FPSO模块支墩焊接接头低温CTOD韧度试验研究(下)

标签: FPSO CTOD 

[ 时间:2009-12-24 全球石油网 关注度：28449 ] [ 加入收藏 ] [ 字号：大 中 小 ]

　　3.3试验结果 

　　试样的主要尺寸和特征CTOD值分见表3（CTOD值单位均为mm）。δu是脆性失稳CTOD值，即稳定裂纹扩展量 脆性失稳断裂点或突进点所对应的CTOD值。δm是最大载荷CTOD值，即最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的CTOD值[9]。 

　　3.4有效性检验 

　　BS7448-1 [9] 第十一章列出了有效性检验项目，主要包括原始裂纹长度ao的有效性、疲劳预制裂纹的有效性（长度和方向及其平直度 [12]）等等。BS7448-2[10] 针对焊接接头的特殊情况，放宽了一些要求，也补充了一些要求，特别是关于试样切口加工前的金相学定位和试验后裂纹位置的金相学评价，是重要的有效性检验内容。FPSO是重要的海洋浮式结构物，还必须满足规范的DNV-OS-C401[11] 要求。因此FPSO模块支墩焊接接头的CTOD试验及其结果的有效性检验，必须同时满足上述三个规范的要求。 

　　　　　　　　　　　　　　　　图4 焊缝试样断口照片

　　　　　　　　　　　　　　　　图5 熔合线试样断口照片
　　图4和图5分别是焊缝试样和熔合线试样的宏观断口照片。表4是试样的有效性检验的主要项目表。表中 表示断口上测得的疲劳预制裂纹扩展量数据的最小值，它不能小于2.5%W=2.5%×72=1.8mm。 
　　　　　　　　　　　　　　　　　表4 试样有效性检验主要项目

　　　　　　　　　　　　　　　图6 熔合线试样的有效性检验
　　ao/W 是原始裂纹长度与试样宽度之比，必须满足0.45＜ao/W＜0.75。aomax和aomin分别是试样断口裂纹长度的九个测量值中的最大值和最小值，必须满足 。 是熔合线上与疲劳裂纹平面的距离不超过0.5mm的区域的长度的总和[11]（图6），如试样FH1的 =32.3＋1.8=34.1mm。按规范DNV-OS-C401[11]对厚度为72mm的熔合线试样， 的值应该不小于72×15%=10.8mm，而焊缝试样无需作此项检验。表4中四个熔合线试样，FH11的 小于10.8mm，不满足DNV-OS-C401 的要求[11]，该试样无效。其他三个试样都有效。 

　　4. 结论与讨论 

　　4.1结论 

　　按照国际通用的海洋结构物建造和试验规范DNV-OS-C401 [11] 规定，三个有效试样的CTOD值都不小于0.15mm即为合格。从表3可见，三个有效熔合线试样的CTOD值都远大于0.15mm，符合规范要求。三个有效焊缝试样中，FH6的CTOD值是0.149mm, 比0.15mm小0.001mm,偏小的百分数为0.67%,这在工程上可以看作相等。因此三个焊缝试样也都符合规范要求。试验结果表明：所评定的焊接工艺可以用于FPSO模块支墩的建造施工中，并且由于试板未经过任何焊后热处理，因此模块支墩可以免除焊后热处理。 

　　4.2讨论 

　　国际上对FPSO断裂与安全性评估中，应用了CTOD试验技术「13」。实际上，国外工业发达国家在制造业中已经广泛应用了CTOD试验。例如NORSOK Standard“Structural Steel fabrication”[14]对厚度超过50毫米的钢板焊接接头，要求进行CTOD试验评定。又如DNV-OS-C401[11] 规定对屈服强度超过350MPa钢板的焊接接头，也要做CTOD试验。特别是海洋结构物，厚钢板焊接接头的韧性要求都比较高。但迄今为止，在国内FPSO的设计、建造领域，未见该类文献报道。由于FPSO模块支墩上所用钢板厚度达60mm、80mm甚至更厚，焊接缺欠（如微裂纹、夹渣、气孔、未熔合等等）比较容易发生。如果焊接接头韧性较低（即抗开裂的能力较差），其中的焊接缺欠（类裂纹）在交变应力（由风载、惯性载荷等引起）作用下比较容易扩展，模块支墩的疲劳寿命就比较短。如果焊接接头韧性较高，抵抗开裂的能力较强，焊接缺欠（类裂纹）就不容易扩展，模块支墩就比较安全。因此，设计中应对模块支墩焊接接头CTOD韧性设定一个合理的允许值，建造中应对模块支墩的焊接工艺进行CTOD试验评定。本文的工作，为国内同行提供了可供参考的经验。 

　　这种参考价值体现在两个方面。一是在FPSO的建造施工中，可以预先编制用于模块支墩焊接的拟用焊接工艺PWPS（Preliminary Welding Procedure Specification），然后按PWPS焊接CTOD试板，进行CTOD试验。如试验结果合格，则拟用焊接工艺PWPS就成为正式焊接工艺规范WPS（Welding Procedure Specification)，直接用于模块支墩的焊接；如试验结果不合格，就修订PWPS，再进行新一轮CTOD试验。所谓合格与否，是将试验得到的CTOD特征值δ与规定的焊接接头CTOD允许值δmin进行比较，若 为合格，否则就不合格［15］。这样不仅可以确保模块支墩的焊接施工质量，而且由于这些工作可以提前进行，因此还可以缩短FPSO的建造工期。 

　　另一方面，通过CTOD试验调整焊接工艺，使最终的焊接工艺所焊接的接头具有规定的CTOD值，就可以免除模块支墩的焊后热处理。这可以节省建造成本。由于一艘FPSO有较多的模块支墩，焊后热处理是颇为耗资费时的。 

　　不仅如此，还应当指出，究竟焊后热处理能否提高焊接接头的韧性，并不能一概而论，应作具体分析。著名焊接专家D.拉达伊[16]在论述焊后退火问题时曾经指出：“为避免在构件表面与内部之间产生过大的温度差，加热与冷却均须缓慢进行，否则由此而生的热应力可能会引发裂纹，残余应力的预期下降也会因产生了新的残余应力及变形而受到影响”。可见，第一，若加热与冷控制不当，会在构件表面与内部之间产生较大的温度差，从而会产生新的热应力，这种新的热应力可能会引发裂纹。第二，构件表面与内部之间的温度差会产生新的残余应力及变形。因此，对厚钢板焊接接头来说，由于钢板厚度大，热处理时间、温度、加热速率和冷却速率等难于选择和控制，这容易使得焊接接头表面与内部之间产生较大的温差，会产生新的热应力和残余应力，甚至引发裂纹。文献「17」曾经指出：高强度钢焊后热处理所得接头的韧性值大多数是比未处理状态要低。 

　　因此，本文认为，对模块支墩焊接接头来说，较之焊后热处理更为可取的方法，是通过选择恰当的焊接材料、焊接方法，调整优化焊接工艺，并运用CTOD试验技术，来控制焊接接头的韧性，而不进行焊后热处理。这样，可