海洋钢结构韧性问题与CTOD试验技术

海洋钢结构韧性问题与CTOD试验技术钢结构!.//0年第.期第.2卷总第4/5期! 海洋钢结构韧性问题与%G_:试验技术苗张木吴华方 !武汉理工大学交通学院!武汉!52//S2" !中国船级社武汉分社!武汉!52//.." 摘!要!论述海洋钢结构韧性问题的本质及重要性!介绍%G_:"裂纹尖端张开位移#概念$%G_:试验主要规范! 海洋钢结构中若干与%G_:有关的规范!%G_:试验技术在海洋钢结构中的2种主要用途%控制质量$提高生产效率$降低建造成本& 关键词!韧性!%G_:!海洋钢结构 %’$5-(+22’)’))2-’/+2%+...

钢结构!.//0年第.期第.2卷总第4/5期! 海洋钢结构韧性问题与%G_:试验技术苗张木吴华方 !武汉理工大学交通学院!武汉!52//S2" !中国船级社武汉分社!武汉!52//.." 摘!要!论述海洋钢结构韧性问题的本质及重要性!介绍%G_:"裂纹尖端张开位移#概念$%G_:试验主要规范! 海洋钢结构中若干与%G_:有关的规范!%G_:试验技术在海洋钢结构中的2种主要用途%控制质量$提高生产效率$降低建造成本& 关键词!韧性!%G_:!海洋钢结构 %’$5-(+22’)’))2-’/+2%++#2%/$!%$/+"(,!%’,%+2%%+!-(&>$+2 (+’#7*’%&;" "!+@&&$&>G)<’(;&)"<",&’&>L*@<’D’,E#)(,"F&>G#+@’&$&BF!L*@<’!52//S2# 6"$"’8’%& "L*@<’8)<’+@&>%@,’<%$<((,>,+<",&’!&+,#"F!L*@<’!52//..# "12%/"!%!G@#+)*M<’H,=;&)"<’+#&>"&*B@’#((&>&>>(@&)#("##$(")*+"*)#<)#H#=&’(")<"#HI,"@;&(,",E# =#"@&H-G@#H#>,’,",&’&>%G_:"+)<+O",;&;#’,’BH,(;$<+#=#’"#<’H(&=#+&H#(>(@&)#("##$(")*+"*)#("<’H<)H()#$<"#H"&%G_:<)#B,E#’- G@)##<;;$,+<",&’(&>%G_:"#+@’,i*#,’ &>>(@&)#("##$(")*+"*)#!,’+$*H,’Bi*<$,"F+&’")&$$,’B<’H,=;)&E,’B>>,+,#’+F<’H)#H*+,’B>>(@&)#("##$(")*+"*)# 第一作者#苗张木!男!4Q6R年44月出生!教授!博士 A=<,$#V==,<&!I@*"-#H*-+’ 收稿日期#.//R9/R9.S 7!海洋钢结构韧性问题 7A7!海洋钢结构韧性问题的重要性海洋钢结构的强度$刚度$稳定性问题%已经得到人们的普遍重视&但是%韧性问题%却没有得到应有的重视%十分令人担忧& 所谓韧性%是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力%也就是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的能力%它是强度和塑性的综合体现&韧性好的材料!例如铝"%在断裂破坏前会发生较大的塑性变形%吸收较多的能量%消耗较多的外力功%因而断裂过程延续时间较长%不容易断裂&韧性差的材料!例如铸铁"%断裂破坏前塑性变形很小%吸收能量的能力较低%容易发生脆断& 海洋钢结构服役环境恶劣$钢板厚度大$强度高%其焊接接头的韧性!抗开裂性能和止裂性能"至关重要&它们不仅承受巨大的静载荷%而且往往承受由波浪$海流$台风等引起的动载荷%容易疲劳破坏&由于钢板厚度大%焊接缺欠!