CTOD 试验方法在海洋平台断裂韧性评定【推荐论文】 .doc

精品论文CTOD 试验方法在海洋平台断裂韧性评定中的应用甘 进，吴卫国5（武汉理工大学交通学院，武汉 430063） 摘要：作为一种采用高强度钢和厚钢板的大型海洋工程结构物，钢质海洋平台结构焊接接头 的断裂韧性问题与其强度、刚度和稳定性同等重要。文章介绍了裂纹尖端张开位移（CTOD） 的概念和试验方法，简述了 CTOD 断裂韧性评定技术在海洋平台中的广泛应用。随着相关10研究的进展，CTOD 断裂韧性评定技术将更加完善并在海洋平台设计和建造中更好的发挥作 用。关键词：海洋工程结构; 裂纹尖端张开位移（CTOD）; CTOD 试验; 断裂韧性中图分类号：TB302，TG40715Application of CTOD Test Method in Fracture ToughnessEvaluation of Offshore PlatformGAN Jin, WU Weiguo(School of Transportation, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063)Abstract: As a kind of ocean engineering structures consisted of high strength steel and thickness20steel, the fracture toughness of welding joint in the steel offshore platform is as important as the strength, stiffness and stability of platform structure. This paper presents the concept and the test method of Crack Tip Opening Displacement (CTOD). Then, the wide applications of CTOD fracture toughness evaluation technology in offshore platforms are summarized. With the progress of the related research, CTOD fracture toughness evaluation technology will be more perfect, and25play a better role in the design and fabrication of offshore platform.Key words: ocean engineering structure; crack tip opening displacement（CTOD）; CTOD test;fracture toughness0引言302011-2020年中国海洋工程装备制造业中长期发展规划将自升式海洋平台、半潜式海洋 平台、浮式生产储卸装置（FPSO）等海洋工程装备及其关键共性技术等列为未来战略发展 重点。随着我国海洋平台发展的深水化、大型化，平台结构用钢强度越来越高，厚度越来越 大，高强钢厚板焊接接头的断裂韧性问题日益突出。研究海洋平台关键共性技术之一的厚板 焊接接头断裂韧性评定技术，不但可以提高结构的安全性和可靠性，而且还可以缩短建造周35期，降低建造成本。 已有研究表明，厚板焊接接头韧性大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力，即可用裂纹尖端张开位移（CTOD）值来衡量。本文分别从CTOD的概念和CTOD试验方法两方面介绍厚 板焊接接头断裂韧性评定技术，并列举了CTOD断裂韧性评定技术在海洋平台中的相关应用 实例。基金项目：高校博士点科研专项基金（20090143110007）作者简介：甘进（1982.2-），男，讲师，主要研究方向：海洋工程结构设计理论与方法通信联系人：吴卫国（1960.2-），男，教授，主要研究方向：海洋工程结构安全与可靠性. E-mail: mailjt- 7 -401裂纹尖端张开位移（CTOD）裂纹尖端张开位移，即CTOD（crack tip open displacement），是指构件受张开型载荷后 原始裂纹尖端处两表面张开的相对距离1，如图1所示。图 1 CTOD 定义45Fig. 1 Definition of CTOD裂纹尖端材料抵抗开裂的能力可用一个描述裂纹体状态的断裂力学参量CTOD值 来评价。CTOD值通常采用试验的方法测得，CTOD值越大，表示材料抵抗开裂的性能越好， 即韧性越好，反之韧性越差。2CTOD 试验方法50CTOD值通常采用试验的方法测得，CTOD试验方法因其自身特点，在工程界得到了广 泛的应用。国际上各个国家对于CTOD试验都有详细规范明文规定试验的方法步骤和过程， 并且随着工程应用和相关研究的推进，CTOD试验方法不断得到完善和优化，相关的规范标 准也得以充实。