苗张木1 陶德馨2 吴卫国1 李永信1 彭永春3 

（1.武汉理工大学交通学院，武汉430063；2. 武汉理工大学物流学院，武汉430063；
3．中国船级社 北京 100006） 

摘 要：介绍了裂纹尖端张开位移（简称CTOD）试验方法，并按照英国BS7448规范,用CTOD试验技术，测试了板厚为90mm的海洋平台导管架焊接接头的韧度，对三项焊接工艺进行了评定。结果表明三项焊接工艺的所有焊态焊接接头（包括焊缝和热影响区）试样的特征CTOD值，都大于设计规格书的要求。所评定的三项焊接工艺可以直接用于海洋平台导管架建造，焊后允许不进行热处理。缩短了建造工期，降低了建造成本。
关键词：焊接接头；裂纹尖端张开位移；CTOD；韧度；海洋平台；导管架
中图分类号： TB302.3 文献标识码： A 

0引言

海洋平台导管架是一种典型的焊接结构。这类焊接结构的失效，大多数是由于焊接接头的疲劳破坏造成的。焊接接头中的焊缝金属在凝固和相变过程中会发生脆化，热影响区组织和机械性能的不均匀会造成韧度降低。钢板越厚，焊接接头韧度降低越严重。随着海洋油气资源开发不断向深海发展，导管架的高度越来越大，因此钢板厚度不断加大。这使得焊后热处理的成本越来越高，所需的工期越来越长，经济效益降低。此外，对厚钢板焊接接头来说，焊后热处理可能还有副作用[1]。 

可见，对海洋平台导管架焊接接头来说，更为可取的方法是通过选择恰当的焊接材料、焊接方法，调整优化焊接工艺，来保证焊接接头具有足够的韧度，以免除焊后热处理工序。这样，可以同时兼顾焊接接头的安全性和经济性。这种方法的思路如下：首先确定焊接接头裂纹尖端张开位移（CTOD）允许值δmin，作为判别焊接工艺合格与否的依据。然后编制拟采用的焊接工艺PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification),再按PWPS焊接试板，进行CTOD评定试验。如评定结果合格，拟用焊接工艺PWPS就成为正式焊接工艺规程WPS（Welding Procedure Specification)；如评定结果不合格，就要修订PWPS，再进行新一轮CTOD评定试验。如果试样的特征CTOD值不小于δmin，则PWPS可以作为正式焊接工艺WPS(Welding Procedure Specification)；如果试样特征CTOD值小于δmin，就要修订PWPS。然后，对修订后PWPS再进行CTOD评定，直到合格。迄今为止，国内外对海洋钢结构不同厚度钢板焊接接头CTOD试验有不少文献报道。文献「2」报道了52毫米厚度（EH36钢），文献「3」报道了60毫米厚度（NVF36/Z钢），文献「4」报道了63.5毫米厚度（2HCr50钢），文献「5」报道了70毫米厚度（DH36钢），文献「6」报道了80毫米厚度（2WCr50钢），更大厚度钢板的焊接接头CTOD试验未见国内文献报道，但国外已有90毫米厚高强钢钢焊接接头的CTOD试验的报道「7」。 

本文针对厚度为90毫米厚的DH40钢板，编制了三项拟用焊接工艺PWPS，运用裂纹尖端张开位移（CTOD）试验技术，按照英国BS7448Part1[8]和BS7448Part2[9]规范，评定了所设计的三项焊接工艺。结果表明：按这三种工艺焊接的焊接接头，其CTOD韧度均满足项目设计规格书的要求。因而，用这三项工艺在导管架建造中施焊，可以不再进行焊后热处理。既保证了导管架建造质量，又缩短了建造工期，也节省热处理所需的成本。 

1.母材与焊接工艺 

1.1 母材 

DH40钢(GB712-2000)，为海洋平台用钢，厚度为90mm，由舞阳钢铁有限责任公司生产。，其基本力学性能为σs=455MPa，σb=570MPa。化学成分如表1，供货状态为正火。 表1 DH40钢化学成分（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 拟用焊接工艺 

焊接接头均采用多层多道焊，对接焊缝，双V型坡口，保护气体为CO2，焊接位置为1G，最低预热温度150oC，最高层间温度为256 oC。三项拟用焊接工艺分别如下。
19号工艺（PWPS19）:
1）焊接过程：气体保护焊/自动埋弧焊。
2) 焊条数：根部焊道为单丝；其他焊道 ：一面单丝，另一面双丝。
3) 填充金属：
(1)焊丝：JM-58 (AWS A5.18 ER70S-G), LA-85 (AWS A5.23 ENi5-Ni5-H8)。
(2)焊剂： F8500 (AWS A5.23 F7A6)。
20号工艺（PWPS20）:
1）焊接过程：先用气体保护焊/自动埋弧焊，后用手工电弧焊模拟焊接返修。
2）焊条数：
(1)气体保护焊/自动埋弧焊:根部焊道 (单丝)；其他焊道 (一面单丝，另一面双丝)。
(2)手工电弧焊: 单焊条
3） 填充金属：
(1)焊丝：JM-58 (AWS A5.18 ER70S-G), LA-85(AWS A5.23 ENi5-Ni5-H8)。
(2) 焊剂： F8500 (AWS A5.23 F7A6)。
(3) 焊条：Jet LH-8018-C1 MR (AWS A5.5 E8018-C1)
28号工艺（PWPS28）:
1）焊接过程：气体保护焊/自动埋弧焊。
2）焊条数：单丝。
3）填充金属：
(1)焊丝：JM-58 (AWS A5.18 ER70S-G), LA-85(AWS A5.23 ENi5-Ni5-H8)。
(2) 焊剂： F8500 (AWS A5.23 F7A6)。 