如微裂纹$夹渣$气孔$未熔合等"更容易发生&图4所示为厚 S6==钢板焊缝断口电镜照片’4(!放大46/倍"& 图中凹坑是焊接过程中产生的气泡坑%气泡周边有图4!钢板焊缝内部微裂纹!放大46/倍" 两条裂纹%气泡坑底部还有一条小裂纹&如果焊缝材料韧性好%这种裂纹不会扩展或者扩展缓慢)反之%裂纹就很容易扩展%导致钢结构的破坏&例如% 我国在4QSQ年倒塌的渤海老.号2座海洋平台% 用的是Z256!4SP’"和Z.26J?钢%它们在低温下韧性很差%对于焊接接头中存在夹杂物和未焊透的类裂纹的扩展%抵抗能力很差%最终造成平台导管脆性断裂’.(&再如4Q0/年%北海中一条半潜式平 04 科研开发 !"##$%&’(")*+",&’-.//0!."#1&$-.2#3&-4/5 台$亚历山大%基兰德&号!?$#M<’H#)c#,$$<’H"发生倾覆#4..人葬身海底’其倾覆的原因起源于平台支承腿的一条支管出现了疲劳裂纹(2)’ 因此#在海洋钢结构建造中#必须保证焊接接头具有足够的韧性’这样#尽管母材和焊接接头中有缺陷!类裂纹"#这些缺陷!类裂纹"也不会扩展或者扩展很缓慢#结构在服役期内仍然是安全的’ 但是用什么样的指标来反映韧性？对于具体的海洋钢结构又需要多大的韧性？这种韧性如何测定？如何在设计中设定韧性指标*并在建造中得到保证？国外有一些成熟的规范和成功的经验#国内这方面的工作有待进一步开展’ 7A8!用冲击韧性表征海洋钢结构韧性!存在局限与危险由冲击试验得到冲击韧性#用来表征材料或焊接接头韧性的方法已经普遍被接受’但是海洋钢结构中有许多厚钢板及其焊接接头#对于它们#用冲击韧性衡量#局限性较大#并且偏于危险’ 这主要是由于冲击试验在试样取样时受到限制’按有关规范(5)#焊接接头试样的标准尺寸是 4/== X4/==X66==’这样#对于厚度大于 4/==的钢板的焊接接头#试验结果就不能代表整个焊接接头的韧性了’例如#按规范(5)#在后焊一侧的焊缝厚度为40#5/==时#只在其中取一个冲击试样进行冲击试验’按这种取样方式#这个试样的冲击韧性如果不合格#只代表取样部位的材料的韧性不合格#显然不能够说明整个焊接接头韧性不合格+反之亦然’ 另外#材料表现为韧性断裂还是脆性断裂#还与材料所受应力状态有关’冲击试验局部取样的方法#改变了材料的应力状态’海洋钢结构壁厚往往较大!国内导管架壁厚已达Q/==(6)"#而冲击韧性试样只有4/==X4/==X66==#按规范(5)#对厚度为S/#4//==的焊接接头#沿厚度方向不同位置#取2个试样来测量’这样#从力学上看#是把厚板材料原本所处的三向应力状态转变成为平面应力状态#然后再测量冲击韧性#会导致较大误差#并且偏于危险’例如#文献(S)中介绍的船体上的厚钢板会发生Q/Y以上结晶断口的脆断#而从这种船板上取下的小试样在整体屈服之后却发生完全纤维断口的韧断’另一个典型的例子是#4Q6/年美国北极星导弹试验发射时#固体燃料发动机壳体发生了爆炸’ 壳体材料是超高强度钢!屈服极限45//PU<"#按 1型夏比冲击试验#壳体材料的韧性是合格的(R)’ 由于海洋钢结构大多是厚钢板焊接结构#在用冲击试验来验收母材*评定焊接工艺时#存在取样限制#不够科学*不够合理’必须取整块钢板厚度*整个焊接接头厚度来制备试样!全厚度试样"进行韧性测定#才能够保证韧性测定的可靠性’这就必须借助于%G_:试验技术’ 8!!%’,的概念所谓 %G_:!%)<+O G,; _;#’,’B :,(;$<+#J =#’""#即裂纹尖端张开位移#系指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处两表面所张开的相对距离(0) !图."’