在各种规范中，CTOD试验原理和方法大致相似，本文参考BS7448标准2 和DNV-OS-C401标准3介绍CTOD试验方法。图2为CTOD试验的主要步骤。55图 2 CTOD 试验步骤Fig. 2 Test procedures of CTOD2.1试验取样加工为了保证CTOD测试结果更加真实的反映试验材料的断裂韧性，试件的取样和加工应严60格按照标准执行，加工试件的板厚应尽量接近原板板厚值，试样取样方向应取在构件性能最 薄弱的方向，试样均采用三点弯曲试样，如图3（a）所示。（a）CTOD 三点弯曲试样（b）CTOD 加工后试样 图 3 CTOD 试验试样65Fig. 3 CTOD test specimen试件缺口应采用线切割或机加工，缺口尺寸应严格依据标准规定的尺寸加工完成。试样 缺口位置应保证试验能测试到规定的区域。在焊接接头断裂韧性测试中主要的测试区域为焊 缝区、热影响区和母材。单组试件的制备数量和试验规范和标准的选取、断裂韧性评定技术 的允许值以及试验的成功率都有一定的关系。图3（b）为加工完成的CTOD试验试样。702.2疲劳裂纹预制为了在实验室条件下得到结构真实的根部半径为零的裂纹，预制疲劳裂纹环节非常重 要，该环节在国内外断裂韧度测试相关规范中都有明确的要求。预制疲劳裂纹必须保证裂纹 扩展平直，偏离缺口位置中心线不能超过10°，试样对称面的疲劳裂纹长度应大致相等。实 验室中一般采用高频疲劳试验机进行疲劳裂纹预制，预制过程应保证裂纹尖端始终处于低应75力水平，避免裂纹的尖端部位因为荷载过大而钝化，产生较大的塑性区，从而影响断裂韧度 CTOD测试结果的精确性。实验室预制疲劳裂纹采用三分点对称荷载位移控制加载，如图4 所示。图 4 实验室疲劳裂纹预制80Fig. 4 Setting fatigue pre-crack in lab2.3试验过程CTOD试验主要试验装置包括万能材料试验机、动态应变仪、函数绘图仪和夹式引伸计 等，装置示意图如图5所示。85试验具体过程4如下：图 5 CTOD 试验装置示意图Fig. 5 Sketche of CTOD test devices9095100(1) 试样开始前，首先对制备完成试件进行严格的检测，筛掉不和试验标准。并对万能 试验机的载荷及引伸计进行标定；(2) 试验开始前，根据试验温度要求对试件进行温度调节并保温，如室温试验可以用空 调调节室内温度对试件保温、低温试验可将试件置于冰柜一定时间等；(3) 试验采用三点弯曲一次加载方式直至失稳破坏，同时记录载荷-位移（F-V）曲线， 如图6。低温试验则采用将试验试样放入加干冰低温水槽中的方式完成试验（图7）；(4) 试样失稳破坏后，将其取出，在试验机上快速压断；(5) 测量原始裂纹长度a0。采用九点测量法测原始裂纹长度具体方法为，沿试样厚度方 向取 9 个位置分别测量，其中最外侧的两个点位于距试样表面0.01B处，然后在这两个点之 间等间距的取7个测试位置。原始裂纹长度a0的计算公式如式（1）所示，试样原始裂纹长度 a0测量如图8所示。(6) 采用式（2）（5）可计算得到原始裂纹尖端部位的张开位移d 即 CTOD 值。其中，d e 为裂纹尖端部位的张开位移的弹性分量；d p 为裂纹尖端部位的张开位移的塑性分量；m 为泊松比；ReL 为屈服强度；W 为试样宽度；a0 为原始裂纹长度；E 为弹性模量；Vp 为 F-V 曲线上取值点对应的夹式引伸计位移的塑性部分； rp 为旋转因子；KI 为强度因子；Y 为 a/W的函数；Z 为刀口厚度。105a0 = 1/ 8(a1 + a9 ) / 2 + å(a2 + a3 + a4 + a5 + a6 + a7 + a8 )(1)+ depd = d(2)dK 2 (1 - m 2 )e=12ReL E(3)d=rp (W - a0 )Vpprp (W - a0 ) + a0 + ZYP(4)110K I =BW 1 / 2(5)图 6 CTOD 试验装置Fig. 6 CTOD test devices115图 7 低温 CTOD 试验装置Fig. 7 CTOD test devices at low temperatureWa2a1a3a4 a6a5a8a7 a90.01B8 X (0.98B/8)0.01B B120图 8 原始裂纹长度测量Fig. 8 Measurements of the original crack length3CTOD 评定技术的应用CTOD试验方法作为一项国际上认可的焊接接头断裂韧性评定技术，因具有适用性广 泛、测量定点韧度准确性高、工程应用限制性小以及测定值包含结构因素等优点，广泛应用 于海洋工程应用领域，如用于海洋平台结构的高强厚钢板韧度评估、焊接工艺制定，以及异 种材质钢板焊接接头的韧度评估5。1251301353.1 焊接工艺试验评定海洋平台结构焊接接头型式非常复杂，包括对接结构，角接头和管接头等。每个焊接接 头的焊接质量的好坏直接影响平台结构的安全性。因此，在平台焊接工艺的制定上必须采用 科学合理的方法，如CTOD的焊接工艺试验评定技术，图9为评定焊接工艺试验流程。