低溫鋼焊接接頭CTOD斷裂韌性試驗研究

方總濤，孫 勃

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451）

低溫鋼焊接接頭CTOD斷裂韌性試驗研究

方總濤1，2，孫 勃1，2

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451）

與傳統的夏比V型缺口沖擊韌性試驗比較，CTOD更能有效準確地評價鋼材的抗脆斷能力。文章按照BS 7448-1991（1997）斷裂韌度試驗標準，對海洋平臺工藝管道用ASTM A333-2005 Gr.6低溫鋼焊接接頭的低溫 （0℃，-29℃）裂紋尖端張開位移 （CTOD）進行了測試。取尺寸為B×2B（B為試樣厚度）、缺口方向為NP的試樣進行三點彎曲試驗，然后由得到的焊縫和熱影響區 （HAZ）的P-V曲線來計算CTOD值，并對試驗結果進行了分析和討論。

低溫鋼；CTOD；斷裂韌度；評價

0 引言

海洋平臺上部組塊重要的工藝管道主要有油氣工藝管道和制冷工藝管道兩類。其中，制冷工藝管道由于輸送的介質處于低溫狀態，必須保證有足夠的低溫韌性，防止發生低溫脆性斷裂，國內外普遍采用低溫鋼等管材來解決此問題。另外，由于在管道的連接過程中，焊接過程常常使焊接接頭的組織性能劣化及產生缺陷，使焊接缺陷處成為整個壓力管道中最薄弱的部位，易產生裂紋甚至斷裂，對此類管道的焊接質量要求很高。因此，有必要對低溫鋼焊接接頭的低溫韌性進行研究。

大量試驗研究表明，CTOD（Crack Tip Opening Displacement，裂紋尖端張開位移）斷裂韌度是評價鋼材及焊接接頭抗脆斷特性的重要參量，與傳統的夏比V型缺口沖擊韌性比較，CTOD更能有效準確地評價鋼材的抗脆斷能力[1]。通過CTOD試驗不僅可以進行材料韌度選擇，還可以為評定結構的安全可靠性提供試驗依據。目前在國內低溫鋼的設計、建造領域，尚未見到有關低溫鋼焊接接頭韌性試驗方面的文獻報道，本文針對低溫鋼焊接接頭CTOD斷裂韌性開展的試驗研究具有重要意義。

1 試驗概述

國際上由英國焊接研究所提出的測試斷裂韌度KIC、CTOD（δ）和JIC的統一試驗標準BS7448-1991（1997），受到國際焊接學會的重視并予以推廣應用[2]。目前已被國際標準局 （ISO）采納，編號為 ISO／TC164／SC4-N400。 其中 BS7448-1-1991PartⅠ 《確定金屬材料KIC、臨界CTOD和J積分的方法》與BS 7448-2-1997 PartⅡ 《確定焊縫KIC、臨界CTOD和J積分的方法》試驗標準已在工程界得到了普遍采用[3-4]。本文依據該試驗標準，對低溫鋼焊接接頭的焊縫和熱影響區進行低溫特征CTOD的測試。

為確保CTOD試驗結果的可靠性，要求試驗結果不但要滿足國際上通行的英國標準BS 7448-1991（1997）標準，而且要符合挪威船級社DNV-OS-C401-2001標準的相關規定。

2 試樣制備

試驗所用材料為ASTM A333-2005 Gr.6低溫鋼，開60°V型坡口，6G位置焊接，采用的焊接材料為昆山京雷的GTR-80Ni1，直徑為2.4 mm，層間溫度控制在186℃以下，焊接方法為GTAW手工上向焊打底、填充、蓋面，多層焊焊道為7層。制備帶預制疲勞裂紋的三點彎曲 （TPB）標準試樣。

2.1 截取試樣

根據試樣尺寸為B×2B（B為試樣厚度）、缺口方向為NP的要求，在線切割機上從外徑為114.3 mm、壁厚為8.56 mm的管材上截取，然后對試樣進行分組編號登記。CTOD試樣的位置如圖1所示。試樣應當定向，使其長度平行于管道軸線而且寬度位于圓周方向；因此，裂縫尖端線位于厚度方向。試樣厚度應等于管壁厚度。與管壁有關的CTOD試樣的機加工如圖2所示。