%G_:的量纲为长度#常用单位是毫米或英寸’%G_:值的大小反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力’在试验中#把待测材料做成带有预制裂纹的试样#加上外载后#裂纹尖端处有一个可以被测定的张开位移%G_:值’%G_:值越大#表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越好#即韧性越好+反之# %G_:值越小#表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越差#即韧性越差’ <9受载前!原始"裂纹+N9受载后裂纹图.!裂纹尖端张开位移 9!!%’,试验主要规范目前使用较多的 %G_:试验规范#在英国有 8!R550’8!R550分2个不同部分’8!R550, U<)"4,4QQ4(Q)是用来测金属材料%G_:特征值的+ 而8!R550,U<)".,4QQR(4/)是用来测金属材料焊接接头%G_:特征值的+8!R550,U<)"5,4QQR(44)则是用来测金属材料 %G_: 阻力曲线的’在美国 %G_:试验规范有好几个#最新版本是 ?!GP A4.Q/9.//.(4.)’在我国#国家标准78-G.2609 4QQ5(0)是用来测金属材料 %G_:特征值和%G_: 阻力曲线的’ Q4 苗张木!等"海洋钢结构韧性问题与%G_:试验技术钢结构!.//0年第.期第.2卷总第4/5期! =!海洋钢结构涉及!%’,的主要规范举例 =A7!海洋钢结构设计规范主要规范有 :31J_!J%4/4!42"和 :31J_!J %./4!45"#它们规定符合以下情况的焊接接头的工艺评定中要做%G_:试验$对于要在同一地点服役 6年以上的海洋结构物%当设计温度在[4/k以下& 特殊的连接部位&连接部件中至少有一个部件的屈服极限大于等于5./PU<# =A8!海洋钢结构建造规范主要规范有:31J_!J%5/4!46"%它规定屈服强度超过26/PU<的钢板%其焊接接头’焊缝中心和熔合线(必须做%G_:试验#它对熔合线试样的疲劳裂纹位置作了严格要求%以严格保证有效试样的疲劳裂纹准确位于试样熔合线上# 对焊缝和熔合线各做2个有效试样%共计S个试样的特征%G_:值都不小于/-46==为合格# 在2个有效的焊缝试样或熔合线试样中%若有特征%G_:值小于/-46==%则应当补做试验#在这种情况下%表4所定义的特征%G_:值%不小于 /-46==为合格# 表7!特征!%’,值有效试验的数目)个特征值 2#6 最低值 S#4/ 次低值 44#46 第三位最低值 !!注$所有的有效试验都应当包含在结果中%不允许丢弃任何有效试验的结果# !!还有一个海洋管线系统建造规范 :31J_!J K4/4 !4S"#它规定管线钢母材纵向&横向都应进行 %G_:试验*焊缝和热影响区均应进行 %G_:试验# =A9!通用钢结构建造规范挪威规范3&)(O#!"<’H<)HP4/4!4R"规定$钢板厚度超过6/==的焊接接头必须做%G_:试验* 若屈服强度超过6//PU<时%则钢板厚度大于2/ ==%其焊接接头就必须做%G_:试验#表.还给出了其他情况的规定%需要特别强调的是%该规范指出$如果%G_:值足够%则焊接接头可以免除焊后热处理# 该规范为一般的钢结构建造规范%但它被应用于海洋钢结构建造中!40"# 表8!焊接接头是否做!%’,试验的规定序号焊接接头母材的状况屈服强度#()PU< 钢板厚度’)== 钢材等级是否做%G_:试验 4 #(&6// #6/ ’级&(级做 . 5//&#(&6// #6/ )级做 2 #(&6// "6/ 9 由设计者决定 5 #(#6// #2/ 9 做 6 #(#6// &.6 9 不做 S #(&5// &5/ 9 不做 =A=!