杜麗影 邱保文 薛 歡 劉 冬 彭志英 余 立

(武漢鋼鐵(集團(tuán))研究院 湖北 武漢：430080)

焊接線能量對(duì)海洋平臺(tái)用鋼斷裂韌性的影響

杜麗影 邱保文 薛 歡 劉 冬 彭志英 余 立

(武漢鋼鐵(集團(tuán))研究院 湖北 武漢：430080)

依據(jù)BS7448試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究了焊接線能量分別為8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm對(duì)DH36海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭中焊縫、粗晶粒熱影響區(qū)、過(guò)渡熱影響區(qū)和亞過(guò)渡熱影響區(qū)斷裂韌度的影響。結(jié)果表明：隨著焊接線能量的增加，焊接接頭CTOD值有降低的趨勢(shì)。焊縫的CTOD值低于熱影響區(qū)的CTOD值，粗晶粒熱影響區(qū)的斷裂韌度低于過(guò)渡和亞過(guò)渡熱影響區(qū)的斷裂韌度。

焊接線能量；焊接接頭；CTOD值

隨著海洋石油和天然氣的開發(fā)，海洋平臺(tái)工程得到迅猛發(fā)展，并趨于深水化、大型化，這將對(duì)厚規(guī)格海洋平臺(tái)用鋼的需求越來(lái)越大。海洋平臺(tái)在設(shè)計(jì)和制造中大量采用焊接連接，因此，結(jié)構(gòu)件焊接接頭在海水環(huán)境下的耐低溫?cái)嗔秧g性特別重要。

裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement，CTOD)，指裂紋體承受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開的相對(duì)距離，能有效準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料的抗脆斷能力。通過(guò)CTOD試驗(yàn)不僅可以評(píng)價(jià)材料的韌性，還可以優(yōu)化焊接工藝，并為評(píng)定海洋平臺(tái)安全可靠性提供數(shù)據(jù)。CTOD斷裂試驗(yàn)已在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的海洋平臺(tái)生產(chǎn)建造中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

為了有效、全面評(píng)定海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭的韌性，本文對(duì)DH36海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭不同區(qū)域進(jìn)行了0℃低溫?cái)嗔秧g度試驗(yàn)，分析了不同焊接線能量對(duì)其性能的影響。

1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)用材為DH36，全板厚60mm。對(duì)于同一種材料來(lái)說(shuō)，取不同厚度的試樣測(cè)得的CTOD值是不盡相同的。一般來(lái)說(shuō)，所取厚度越大，CTOD值就越小。因此，為使CTOD值能準(zhǔn)確反映鋼板的整體韌性，試樣厚度應(yīng)盡可能接近原始鋼板的厚度，即所謂全厚度試樣。但由于試驗(yàn)設(shè)備能力有限，本文采用如圖1所示的試樣尺寸圖。

圖1 試樣加工圖

對(duì)于CTOD試樣的平行度、垂直度和表面粗糙度必須滿足加工圖1的要求。先將原材料進(jìn)行平面切削加工，再用磨床進(jìn)行磨削。磨削時(shí)應(yīng)注意保護(hù)試樣表面，避免留下劃痕。用電火花線切割加工試樣缺口，裂紋尖端部分用直徑為0.12 mm 的鉬絲切割，這樣能防止預(yù)制疲勞裂紋時(shí)裂紋發(fā)生分叉。

2 焊接工藝

根據(jù)目前我國(guó)使用的海洋平臺(tái)用鋼標(biāo)準(zhǔn)EN 10225-2009和API RP 2Z：2005規(guī)范中要求，本文對(duì)焊接線能量分別為8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm下，焊接接頭不同部位的CTOD值進(jìn)行測(cè)試，焊接接頭示意圖如圖2所示。

圖2 焊接接頭各區(qū)示意圖

焊接工藝采用對(duì)接焊縫，等角K型坡口，其加工試樣如圖3所示。

圖3 K型坡口焊接樣加工圖

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)依據(jù)英國(guó)焊接研究所提出的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)BS7448[4-5]，在MTS 810試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋，按照a0/W=0.50控制裂紋初始長(zhǎng)度，加載比為0.4，頻率f=25Hz，預(yù)制疲勞裂紋區(qū)長(zhǎng)度為2mm。CTOD測(cè)試在島津AG-IS 100kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并將COD規(guī)安裝到試樣的線切割裂紋嘴上，記錄材料的P-V曲線。試樣放在環(huán)境箱內(nèi)，利用液氮降溫，在0℃下保溫20分鐘以上，使試樣內(nèi)部與表面溫度一致，溫度始終控制在±2℃。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

線能量為8kJ/cm埋弧焊接工藝，其得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。δm指對(duì)于全塑性變形的第一個(gè)最大力平臺(tái)對(duì)應(yīng)的CTOD值；δu指材料在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展中伴有脆性失穩(wěn)的CTOD值，即穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量△a>0.2mm時(shí)的脆性失穩(wěn)斷裂點(diǎn)或突進(jìn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值。

由表1可知，線能量為8kJ/cm埋弧焊接試樣，其焊縫部位的CTOD值均在0.3-0.4mm之間；粗晶粒熱影響區(qū)的CTOD值均大于0.5mm，更有達(dá)到1mm以上；亞過(guò)渡熱影響區(qū)和過(guò)渡熱影響區(qū)的CTOD值均大于1mm，這兩個(gè)區(qū)域的值大小相當(dāng)。

