不同強度匹配10CrNi3MoV船體鋼焊接結構的安全評定

孫 吉，桂赤斌，陳文君

（1海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033；2華中科技大學 材料科學與工程學院，武漢 430074）

1 引 言

焊接是造船過程中極為關鍵的環節。對于高強鋼船體，非常微小的焊接缺陷都可能導致極為嚴重的宏觀破壞[1]，因此對焊接結構進行科學的安全評定具有重要的研究意義。

將焊縫與母材的屈服強度分別記為σyW與σyB，依據二者比值“接頭匹配系數”M=σyW/σyB的大小，可將接頭分為不同類型。M＜1時稱為“低匹配”，M＞1時稱為“高匹配”。當σyW與σyB相差很小（10%以內），0.9≤M≤1.1時，也可大致稱為“等匹配”[2-3]。研究發現，接頭匹配關系對焊接結構的使用性能影響顯著。但在具體焊接工程中究竟哪種匹配方案最佳，長期以來存在著不同看法。

為了建立統一的安全評定標準，歐洲委員會于1999年完成了“歐洲工業結構完整性評定程序”，簡稱“SINTAP”[4]。本文基于此標準，對高強船體鋼的不同匹配含缺陷焊接接頭進行安全評定。

2 SINTAP評定標準

2.1 SINTAP評定等級的選擇

SINTAP可以同時考核結構對脆性斷裂及塑性失穩兩種破壞模式的抵抗能力，它提供了失效評定圖FAD和裂紋推動力CDF兩種分析方法。本文采用前者，其關鍵在于失效評定曲線f（ Lr）的建立與評定點坐標（Lr,Kr）的計算。FAD圖由曲線f（ Lr）與截止線Lr=圍成，若評定點（Lr,Kr）落于圖中安全區，則判定結構安全。圖中橫縱坐標均無量綱，分別稱為“塑性失穩比”與“脆性斷裂比”。

根據評定對象的具體情況及資料數據的完備程度，SINTAP方法分為7個評定等級，劃分細致、精度較高。根據實際需要，本文可選擇第1、2級評定。

2.2 第1級評定曲線方程

第1級評定用于焊接接頭不匹配程度小于10%，大致上“等匹配”的場合。在這種情況下，可將接頭視為均質材料。

根據材料拉伸時有無出現屈服平臺，第1級評定曲線分3種情形。本研究所涉及的母材與焊縫均有屈服平臺。故將評定曲線f（ Lr）分為三段，表達式如下:

式中:λ=1+EΔε/σy，E為彈性模量，本文中焊縫與母材的彈性模量統一取為 2.06×105MPa；Δε為屈服平臺長度，按 Δε=0.0375（ 1-σy/1000）估算；N為應變硬化指數，按N=0.3（ 1- σy/σu）估算，σu為材料的抗拉強度。

另有FAD圖中截止線表達式，

2.3 第2級評定曲線方程

第2級評定適用于接頭不匹配程度大于10%的場合，其評定曲線f（Lr）與（1）式基本相同，只將其中λ換為λM，N換為NM。二者計算式為:

式中下標M代表接頭。FyM為接頭屈服極限；FyB為假定此結構為純母材時的屈服極限。SINTAP提供了不同場合下FyM/FyB的計算方法。

另有截止線表達式，

3 試驗材料、方法與結果

母材為武鋼生產的10CrNi3MoV連鑄鋼板，取6塊鋼板與強度級別不同的3種焊條，經手弧焊對接得到3副焊接試板，分別記為1#、2#和3#。

焊接工藝參數如下:電壓23～25 V，電流150～170 A，焊速20 cm/min；正面焊5層，反面碳弧氣刨清根之后再焊3層，從而形成大致的X型坡口。每一面的一二層采取單道焊接，其余每層雙道，道溫控制在100～120℃。

接頭及外載形式如圖1所示。每塊鋼板尺寸統一取為 400 mm（2W）×150 mm（L/2）×20 mm（B）。

3.1 拉伸試驗

為了獲得焊縫與母材各自的強度水平，依據國標“GB/T 228-2002”與“GB/T 2652-2008”完成了拉伸試驗，結果列于表1。

圖1 焊接接頭與外載示意圖Fig.1 Sketch of the weld joint and the load

表1 焊縫和母材的拉伸試驗結果Tab.1 Results of tensile tests

表2 焊接接頭CTOD臨界（δ）值Tab.2 CTOD critical values of joints

根據表1，依次將3副對接板的接頭匹配類型分別稱為低匹配、等匹配與高匹配。

3.2 CTOD試驗

為了表征接頭的斷裂韌度，依據國標“GB/T 21143-2007”完成了“裂紋尖端張開位移（CTOD）”試驗。制備試樣類型為 SE（B），尺寸統一取為 18 mm×36 mm×170 mm，預制疲勞裂紋均取在焊縫中心，試驗溫度為-20℃。試驗結果列于表2。