海洋钢结构规范主要规范是3!JA34/..6 !4Q"固定式海洋结构物焊接结构钢#其交货技术条件中规定46/==厚度以下的海洋结构钢板%如果没有宽板试验的数据% 就应当做%G_:试验%作为交货技术条件中的韧性数据# 在上述规范中%一般指明采用 8!R550进行 %G_:试验# :!!%’,试验技术在海洋钢结构中的用法海洋钢结构中%母材与焊接接头的韧性都必须保证#关于用%G_:试验检测船板&平台板的韧性问题%作者另有专文论述!./"#这里重点讨论用 %G_:试验控制海洋钢结构中焊接接头韧性的方法# 图2是用%G_:试验评定焊接工艺的一般流程#先编制拟采用的焊接工艺ULU!’U)#$,=,’<)F L#$H,’BU)&+#H*)#!;#+,>,+<",&’(%然后按ULU!焊接%G_:试板%制成试样后%进行%G_:评定试验# 如评定结果合格%拟用焊接工艺ULU!便成为正式的焊接工艺规范 LU!’L#$H,’BU)&+#H*)#!;#+,>,J +<",&’(*如评定结果不合格%就要调整修订ULU!% 再进行新一轮%G_:评定试验#ULU!的合格与否%是将所测得的%G_:特征值-与规定的焊接接头%G_:允许值-=,’进行比较%若-%-=,’为合格% 否则为不合格# !!下面从质量控制&提高生产效率&降低建造成本 2个方面介绍%G_:试验在海洋钢结构中的用法# /. 科研开发 !"##$%&’(")*+",&’-.//0!."#1&$-.2#3&-4/5 图2!%G_:评定焊接工艺流程 :A7!在控制质量方面就设计方而言#应该突破只要强度$刚度$稳定性足够就安全的观念#而应把结构韧性作为一个重要指标予以明确%鉴于国内有关规范没有明确的规定#可以借鉴国外的做法%对超过一定厚度的母材# 设计中应要求用%G_:试验抽查检验其低温韧性# 并给出验收值%对管节点等重要部位的焊接工艺# 其评定试验须包含%G_:试验#也应给出验收值# 或指定验收所用的!国际"规范% 应当指出#设计单位不宜采取变通的办法回避做%G_:试验#否则会留下安全隐患%例如按国际规范#板厚超过6/==的焊接接头#要做%G_:试验%如果为了回避做%G_:试验#在本来应该用大于6/==厚钢板的部位#改用厚度小于6/==的钢板#再焊接加强筋%这种方法不宜采用%事实上# 减薄钢板会影响结构整体刚度&加强筋的焊接又会加大结构焊接缺陷的风险% 确定一个合理的韧性值作为验收指标并不容易%如果韧性过低#影响结构的安全性和使用寿命& 韧性过高#将会加大成本%就母材而言#不少高韧性钢尚需从国外进口#成本较高%对焊接接头韧性要求过高#不仅造成材料的浪费#而且也增加结构焊接的技术难度#还会延长建造工期#这些都会增加成本%显然#合理控制钢板及焊接接头的韧性#是关系到海洋钢结构安全性与经济性的问题%一般来说# 首先是要确保结构在服役期间安全可靠%在这个前提下#来确定较低的韧性要求#以便于结构建造中比较容易实现#并降低建造成本%关于确定合理韧性值的问题#可参见文献’.4(% 就建造企业而言#应按设计要求#根据指定规范进行%G_:试验%工艺评定试验报告中必须有第三方签字的%G_:试验报告%评定的钢板厚度$接头形式和尺寸应能涵盖即将进行施工建造的所有焊接接头%监理方应该做好现场鉴证工作% 值得一提的是#作为焊接接头韧性检测技术# %G_:试验能够为改善焊接工艺提供有价值的信息% 例如#某焊接接头的%G_:试验’..(发现焊缝中心的特征%G_:值小于国际通用值#为分析原因#进行了扫描电镜观察和能谱分析#发现焊缝中有气泡$夹杂物$微裂纹#并检测到了硫元素#这为调整焊接工艺$ 改用焊接材料提供了方向和思路% :A8!