材料在CTOD值測(cè)試過(guò)程中，試樣8-1、8-2、81-3、81-6的P-V曲線都出現(xiàn)了如圖4所示的失穩(wěn)斷裂情況，這使材料的CTOD值偏低。材料在失穩(wěn)斷裂前穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量大于0.2mm，因此測(cè)出值是材料的δu值。

失穩(wěn)斷裂材料的宏觀斷口形貌如圖5所示，從圖5中可以看出，裂紋起裂擴(kuò)展前緣附近有明顯的脆性裂紋擴(kuò)展特征，此后裂紋止住，斷口表現(xiàn)出較大的塑性變形，這說(shuō)明在焊縫和熱影響區(qū)仍不可避免存在局部脆性粗晶區(qū)，這將導(dǎo)致裂紋局部脆性擴(kuò)展。但對(duì)整個(gè)焊接接頭來(lái)說(shuō)，局部脆性區(qū)并不意味著焊接接頭整體韌性低，如果局部脆性粗晶區(qū)周圍的材料具有較好的止裂特性，同樣可以保證焊接接頭的安全性。

圖5 失穩(wěn)斷裂試樣的裂紋前緣形貌

線能量為30kJ/cm埋弧焊接工藝，其得到的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 焊接線能量為30kJ/cm的CTOD特征值

在該焊接線能量下，焊縫和熱影響區(qū)都沒有出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂現(xiàn)象，測(cè)得材料的CTOD特征值均是δm值。其焊縫部位的δm值在0.3～0.4mm之間；粗晶粒熱影響區(qū)的δm值均大于0.7mm；亞過(guò)渡熱影響區(qū)和過(guò)渡熱影響區(qū)的δm值均大于1.0mm。

線能量為45kJ/cm埋弧焊接工藝，其得到的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 焊接線能量為45kJ/cm的CTOD特征值

在該焊接線能量下，焊縫和熱影響區(qū)都沒有出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂現(xiàn)象，測(cè)得材料的CTOD特征值均是δm值。其焊縫部位的δm值在0.3-0.5mm之間；粗晶粒熱影響區(qū)的δm值波動(dòng)大，高低不均勻；亞過(guò)渡熱影響區(qū)和過(guò)渡熱影響區(qū)的δm值均大于0.8mm。

圖6 不同焊接線能量下焊接接頭CTOD值的變化

不同焊接線能量對(duì)焊接接頭CTOD值的影響如圖6所示。從圖6中得出，隨著線能量的增加，焊接接頭的CTOD值有下降的趨勢(shì)，但變化不大。特別是焊縫區(qū)，CTOD值都在0.3mm～0.5mm之間，熱影響區(qū)CTOD平均值都大于0.8mm。由于焊接接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，熱影響區(qū)區(qū)域很窄，難以精確界定，因此熱影響區(qū)的CTOD值離散性較大。

5 結(jié)論

本文將DH36海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭細(xì)分為焊縫、粗晶粒熱影響區(qū)、過(guò)渡熱影響區(qū)和亞過(guò)渡熱影響區(qū)，依據(jù)BS7448試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究了焊接線能量分別為8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm對(duì)各區(qū)域CTOD值的影響。結(jié)果表明：隨著焊接線能量的增加，焊接接頭CTOD值有降低的趨勢(shì)。焊縫的CTOD值低于熱影響區(qū)的CTOD值，粗晶粒熱影響區(qū)的斷裂韌度低于過(guò)渡和亞過(guò)渡熱影響區(qū)的斷裂韌度。又由于熱影響區(qū)區(qū)域狹窄，難以精確界定每個(gè)區(qū)域，因此其斷裂韌度CTOD值的離散性較大。

[1] 楊新岐，王東坡,等.海洋石油平臺(tái)焊接接頭大型CTOD試驗(yàn)[J].焊接學(xué)報(bào).,2002,23(4):48-50.

[2] 虞維明,周岳銀,陳秀妹.海洋平臺(tái)的建造與維修[M].北京：海洋出版社,1992,78-165.

[3] 孔祥鼎,夏炳仁.海洋平臺(tái)建造工藝[M].北京：人民交通出版社，1993,22-68.

[4] BS 7448：Part 1:1991, Fracture mechanics toughness tests. Part 1. Method for determination of KIC, critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[5] BS 7448：Part 2:1997, Fracture mechanics toughness tests. Part 2. Method for determination of KIC, critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

(責(zé)任編輯：李文英)

Effect of Welding Heat Input on Offshore Platform Steel Fracture Toughness

DU Liying QIU Baowen XUE Huan LIU Dong PENG Zhiying YU Li

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

The effect of welding heat input 8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm on fracture toughness of welded joint including Weld metal、CGHAZ、ICHAZ、SCHAZ used for offshore platform was studied according to BS7448 criterion. The result showed that the CTOD values of welded joint decreased with the increase of welding heat input, the values of CTOD for welded seam was lower than CTOD values of HAZ, and that the fracture toughness of CGHAZ was lower than that of the fracture toughness of ICHAZ and SCHAZ.

welding heat input; welded joint; CTOD value

2015-01-29

杜麗影(1982～)，女，在讀博士，工程師.E-mail:duliying_821012@163.com

TG404

A

1671-3524(2015)02-0024-03