2.试验过程及结果 

2.1 试样制备 

制备过程按规范BS7448-1[8]和BS7448-2[9]进行。采用三点弯曲试样，试样长度方向垂直于焊缝方向。焊缝（WP）试样横截面为B×2B型的矩形(B是试样厚度，2B=W是试样宽度)，裂纹尖端开在焊缝中心，裂纹取向为NP方向[9]；热影响区（HAZ）试样横截面为B×B型的正方形，裂纹尖端开在熔合线上，裂纹取向为NQ方向[9]。按规范要求，裂纹尖端位置离开熔合线的距离不能超过0.5mm。本文工作中，板厚为90mm，考虑加工因素，加工后的试样厚度为82mm。因此，焊缝试样的主要尺寸为：B=82mm， W=164mm, 长度L=754mm；热影响区试样的主要尺寸是：B=82mm， W=82mm, 长度L=378mm。
试样的平行度、垂直度和表面光洁度都必须满足有关规范。在试样的六个面（包括两个端面在内）完成初步的平面切削加工后，必须再上磨床进行磨削加工。磨床加工完后应注意保护试样两表面不受划伤，避免留下划痕。
在用腐蚀法确定试样焊缝中心和热影响区位置后，用划针标出裂纹位置，在微机控制的电火花线切割机床上切割出裂纹，裂纹尖端部分用直径为0.08mm的细钼丝进行加工，以防止预制疲劳裂纹时裂纹发生分叉。然后在PLG-200型高频疲劳试验机上预制疲劳裂纹。疲劳裂纹预制按BS7448:Part1[5]和BS7448:Part2[6]规范的要求进行。
2.2 试验过程 

按规范BS7448:Part1[8]和BS7448:Part2[9]规定的程序和各项要求进行试验。试验的主要步骤如下：载荷、位移测量系统标定（试验前）；安放试样、确定F-V曲线斜率；加载、记录F-V曲线、卸载；载荷、位移测量系统标定（试验后）；二次疲劳、压断试样；断口读数测量a0 及a；数据和断口的有效性检验。图1 是试样及试验装置照片，图2是焊缝试样断口照片，图3是热影响区试样断口照片。
图1 CTOD 试验装置照片

图3 热影响区试样断口照片
图2 焊缝试样断口照片

CTOD值的计算公式如下 [8]：
δ=δe +δp =[ (a)
式中各个参量的含义见规范BS7448:Part1:1991「8」。
三项工艺PWPS19、PWPS20和PWPS28的试样的主要尺寸和特征CTOD值分别列于表2、表3和表4。表中B是试样厚度，W是试样宽度。a0为原始裂纹长度。δm是最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的CTOD值，称为最大载荷CTOD值。试验平均温度为150C。
2.3 试验结果
表2 PWPS19号工艺试样主要参数及特征CTOD值
试样
编号 裂纹位置 力学性质 B(mm) W(mm) a0(mm) a0/w δm(mm)
1901 焊缝(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 热影响区 (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号工艺试样主要参数及特征CTOD值
试样
编号 裂纹位置 力学性质 B(mm) W(mm) a0(mm) a0/w δm(mm)
2002 焊缝(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 热影响区
(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号工艺试样主要参数及特征CTOD值
试样
编号 裂纹位置 力学性质 B(mm) W(mm) a0(mm) a0/w δm(mm)
2802 焊缝(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 热影响区 (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．结果讨论 

三项焊接工艺特征CTOD 值已如表中所列。 

首先，可以看到所有特征CTOD值都大于设计规格书的要求（δmin=0.254mm），并且还有较大的安全储备。按这三项工艺焊接的试板均未进行焊后热处理。因此，将这三项工艺直接用于海洋平台导管架的施工建造，只要导管架的钢板厚度不超过所评定的板厚（90mm）,其焊接接头可以不进行焊后热处理。这样节约了大量人力物力，并且大大缩短了施工工期。 

其次，PWPS19号工艺和PWPS28号工艺都采用自动埋弧焊，PWPS19号工艺是双丝自动埋弧焊而PWPS28号工艺是单丝自动埋弧焊，但是这两项工艺的焊接接头的特征CTOD值很接近，也就是韧度基本相同。但是，PWPS19号工艺的焊接效率要比PWPS28号工艺高得多。因此，在导管架的建造中，选择采用PWPS19号工艺，提高建造施工效率，缩短施工工期。 

再则，PWPS20号工艺先是用气体保护焊和自动埋弧焊进行焊接，焊接完成后，再用手工电弧焊模拟焊接返修。也就是说，在施工实践中，用PWPS19号工艺对导管架施焊后，如在焊后检验中发现存在焊接缺陷，采用手工电弧焊返修，这个过程就是PWPS20号工艺。比较表2和表3，可以看到，PWPS20号工艺的试样和PWPS19号工艺的试样具有相近的特征CTOD值，并且都大于设计所要求的CTOD允许值（δmin=0.254mm）。因此，如在焊后检验中发现焊接缺陷，用PWPS20号工艺进行返修补焊，仍可确保导管架的建造质量。 

可见，用CTOD试验评价焊接接头的韧度具有重要工程实用价值。CTOD试验可以作为焊接工艺认可试验。对于像海洋平台导管架这样的大型结构，还有如大型桥梁的钢箱梁，对它们进行焊后热处理是比较困难的，况且焊后热处理可能会产生消除应力处理裂纹 (Stress Relief Cracking)［10］。因此，用本文所介绍的方法，即合理选择焊接材料、焊接工艺，以使焊接接头的特征CTOD值满足设计要求。这样做，既保证了导管架建造质量，又可以免除焊后热处理工序，缩短建造工期，也节省热处理所需的成本。较低的建造成本和较短的建造工期，提高了企业的市场竞争力。