在提高生产效率方面挪威钢结构建造规范中’4R(规定)若焊接接头韧性足够#可以免除焊后热处理%由于海洋钢结构尺寸较大#焊后热处理耗资费时%若能免除焊后热处理工序#则可节省大量人力物力#缩短建造工期#提高生产效率% 具体做法是在设计文件中对焊接接头韧性设定一个%G_:允许值!验收值"%施工方提前编制拟用焊接工艺ULU!#然后按ULU!焊接%G_:试板#进行%G_:试验%如试验合格#则ULU!就成为正式焊接工艺规范 LU!#直接用于建造施工#并且不用焊后热处理&如试验不合格#则修订ULU!# 再进行%G_:试验#直到合格%这种方法在海洋平台上已获多次应用’6#40#.2(#近期在KU!_建造中首次得到应用’.5(% 提高生产效率的另一条思路#可以用文献’6(作为例子%文献’6(评定的2个焊接工艺中#其中有两个工艺是为了比较而设计的#一个是单丝自动埋弧焊!ULU!.0号工艺"#另一个是双丝自动埋弧焊 !ULU!4Q号工艺"#它们的焊接材料$其他工艺参数相同%%G_:试验结果表明)这两项工艺的焊接接头的特征%G_:值非常接近#也就是韧度基本相同%但是#ULU!4Q号工艺的焊接效率要比ULU! .0号工艺高得多%因此#在导管架的建造中#选择采用ULU!4Q号工艺#提高了建造施工效率% :A9!在降低建造成本方面显然#用%G_:试验免除海洋钢结构焊后热处理可以大大降低成本%另一条用%G_:试验降低成本的思路是)在满足设计要求的前提下#调整焊接 4. 苗张木!等"海洋钢结构韧性问题与%G_:试验技术钢结构!.//0年第.期第.2卷总第4/5期! 材料以节省成本!海洋钢结构建造中焊接材料用量较大"节约成本的潜力也较大!实践中有时焊接接头的%G_:远大于设计要求!例如文献#6$中"在 Q/==厚钢板三项焊接工艺的焊接接头%G_:试验结果中"焊缝%G_:最小均值为/-60Q=="最大均值为4-46Q=="热影响区 %G_:最小均值为 /-6SS=="最大均值为/-Q05==!而设计要求为 /-.65=="应当说有较大的潜力来降低生产成本! D!结!语国际上%G_:试验技术已成为海洋钢结构设计建造的一项关键技术!而在国内"海洋钢结构韧性问题尚未得到足够的重视"非常令人担忧!希望发生在我国的渤海老.号海洋平台倒塌事故#.$不再重演!尽管厚钢板及焊接接头的%G_:试验技术已经成熟"但因其复杂性和专业性"海洋钢结构设计单位%建造企业和监理单位及相关技术人员对其了解不多"相应的标准化工作也十分紧迫!业内应加强交流%合作"共同努力"开展这方面的工作! 参考文献 4!苗张木- 厚钢板焊接接头韧性%G_:评定技术研究-武汉&武汉理工大学".//6 .!袁中立"李春-中外海工水工重大事故分析T石油科技论坛".//S ’5(&5.95R 2!郑学祥-船舶及海洋工程结构的断裂与疲劳分析T北京&海洋出版社"4Q00 5!78.S5Q94Q0Q!焊接接头机械性能试验取样方法 6!苗张木"陶德馨"吴卫国"等-裂纹尖端张开位移试验在导管架建造中的应用T武汉理工大学学报’交通科学版(".//S"2/’.(& 24092.4 S!肖纪美-金属的韧性与韧化-上海&上海科学技术出版社"4Q0/ R!陈伯蠡-焊接工程缺欠分析与对策- 北京&机械工业出版社" .//S 0!78)G.260*4QQ5!金属材料裂纹尖端张开位移试验方法 Q!8),",(@!"<’H<)H\’(","*",&’-8!R550&U<)"4&4QQ4- P#"@&H>&) :#"#)=,’<",&’&>:\%%%),",+<$%G_:<’H%),",+<$b1<$*#(&> P#"<$$,+P<"#),<$( 4/8),",(@!"<’H<)H\’(","*",&’-8!R550&U<)".