图 9 焊接工艺试验评定流程Fig. 9 Welding procedure qualification test process焊接工艺试验评定方法首先先确定拟采用的焊接工艺PWPS，然后按PWPS焊接CTOD试板，制成试样后，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min焊接工艺规范WPS；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 d 与规定的焊接接头CTOD允许值 d 进行比较，若d ³ dmin为合格，否则就不合格。1401453.2 导管架平台建造导管架平台（图10）是我国近海使用数量最多的海洋平台结构，主要分布于我国的渤海、 南海和东海等海域。渤海冬天寒冷，有浮冰，导管必须考虑冰载荷和低温冲击韧性；南海和 东海冬天温度较高，导管不必考虑冰载荷，对低温韧性要求比较低。因此，对于建造在不同 海域的导管架平台对其结构断裂韧性的要求是不相同的。通过CTOD试验方法可以对不同温 度下的焊接接头韧性进行评估。图 10 导管架平台建造Fig. 10 Jacket platform construction苗张木6等学者按照英国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。CTOD评定技术的150155160165170175180185应用有效减少了焊缝质量控制和焊后热处理环节，极大地降低了建造施工成本。孟凡星7等学者针对某一导管架平台项目，对比了施工过程中有、无 CTOD工艺的导管 架平台建造成本和效率，指出CTOD工艺在保证焊接质量的前提下，可节省大量人力、物力， 并缩减了施工工期。综上可知，CTOD试验在导管架平台建造工程中发挥着重要的作用，具有很高的社会效 益和经济效益。3.3 FPSO 断裂与安全性评估国际上对FPSO断裂与安全性评估中，应用了CTOD试验技术。但在国内FPSO的设计、 建造领域，尚未查到这方面的文献。这反映了国内外CTOD试验技术应用广度的不同。国外 工业发达国家在制造业中广泛应用CTOD试验。但是国内有关规范CTOD试验要求不够明确， 这可能会影响FPSO的使用安全性。举例来说，30万吨FPSO模块支墩上部分钢板厚度达60mm、80mm甚至120mm，由于板厚，焊接缺陷如微裂纹、夹渣、气孔、未熔合等比较容易发生。如果焊接接头韧性较低(即抗开裂的能力较差)，其中的焊接缺陷(类裂纹)在交变应 力(由风载、惯性载荷等引起)作用下很容易扩展，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，焊接缺陷(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。4结语随着我国海洋平台向深海发展战略的实施，平台的工作环境将更加的复杂恶劣。为保证 海洋平台的安全可靠性，对结构断裂韧性的要求将会越来越高。CTOD试验作为一项材料断 裂韧度的重要评定技术，将在海洋工程领域得到越来越广泛的应用。虽然CTOD技术还有很多没有解决的问题5，但是相信随着断裂力学和数值仿真方法的 发展和无数学者的努力，CTOD断裂韧性评定技术也将不断的完善，并更好的为我国海洋平 台的发展提供有力的支持。参考文献 (References)1 中国国家技术监督局，GB/T 2358-1994. 金属材料裂纹尖端张开位移试验方法S. 北京：中国标准出版 社，1995.2 BS7448: Part 2.Facture mechanics toughness test Method for determination of KC, critical CTOD andcritical J values of welds in metallic materialsS,1997.3 DNV-OS-C401.Fabrication and testing of offshore structuresS.2001.4 Gan Jin, Yu Qiming, Wu Weiguo.Fracture toughness evaluation for welded joints of high strength steel through CTOD testC. in Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering-OMAE 2010: Shanghai, China. p.135-139.5 徐斌，颜银标. 断裂韧度评定技术的现状及应用J. 材料导报：综述篇，2012，26（6）：124-129.6 苗张木，陶德馨，吴卫国等. 裂纹尖端张开位移试验在导管架建造中的应用J武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2006，30（2）：319-321.7 孟凡星，崔明辉等. CTOD 试验评定在海洋平台建造中的应用J. 山西建筑，2013，39（4）：99-101.