CTOD 試驗評定在海洋平臺建造中的應用

孟凡星 崔明輝 張大偉 魯 藝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著我國海洋石油行業的發展，特別是南海海域深水油田的勘探與開發項目越來越多，厚板焊接在海洋平臺建造中的應用日趨廣泛，按照鋼結構建造規范的要求，為保證焊接接頭的強度、剛度和穩定性的綜合性能——韌性，厚度在50 mm以上的鋼板焊接必須做焊后熱處理，但這樣不僅需要耗費大量的人力、物力，而且嚴重影響工期，給施工帶來極大不便，根據挪威船級社標準(DNVOS-C401)［1］，可以通過對焊接接頭進行CTOD試驗來免除焊后熱處理，不僅可以減少施工成本，而且可以大大縮減施工環節。

1 工程概況

陸豐7-2油田位于約東經 21°44′，北緯 116°02′的位置，屬于16-05原油生產分成合同區塊，該區塊位于南中國海。CNOOC與美國新田合作油田，油田水深106 m，導管架設計尺寸從EL(-)106 m到EL(+)8 m，共8條腿，主體結構中大部分導管腿、鋼樁、裙樁套筒管壁厚度都在50 mm以上，如果全部進行焊后熱處理，工作量極大。LF 7-2導管架模型見圖1。

圖1 LF 7-2導管架模型

2 工藝原理

Crack Tip Opening Displacement(CTOD)即裂紋尖端張開位移，是指構件受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面張開的相對距離［2］，見圖2。CTOD值的大小反映了裂紋尖端抵抗開裂的能力，在實驗中，把待測焊接接頭做成帶有預制裂紋的試樣，加外載后，裂紋尖端有一個張開位移——CTOD值可被測定(見圖3)。CTOD值越大，表示材料抵抗開裂的性能越好，即韌性越好，CTOD值越小，表示材料抵抗開裂的性能越差，即韌性越差［3］。

3 試驗過程

在LF 7-2 EPCI項目中共做了七組試驗件，分別用厚度80 mm和95 mm的板材進行試驗，根據項目規格書，完全可以覆蓋40 mm～100 mm厚度板材焊接工藝的評定。試驗所用鋼材都是舞陽鋼鐵廠生產的D36級別，焊接方法主要有CO2氣體保護焊、單絲埋弧自動焊和雙絲埋弧自動焊，焊接位置為平焊和立焊，其中立焊為立向上焊。

圖2 裂紋尖端張開位移

圖3 CTOD試驗裝置示意圖

試驗件的下料、焊接、NDT檢測及切割工作都是由深圳赤灣勝寶旺公司完成，在以上各個環節的加工過程，勝寶旺公司都做了詳細的記錄，而且加工過程都經過NFX和COOEC相關人員見證，試驗過程絕對可靠，試驗件的CTOD試驗是在天津大學材料科學與工程學院的焊接試驗室進行的，試驗過程經過NFX和COOEC相關人員見證，試驗結果真實有效。

試驗過程參考BS7448標準［4］和DNV-OS-C401標準進行。

按照BS7448標準規定，CTOD試驗要在焊縫金屬和熱影響區進行，試驗采用預制疲勞裂紋的三點彎曲標準試樣，試樣加工成B×B方形尺寸，加工之前，在每個試件邊緣打印上簡單的編碼以便跟蹤。試驗溫度為0℃。焊縫金屬試樣采用X形坡口試件，焊縫金屬的機械缺口位于名義焊縫中心線處，熱影響區試樣采用K形坡口試件，熱影響區機械缺口位于與熔合線平齊位置。機械缺口根部半徑0.12 mm，開口小于60°，深度為試件寬度的45%。在預制疲勞裂紋之前，每個試件都要采用局部壓縮方法減少焊縫中心部位的焊接殘余應力，加載直徑為30 mm，載荷為750 kN。每個試件上面都會有0.1 mm～0.4 mm的壓痕，根據焊接接頭成分的不同，壓痕的深度也會有所不同，局部壓縮過程以標準BS7448第二部分為指導。