&4QQR- P#"@&H>&) :#"#)=,’<",&’&>:\%%%),",+<$%G_:<’H%),",+<$b1<$*#(&> L#$H(,’P#"<$$,+P<"#),<$( 448),",(@!"<’H<)H\’(","*",&’-8!R550&U<)"5&4QQR- P#"@&H(>&) :#"#)=,’<",&’&>K)<+"*)#e#(,("<’+#%*)E#(<’H\’,",<",&’1<$J *#(>&)!"&)%)<+OJG,;_J ;#’,’B:,(;$<+#=#’"’%G_:(K)<+"*)#G&*B@’#((P#<(*)#=#’" 42 :#" 3&)(O# 1#),"<(T_>>(@&)#!"<’H<)H:31J_!J%4/4J.//5& :#(,B’&>_>>(@&)#!"##$!")*+"*)#("7#’#)<$’deK:P#"@&H( 45 :#" 3&)(O# 1#),"<(T_>>(@&)#!"<’H<)H:31J_!J%./4J.//6& !")*+"*)<$:#(,B’&>_>>(@&)#D’,"(’L!:P#"@&H( 46 :#" 3&)(O# 1#),"<(T_>>(@&)#!"<’H<)H:31J_!J%5/4J.//5& K_>>(@&)#!")*+"*)#( 4S :#" 3&)(O# 1#),"<(T_>>(@&)#!"<’H<)H:31J_!JK4/4J.///& !*N=<),’#U,;#$,’#!F("#=( 4R3&)(O#!"<’H<)HP4/4J.///!!")*+"*)<$!"##$K&)_>>(@&)#!")*+"*)#(JG#+@’,+<$:#$,E#)F%&’H,",&’( ./ 苗张木"陈庆林"邹瑞玲"等-GP%U钢 A5/Jl26厚钢板低温 %G_:韧性试验-轧钢".//R’6(&495 .4 苗张木"陶德馨"杨荣英-焊接接头韧度%G_:评定的适用性与允许值研究T机械强度".//S".0’4(&46/9466 .. 苗张木"吴卫国"陶德馨"等- 钢箱梁焊接接头%G_:断裂韧性评定T焊接学报".//S’5(&RR90/ .2 许文兵-裂纹尖端张开位移试验在平台建造中的应用T中国海洋平台"4QQQ’6(&4/945 .5 苗张木"曹锦"马涛"等-KU!_模块支墩焊接接头低温%G_:韧度试验研究T中国造船".//R’2(& ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, R29RQ 渤船重工高技术项目通过验收渤海船舶重工有限公司技术中心承担的!高技术"高附加值船舶研发平台建设项目#于.//R年4.月.6 日通过了专家验收$ 项目围绕先进船舶设计制造能力的提升%在现有船舶设计分析条件基础上%通过购置3?U?稳性及破舱稳性计算软件"L\3:%f\dd设计管理软件"轴孔光学检测仪%建设了船舶设计和性能分析实验室%使该企业初步具备了自主设计豪华客船"2/万"以上超大型油轮&1d%%’"液化石油气船&dU7’等船舶的能力% 提升了企业新船型开发"设计水平和效率%为我国高技术"高附加值船舶的开发奠定了基础$ 国家发改委于.//6年将该项目列入国家高技术产业发展项目计划及国家资金补助计划%旨在通过项目的实施%提高我国高技术"高附加值船舶的设计研发能力%为我国船舶工业的产业升级奠定基础$ 坐落于辽宁葫芦岛港的渤船重工为中国船舶重工集团公司所属骨干企业%是我国集造船"修船"钢结构加工"冶金设备和大型水电设备制造为一体的国家级重大技术装备国产化研制基地$ .. 科研开发

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