厚钢板焊接质量的CTOD检测评定技术
标签: CTOD
[ 时间:2009-12-24 全球石油网 关注度：49255 ] [ 加入收藏 ] [ 字号：大 中 小 ]
1. 成果特点
1．CTOD检测评定厚钢板焊接质量时，可以按整个焊接接头的厚度取样，来制作检测试样。这样，能够保存结构原始尺寸的影响，真实模拟实际结构的焊接条件。其检测得到的质量指标能反映整个焊接接头的质量，具有整体性，准确、安全、可靠。夏比冲击试验检测评定厚钢板焊接质量时，所得结果偏于危险，会在结构中留下安全隐患。
2. 本项技术在制备检测试样时，采用新的制备方法 “高K 比法”。这种方法不需要对焊缝进行常规的预先处理。因此，比国际上现有的CTOD检测技术具有更高的精度，更快的检测速度。
3. 本项技术提出了“双引伸计检测法”，可以在一个检测试样上同时进行CTOD检测和J积分检测，即在一个试样上同时进行两项检测，同时得到焊接质量的两个指标值，可以互相比较验证，使检测结果更准确、可靠。
2. 主要应用领域
1）高强船板、海洋平台板的焊接性能检测评定。
2）各种焊接工艺评定：指导选用焊接材料，调整、优化焊接工艺。
3）大型海上浮式生产储油卸油船（FPSO）的断裂与安全性评估。
2. 军事工业
坦克、舰艇、航空母舰等所用厚钢板焊接质量检测与评定。
3. 桥梁建造业、建筑业、水电核电等工程所用厚钢板焊接质量检测评定。
4. 压力容器、空分设备（低温钢）等焊接质量检测。
3. 研究单位及成果联系人
研究单位：武汉理工大学
联系人：苗张木
电话/传真：027 86550094
手 机： 13545053579
厚钢板焊接质量的CTOD检测评定技术
成 果 简 介
一.前言
焊接结构破坏大部分是从焊接接头开始的。薄钢板焊接质量检测，国内已经有成熟方法和有关规范，如GB2649-2655（1989）等。但是，厚钢板焊接接头内部，比薄钢板容易产生更多的夹杂、气孔等焊接缺陷，成为结构安全的隐患。国际上，工业发达国家在制造业中广泛应用CTOD检测评定技术，来检验厚钢板焊接质量。例如 “钢结构建造「1」”规范要求钢板厚度超过50毫米的焊接接头，必须做CTOD检测试验。“海洋结构物建造和试验「2」”规范规定屈服强度超过350MPa的钢板，其焊接接头必须做CTOD检测试验。欧洲标准“固定式海洋结构物焊接结构钢(交货技术条件)「3」”规定对厚度为100-150mm的钢板母材，也要做CTOD检测试验。
CTOD是英文名称Crack Tip Opening Displacement的首字母缩写，中文称为裂纹尖端张开位移「4」,指的是裂纹尖端处受张开型载荷后两表面所张开的相对距离（如图1），往往用δ表示，常用单位是毫米。CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力，也就是材料的韧性。把要检测的材料制成带有人为预制裂纹的试样，加上外力后，可以检测到裂纹尖端的张开位移δ值。δ值越大，表示裂纹尖端材料抵抗开裂的性能越好，即韧性越好；反之，δ值越小，韧性越差。由于CTOD韧性能很好反映焊接接头的质量，因此CTOD检测评定技术能够有效检测焊接质量。
武汉理工大学CTOD项目组通过引进、消化、吸收国际上先进的CTOD试验技术，再进行技术创新，研究开发了厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术，已经成功应用于国家重点工程 港深西部通道后海湾大桥钢箱梁的建造，应用于海洋平台导管架的建造，保证了钢箱梁和导管架的建造质量，确保安全性和可靠性，并且可以免除焊后热处理。
二.研究背景与应用效果
