雙焊炬自動焊焊接接頭CTOD斷裂韌性試驗研究

方總濤，李春潤，牛虎理，胡艷華

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

海底管道通常采用鋪管船法進行施工[1]，對鋪設速度要求較高，因而對焊接流水作業線的速度要求也較高，國內外逐步采用雙焊炬自動焊技術[2]。焊接完成后，要求短時間內即進行探傷、補口等作業，但是焊后焊接接頭處于高溫狀態，無法進行探傷工序的操作，故需要快速降溫，需增加特殊的噴淋工藝環節，以使焊接接頭迅速降溫達到超聲探傷的要求[3]。另外，由于管道服役溫度通常較低，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，易產生裂紋起裂、擴展甚至失穩斷裂，對此類管線的焊接質量要求很高[4]。因此，有必要對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形缺口沖擊韌性相比，CTOD更能有效準確地評價鋼材的抗脆斷能力[5]。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。目前在國內管線鋼的設計、建造領域，尚未見到有關雙焊炬自動焊焊接接頭韌性方面的文獻報道。因此，針對雙焊炬自動焊焊接接頭CTOD斷裂韌性開展的試驗研究具有重要的工程實用價值。

1 試驗用標準

國際上由英國焊接研究所提出的測試斷裂韌度 KIC、 CTOD值（δ）和JIC的統一試驗標準BS7448，受到國際焊接學會的重視并予以推廣應用[6]。目前已被國際標準局 （ISO）采納，編號為ISO／TC164／SC4－N400。其中 BS7448:1991-Part1《確定金屬材料 KIC、臨界 CTOD和 J積分的方法》與BS7448:1997-Part2《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[7-8]。本研究依據該試驗標準，對X65鋼雙焊炬自動焊焊接接頭的焊縫和熱影響區進行低溫特征CTOD值的測試。

為確保CTOD試驗結果的可靠性，要求試驗結果不但要符合BS7448標準，而且還要符合挪威船級社DNV-OS-C401[9]標準的相關規定。

2 試樣制備

試驗采用X65管線鋼管，開U形坡口，5點位置焊接，焊接方法為雙焊炬自動焊下向焊打底、填充、蓋面[10-11]。焊接采用兩臺Fronius TPS 3200對稱施焊，層間溫度控制在200℃以下，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，在線切割機上從壁厚22.2 mm，外徑610 mm的管材上截取，再對試樣進行分組編號登記。CTOD試樣的取樣位置及機械加工方向如圖1所示，試樣長度應平行于管道軸線，寬度位于圓周方向。裂紋尖端線位于厚度方向，試樣厚度應等于管壁厚度。

圖1 CTOD試樣的取樣位置及機械加工方向

2.2 機械加工缺口

確定缺口位置，參照BS7448標準標記切割加工線，并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）；對熱影響區（HAZ）試件，由于采用U形坡口、多層焊接，故實際接頭熔合線不很規則，要保證疲勞裂紋尖端距熔合線的距離≤0.5 mm非常困難。經過分析，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和HAZ對應的位置。焊縫及HAZ試件缺口位置分別如圖2所示。

圖2 焊縫及HAZ試件的缺口位置

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。未噴淋試樣最終尺寸見表1，噴淋處理后試樣最終尺寸見表2。

表1 5℃下未噴淋試樣的尺寸

表2 5℃下噴淋處理后試樣的尺寸

3 試驗過程

試驗在1 000 kN電液伺服萬能試驗機上完成，試驗程序遵循BS7448標準規定，試驗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5℃后保溫，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長度。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。然后在這兩個點之間等間距的取7個測試位置。計算平均裂紋深度的公式為

（5）數據處理：根據P－V曲線上的最大載荷值F（N）得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，2.1×105MPa；

γ—泊松比，γ=0.3；

B—試樣厚度，mm；

W—試樣寬度，mm；

Z—刀口厚度，Z=2 mm；

S—三點彎曲時試樣的跨度，mm；

δys—裂紋尖端處材料的屈服強度。計算HAZ的CTOD時，δys取母材和焊縫中較大者，其中焊縫的δys=535 MPa，HAZ的δys=535 MPa。

f（a0/W）—試樣幾何形狀尺寸，f（a0/W）=｛3（a0/W）0.5[1.99-（a0/W）（1-a0/W）（2.15-3.93a0/W+2.7a0/W）]｝/[2(1+2a0/W)（1-2a0/W）1.5]。

3.2 有效性判別

BS7448標準對焊接接頭斷裂韌度試樣有效性的規定要求如下：

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

（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a0的20%；

（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） 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P－V曲線如圖3所示。

5℃下焊縫和HAZ的CTOD計算結果分別見表3和表4。典型試樣的宏觀斷口形狀如圖4所示。

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a0的20%，a/W均小于0.7，完全符合BS7448標準的規定。按照國際通用的海洋結構物建造和試驗規范DNV-OS-C401[5]的規定，若3個有效試樣的CTOD值都不小于0.15 mm為合格，則由表3和表4可知，無論噴淋還是未噴淋試樣，3個有效HAZ試樣的CTOD值都大于0.15 mm，故符合規范要求；3個有效焊縫試樣的CTOD值都大于0.15mm，因此均符合規范要求。同時對比自然空冷和噴淋冷卻的焊接接頭CTOD值后發現噴淋對CTOD值沒有顯著影響。試驗結果表明，X65鋼雙焊炬自動焊焊接接頭的CTOD值較大，斷口呈現韌性斷裂。這表明焊接接頭具有良好的低溫韌性，能較好地滿足海洋管線服役性能的要求，選用的焊接方法和工藝可用于海底管線的建造施工。

圖3 典型的P－V曲線

表3 5℃下未噴淋試樣斷裂韌度結果

表4 5℃下噴淋試樣斷裂韌度結果

圖4 典型試樣的宏觀斷口

海底管線焊接的關鍵之一是保證焊接接頭有足夠的低溫韌性，嚴格控制焊接熱輸入。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。總之，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。

5 結 論

（1）X65鋼雙焊炬自動焊焊接接頭的CTOD值較大，斷口呈現韌性斷裂。選用的焊接方法和工藝可用于海底管線的建造施工。

（2）焊后噴淋冷卻對CTOD值沒有顯著影響。從總體上看，HAZ的CTOD值一般大于焊縫區的值，即HAZ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BS7448斷裂韌度試驗標準，對X65鋼雙焊炬自動焊焊接接頭焊縫和HAZ的CTOD斷裂韌性進行了試驗研究，該試驗結果為焊接方法和焊接規范參數的選擇提供了重要依據。

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