面切削加工后，必須再上磨床進行磨削加工。磨床加工完后應注意保護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位置后，用劃針標出裂紋位置，在微機控制的電火花線切割機床上切割出裂紋，裂紋尖端部分用直徑為0.08mm的細鉬絲進行加工，以防止預制疲勞裂紋時裂紋發生分叉。然后在PLG-200型高頻疲勞試驗機上預制疲勞裂紋。疲勞裂紋預制按BS7448:Part1[5]和BS7448:Part2[6]規范的要求進行。
2.2 試驗過程 

按規范BS7448:Part1[8]和BS7448:Part2[9]規定的程序和各項要求進行試驗。試驗的主要步驟如下：載荷、位移測量系統標定（試驗前）；安放試樣、確定F-V曲線斜率；加載、記錄F-V曲線、卸載；載荷、位移測量系統標定（試驗后）；二次疲勞、壓斷試樣；斷口讀數測量a0 及a；數據和斷口的有效性檢驗。圖1 是試樣及試驗裝置照片，圖2是焊縫試樣斷口照片，圖3是熱影響區試樣斷口照片。
圖1 CTOD 試驗裝置照片

圖3 熱影響區試樣斷口照片
圖2 焊縫試樣斷口照片

CTOD值的計算公式如下 [8]：
δ=δe +δp =[ (a)
式中各個參量的含義見規范BS7448:Part1:1991「8」。
三項工藝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是最大載荷點或最大載荷平臺開始點所對應的CTOD值，稱為最大載荷CTOD值。試驗平均溫度為150C。
2.3 試驗結果
表2 PWPS19號工藝試樣主要參數及特征CTOD值
試樣
編號 裂紋位置 力學性質 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 (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號工藝試樣主要參數及特征CTOD值
試樣
編號 裂紋位置 力學性質 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
(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號工藝試樣主要參數及特征CTOD值
試樣
編號 裂紋位置 力學性質 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 (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．結果討論 

三項焊接工藝特征CTOD 值已如表中所列。 

首先，可以看到所有特征CTOD值都大于設計規格書的要求（δmin=0.254mm），并且還有較大的安全儲備。按這三項工藝焊接的試板均未進行焊后熱處理。因此，將這三項工藝直接用于海洋平臺導管架的施工建造，只要導管架的鋼板厚度不超過所評定的板厚（90mm）,其焊接接頭可以不進行焊后熱處理。這樣節約了大量人力物力，并且大大縮短了施工工期。 

其次，PWPS19號工藝和PWPS28號工藝都采用自動埋弧焊，PWPS19號工藝是雙絲自動埋弧焊而PWPS28號工藝是單絲自動埋弧焊，但是這兩項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號工藝的焊接效率要比PWPS28號工藝高得多。因此，在導管架的建造中，選擇采用PWPS19號工藝，提高建造施工效率，縮短施工工期。 

再則，PWPS20號工藝先是用氣體保護焊和自動埋弧焊進行焊接，焊接完成后，再用手工電弧焊模擬焊接返修。也就是說，在施工實踐中，用PWPS19號工藝對導管架施焊后，如在焊后檢驗中發現存在焊接缺陷，采用手工電弧焊返修，這個過程就是PWPS20號工藝。比較表2和表3，可以看到，PWPS20號工藝的試樣和PWPS19號工藝的試樣具有相近的特征CTOD值，并且都大于設計所要求的CTOD允許值（δmin=0.254mm）。因此，如在焊后檢驗中發現焊接缺陷，用PWPS20號工藝進行返修補焊，仍可確保導管架的建造質量。 

可見，用CTOD試驗評價焊接接頭的韌度具有重要工程實用價值。CTOD試驗可以作為焊接工藝認可試驗。對于像海洋平臺導管架這樣的大型結構，還有如大型橋梁的鋼箱梁，對它們進行焊后熱處理是比較困難的，況且焊后熱處理可能會產生消除應力處理裂紋 (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值滿足設計要求。這樣做，既保證了導管架建造質量，又可以免除焊后熱處理工序，縮短建造工期，也節省熱處理所需的成本。較低的建造成本和較短的建造工期，提高了企業的市場競爭力。