取試驗結果中的最小值，則3副試板焊縫的CTOD臨界值分別為0.137 mm、0.192 mm、0.125 mm。可見3者的斷裂韌度水平相差不大，有利于本文的對比研究。

4 安全評定

4.1 建立失效評定圖

根據2.2與2.3節的方程式，由表1中試驗數據可分別作出3副試板的FAD圖。發現依據SINTAP第1、2級評定方法作出的FAD圖形狀基本相同，不同匹配條件對其影響很小。

4.2 確定評定點坐標

Lr代表結構趨于塑性失效的程度，計算式為:

式中P為結構承受的外載，P0為接頭塑性失穩載荷。根據承載過程中材料屈服的先后順序，P0可分別取為焊縫或母材的屈服強度[5-6]。按照《艦船通用規范》中船體結構第一類構件總縱強度校核衡準，將結構設計應力取為σmax≤[]σ =0.38σs，此處 σs為母材屈服強度。 因此取 P=0.38σs=238 MPa。

Kr表征結構趨于脆性斷裂的程度，SINTAP提供的Kr的表達式為:

參照矢島浩等人[7]的研究，取定焊縫中拉伸殘余應力系數0.3，即殘余應力值為σR=0.3σyB。采用CTOD試驗的δ值作斷裂韌度參量δmat[8]，則有:

式中δ1與δ2分別為結構在外加載荷及殘余應力作用下的CTOD值[9]。

式中a為結構中裂紋半長。為了合理對比，根據日本NK規范提供的經驗標準，對3種匹配的船體鋼板焊接接頭，統一假設焊縫中心存在2a=70 mm長裂紋。

結合試驗數據，聯立方程式（8）-（12），可得到 3 組評定點坐標Lr與Kr值，列于表 3。

表3 評定點縱坐標值Tab.3 Results of Lr&Kr

5 評定結果與分析

根據上面的分析計算，分別作出3副試板各自的安全評定圖，如圖2-4所示。

圖2 低匹配接頭安全評定結果Fig.2 Assessment of 1#joint

圖3 等匹配接頭安全評定結果Fig.3 Assessment of 2#joint

圖4 高匹配接頭安全評定結果Fig.4 Assessment of 3#joint

由圖2-4對比分析可以看出，在本研究中，雖然10CrNi3MoV鋼焊接接頭各種匹配的評定點均落在安全區內，但相比等匹配與高匹配來說，低匹配接頭的安全裕度有所降低。

對于不匹配焊接接頭的安全評定來說，SINTAP方法FAD圖中評定點的橫坐標Lr主要由材料的屈服強度決定；而縱坐標Kr則由材料的韌度決定。對比圖2與圖3、4，低匹配接頭的Lr與Kr均比等匹配與高匹配高，說明低匹配接頭的塑性失穩的抵抗能力與抗脆斷能力均不如等匹配與高匹配接頭；而對比圖3與圖4可以明顯看出，等匹配與高匹配接頭評定點的Lr值相等，說明二者對塑性失穩的抵抗能力基本相同；但等匹配接頭評定點的縱坐標Kr小于高匹配接頭，說明前者抗脆斷能力優于后者。因此，盡可能實現接頭等匹配，將進一步提高結構的安全裕度。

6 結 論

應用SINTAP方法對10CrNi3MoV船體鋼不同強度匹配的焊接接頭進行了安全評定，結論如下:

（1）依據SINTAP第1、2級評定方法作出的FAD圖基本相同，不同匹配條件對其影響很小。

（2）10CrNi3MoV船體鋼焊接接頭，在強度分別為低匹配、等匹配與高匹配的情況下，焊縫中心如存在70 mm長裂紋，在正常服役條件下，結構仍是安全的。

（3）在接頭韌度水平相似的試驗情形下，低匹配接頭對塑性失穩及脆性斷裂的抵抗能力均稍差；試驗中，焊縫強度稍高于母材的等匹配安全性能最優。

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