上世纪末，我国经济摆脱周边东南亚金融危机的影响，开始高速发展。大型工程建设项目逐渐增多，海洋石油也加快了开发。海洋石油平台、大跨度桥梁等工程钢结构呈现出大型化、厚壁化趋势，并且所用的多为中高强度钢，因此，厚钢板焊接质量检测评定的方法和技术显得十分重要，但是国内这种技术却尚未有效开发。厚钢板焊接质量的CTOD检测需要到国外（挪威船级社新加坡试验中心或韩国）去进行。面对这一情况，武汉理工大学组建了CTOD项目组,采取引进、消化、吸收、再创新的研发思路，开展了“厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术”的研究开发。迄今为止，CTOD项目组先后发表了近20篇论文，其中6篇被美国工程索引（EI）收录，3篇参加国际学术会议，取得一项专利，研究成果达到国际先进水平，并成功应用于国家重点工程 港深西部通道后海湾大桥钢箱梁焊接质量检测评定，这在国内属于首次，产生了良好的国际影响；又首次成功地用于30万吨FPSO建造中，从而免除了100多个模块支墩的焊后退火处理，产生了较大的经济效益，这在国际上也未见文献报道；又用于海洋平台导管架的建造，取得了良好的经济效益。
港深西部通道是连接香港和深圳两地的跨海大桥，是国家计委在1997年12月批准的国家重点项目。其中位于香港段的后海湾大桥四跨连续钢箱梁，最大跨度210米，梁宽39米，梁高4.2米，建造难度为国内之最，焊接质量要求很高。CTOD项目组用厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术，通过对不同焊接材料、不同焊接工艺的焊接接头质量CTOD检测评定，帮助钢箱梁的建造企业选择焊接材料，调整优化了焊接工艺「5-6」，保证了钢箱梁的建造质量，受到英国奥雅纳工程顾问公司的高度评价。
渤海湾PL19-3油田是我国最大的海上油田。该油田使用一艘由上海外高桥造船有限公司承建的、目前世界上在浅水域中使用最大的300kt 的浮式生产储油船「7」（FPSO）。其上的模块支墩是连接上部模块与主甲板的关键结构，必须有效保证其焊接接头的韧度以防裂防断。CTOD项目组按照国际通用规范BS7448和DNV-OS-C401的要求，对模块支墩焊缝和熔合区进行了低温（-180C）裂纹尖端张开位移（CTOD）的试验研究。试验研究结果表明：按拟用焊接工艺所焊接的模块支墩焊接接头，其焊缝和熔合区的CTOD试验值都能满足国际通用规范DNV-OS-C401规定的要求（不小于0.15mm），因此，可以确认，该焊接工艺可应用于模块支墩的焊接施工，并且焊后的模块支墩可以免除退火处理「8」。
某海洋平台导管架建造企业，原来所建造的导管架，需要进行焊后热处理，耗费大量人力物力，工期长，成本高。CTOD项目组用所开发的“厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术”，帮助该企业选择焊接材料、优化焊接工艺，使得所建造的导管架具有很好的焊接质量，可以免除焊后热处理工艺，节省了热处理成本，缩短了建造工期，使企业在国内外投标中具备了更大的优势「9-12」，取得了较大的经济效益。
CTOD项目组在国内五家轧钢厂新研发的高强船板的九国船级社认证中，成功进行了多个新高强钢种(最大厚度为100mm)的CTOD检测试验「13」。
三.主要应用领域
CTOD检测厚钢板焊接质量，具有其他检测方法所不能替代的优点，应用领域很广。下面列举几个主要应用领域。
1. 船舶、海洋工程制造业
1）船板、海洋平台板的焊接性能评定（国际上对高强船板、平台板进行可焊接性试验时，一般包括CTOD试验）。
2）各种焊接工艺评定
一般做法如下：先确定拟采用的焊接工艺PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification)，然后按PWPS焊接CTOD试板，制成试样后，进行CTOD检测评定。如检测评定结果合格，拟用焊接工艺PWPS就成为正式焊接工艺规范WPS（Welding Procedure Specification)；如评定结果不合格，就要修订PWPS，再进行新一轮CTOD检测评定。PWPS的合格与否，是将检测得到的CTOD特征值δ与规定的焊接接头CTOD允许值δmin进行比较，若δ≥δ