以CO2氣體保護焊焊接的80mm鋼板為例，分別用單邊V形坡口和K形坡口焊接試驗件做焊縫金屬和熱影響區的CTOD試驗，試件尺寸如表1所示，試件圖片如圖4所示。

表1 試件尺寸

圖4 試件的預制

試驗采用頻率在115 Hz～117 Hz之間的高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗，采用顯微觀測和控制疲勞裂紋在任意方向的擴展，應力比為0.1，加載范圍308 mm，預制裂紋最大加載為90 kN，每個試驗件的疲勞裂紋擴展時間為0.4 h。CTOD試驗的試驗結果如表2所示，F—V曲線形成過程如圖5所示，試驗過程的詳細數據在此就不一一列舉，此試驗以BS7448標準為依據。

表2 CTOD試驗結果

圖5 記錄F—V曲線

根據DNV-OS-C401的規定，海洋鋼結構在制造過程中，為了能夠免除焊后熱處理，焊縫金屬和熱影響區的CTOD斷裂韌度必須滿足的條件是:3個有效試件的CTOD值必須都不小于0.15mm，如果其中有不滿足此條件的，就必須追加CTOD試驗件的數量。從表2中可知，80 mm鋼板的CO2氣體保護焊的3個試驗件CTOD值都大于0.15 mm，因此80 mm鋼板的CO2氣體保護焊工藝能夠免除焊后熱處理。

經過試驗，LF 7-2 EPCI項目的七組試驗件結果全部合格，這樣就覆蓋了此項目中50 mm以上鋼板的全部厚度，以此為基礎編制的焊接工藝均免除焊后熱處理，不僅為項目施工節省了大量用于焊后熱處理的人工和設備費用，而且大大縮短了工期。

4 CTOD評定在此項目中發揮的優勢

4.1 經濟

與焊后熱處理相比，CTOD試驗為LF 7-2 EPCI項目節省了幾十萬元的施工成本。按照正常的焊后熱處理工序，為了保證厚度為50 mm以上焊道的質量，需要做的工作如圖6所示。

通過CTOD實驗免除焊后熱處理以后，工序如圖7所示。

圖6中沒有進行CTOD試驗，不僅要進行焊后熱處理，而且焊后熱處理使得焊縫內部晶體組織發生變化，為了保證質量，焊后還要進行NDT復查。

圖7 無焊后熱處理的工序

與圖6的工序相比，圖7中CTOD試驗使焊縫的質量控制環節大大減少，不僅減少了繁瑣的焊后熱處理環節，而且也節省了焊后熱處理的NDT復查，經粗略計算，整個LF 7-2 EPCI項目焊后熱處理和NDT復查所造成的施工成本大概幾十萬元，而此項目的CTOD試驗費用累積花費幾萬元，極大地降低了施工成本。

4.2 高效

焊接熱處理要求在焊縫的NDT檢測合格后進行，從熱處理設備的安裝、調試、加熱、保溫、降溫到設備的拆卸需要耗費大量時間。根據以往海洋鋼結構的熱處理經驗，一道厚度50 mm以上焊縫的熱處理需耗時12 h，加上熱處理之后的NDT復查所需要的時間(工序如圖6所示)，經過統計，在LF 7-2 EPCI項目中，如果所有50 mm以上焊縫都進行焊后熱處理，整個項目的工期將會達到18個月，通過CTOD試驗來代替焊后熱處理，該項目節省了大量時間，按照正常的施工情況，15個月即完工，大大提高了施工的效率。

4.3 更科學合理

與夏比沖擊試驗相比，CTOD采取全焊縫試驗，試驗過程更科學，更合理，能夠更準確地模擬開裂過程，更全面地進行安全性分析［5］，對比內容如表3所示。

表3 CTOD試驗與沖擊試驗的比較

5 結語

CTOD工藝評定制作的焊接工藝，可以免除50 mm以上焊接接頭的焊后熱處理，本文通過闡述具體的海洋平臺建造項目中對CTOD試驗的應用，證明CTOD工藝評定在海洋平臺發揮的重大作用，在保證焊接質量的前提下，不僅節省了大量的人力、物力，而且大大縮減了施工的工期，CTOD工藝評定在我國海洋石油工程領域，特別是深海領域的發展中，占據著舉足輕重的地位。

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

［2］GB/T 2358-1944，金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法［S］.

［3］苗張木，王振宇.厚鋼板焊接接頭韌性CTOD試驗評定技術及應用［J］.寬厚板，2006(6):23-28.

［4］BS7448:Part2:1997，Facture mechanics toughness test.Method for determination of KⅠC，critical CTOD and critical Jvalues of welds in metallicmaterials［S］.

［5］苗張木，吳華方.海洋鋼結構韌性問題與CTOD試驗技術［J］.鋼結構，2008(2):18-22.