2.2 機械加工缺口

確定缺口位置，參照英國BS 7448-1991（1997）標準標記切割加工線，并且要求保證切割線所在平面與試樣切割面的垂直角度為90°±5°。焊縫試件劃在焊縫金屬區的正中間位置 （WCL）；對HAZ試件，由于采用V型坡口、多層焊接，加上實際接頭熔合線的不規則性，要保證疲勞裂紋尖端距熔合線的距離不超過0.5 mm非常困難。經分析，最優的方案是過B／2線與熔合線交點劃線。在線切割機上用0.08 mm的鉬絲加工機械缺口。

在確定缺口位置時，須采用金相腐蝕劑顯現出焊縫輪廓，以保證預制裂紋尖端分別位于焊縫金屬和熱影響區對應的位置。焊縫及熱影響區試件的缺口位置分別如圖3及圖4所示。

2.3 預制疲勞裂紋

采用高頻疲勞試驗機在室溫下預制疲勞裂紋。在預制疲勞裂紋過程中，應隨時觀測、監控疲勞裂紋的擴展長度與方向，應控制裂紋不要擴展太快，在最后的1.3 mm內，可以適當增大疲勞載荷比，以避免使試件表面裂紋擴展量大于試樣內部擴展量太多。同時應保證最終的預制疲勞裂紋和線切割長度之和在0.45～0.70 W （焊縫和HAZ）范圍內，W為試樣寬度。0℃試樣最終尺寸見表1，-29℃試樣最終尺寸見表2。

表1 試樣尺寸 （0℃）

表2 試樣尺寸 （-29℃）

3 試驗程序

試驗在300 kN萬能試驗機上完成，試驗程序遵循BS 7448-1991（1997）標準規定，自動進行數據的采集與記錄。

3.1 試驗步驟

（1）用游標卡尺精確測量每個試件的B、W和Z（刀口厚度），測量精度為0.02 mm。

（2）試驗時先將試件浸在有珍珠巖填充物夾層的冷卻槽中進行冷卻，槽內盛有干冰、酒精低溫介質。待溫度達到0℃及-29℃后進行保溫，每個試件均保溫20 min以上。試驗過程當中，低溫介質液面超過試件上表面2～3 mm，并用溫度計進行溫度監控測量，溫度變化控制在±2℃。

（3）采用一次加載方式直到試樣失穩破壞，加載速率控制在0.5～1.0 mm/min范圍內，并同時記錄試樣載荷—位移 （P-V）曲線。

（4）試樣失穩破壞后，從低溫箱中取出，對斷口進行烘干處理后在試驗機上快速壓斷試樣。從斷裂試樣上取下斷口用工具顯微鏡測量試件的裂紋深度，具體方法為：沿試件厚度方向取9個測試位置分別測量，其中最外側的兩個點位于距試件表面1%B處。然后在兩個點之間等間距取7個測試位置。采用下式計算平均裂紋深度a。

式中ai——第i測點的裂紋深度。

（5）數據處理：根據P-V曲線上的最大載荷值F（N）得到對應最大載荷時的塑性張開位移VP（mm），CTOD的計算公式為

式中E——彈性模量，取2.1×105MPa，

υ——泊松比，取0.3；

B——試樣厚度/mm；

W——試樣寬度/mm；

Z——刀口厚度/mm，取2 mm；

S——三點彎曲時的試樣的跨度/mm；

Vp——P-V曲線上對應最大載荷時的夾式引伸計塑性張開位移/mm。

σys——屈服強度/MPa。

當計算HAZ的CTOD時，裂紋尖端處材料的屈服強度σys取母材和焊縫金屬中較大者；其中焊縫的屈服強度σys=493 MPa，熱影響區的屈服強度σys=525 MPa。

3.2 有效性判別

BS 7448標準對焊接接頭斷裂韌度試樣有效性要求如下：

（1）試樣平均裂紋深度a0=0.45～0.70 W，機械缺口寬度最大為0.065 W。

（2）在斷口上測量初始裂紋深度a0時，要求任意兩個裂紋深度的差值均不大于20%a0。

（3）在斷口上預制疲勞裂紋的最小值應不小于1.3 mm和2.5%W兩者中的較大值。

（4）預制疲勞裂紋擴展方向與垂直試樣長度方向的夾角應不大于10°。

（5）對于熱影響區試件，還需對斷口晶粒進行金相分析，從而確定裂紋尖端在粗晶區的試驗結果才為有效。

（6） 當出現 “pop-in” （突躍） 現象時， 由載荷下降導致的位移增加小于1%時可忽略不計，大于l%而小于5%時，進行斷口金相分析以確定裂紋起裂的有效區域，大于5%時確定為裂紋起裂，并以此時載荷計算CTOD值。

4 試驗結果及討論

典型的載荷—位移曲線如圖5所示。

圖5 典型的載荷—位移曲線

0℃和-29℃兩種溫度下焊縫金屬和熱影響區的CTOD計算結果分別如表3及表4所示。

典型試樣的宏觀斷口形狀如圖6所示。

由試驗結果可知，試驗中的12件試樣都獲得很好的裂紋前緣形狀，全部試樣裂紋前緣任意兩個裂紋深度的差值都小于20%a0，ai/W均小于0.7，完全符合BS 7448-1991（1997）標準的規定，全為有效試件。按照國際通用的海洋結構物建造和試驗規范DNV-OS-C401-2001的規定，若三個有效試樣的CTOD值都不小于0.15 mm為合格。由表3及表4可知，兩種試驗溫度下，三個有效HAZ試樣的CTOD值都大于0.15 mm，故符合規范要求；三個有效焊縫試樣的CTOD值都大于0.15 mm，因此三個焊縫試樣也都符合規范要求。

試驗結果表明：低溫鋼焊接接頭的CTOD值較大，斷口呈現韌性斷裂。這表明低溫鋼焊接接頭具有良好的低溫韌性，能較好地滿足海洋平臺工藝管道的要求，選用的焊接工藝可用于工藝管道低溫鋼的建造施工。

低溫鋼焊接的關鍵是保證焊接接頭有足夠的低溫韌性。為了控制其韌性，必須合理地設計焊接工藝，嚴格控制焊接熱輸入，以獲得具有良好韌性組織的焊縫。用CTOD試驗評價焊接接頭韌性，效果良好，CTOD試驗可以指導焊接材料、母材的選擇及焊接工藝的制訂，為結構安全可靠性的評定提供試驗依據?？傊?，應用CTOD試驗評價焊接接頭的韌度具有重要的工程實用價值。

表3 0℃下斷裂韌度結果

表4 -29℃下斷裂韌度試驗結果

5 結束語

（1）低溫鋼焊接接頭具有良好的低溫韌性，選用的焊接工藝可用于工藝管道低溫鋼的建造施工。

（2）從總體上看，熱影響區的CTOD值一般大于焊縫金屬區的值，即熱影響區的低溫斷裂韌性要好于焊縫，因此焊縫是結構最薄弱的部位。

（3）應用英國BS 7448-1991（1997）斷裂韌度試驗標準，對ASTM A333-2005 Gr.6低溫鋼焊縫和HAZ的CTOD分別進行了測試，該試驗結果為焊接方法和焊接規范參數的選擇、ECA評估提供了重要依據。

[1]霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業出版社，2000.46-77.

[2]鄧彩艷，張玉鳳，霍立興，等.X65管線鋼焊接接頭CTOD斷裂韌度[J].焊接學報，2003,24（3）：6，13-16.

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

[4]BS 7448-1997,Part 2：Fracture mechanics toughness tests.Part 1.Method for determination of KIC，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

[5]DNV-OS-C401-2001，Fabrication and testing of offshore structures[S].

Test Research on CDOD Fracture Toughness of Low Temperature Steel

FANG Zhong-tao（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,SUN Bo

Compared with the traditional Charpy V notch toughness test,crack tip opening displacement method （CTOD）is more effective and accurate in assessing anti-fracture toughness of steel.According to BS 7448 fracture toughness test standard,CTOD was applied to test the welding joints of low temperature steel ASTM A333 Gr.6 at low temperatures （0℃,-29℃） which is used in offshore platform.Three point bending tests were conducted on the specimens with the dimension of B×2B（B is the thickness） and notch direction NP.The final value of CTOD was calculated by P-V curves of both the welds and the HAZ（heat affected zone）.And the test results were analyzed and discussed in the paper.

low temperature steel;CTOD;fracture toughness;assessment

TE973.3

B

1001－2206（2011）增刊－0027－04

方總濤 （1984-），男，遼寧大連人，助理工程師，2009年畢業于天津大學材料加工工程專業，碩士，主要從事焊接結構斷裂、數值模擬等方面的研究工作。

2011-08-10