超高强钢焊接接头CTOD评定的概率方法＊

冷晓畅 陈 刚 马 涛 刘占国 苗张木

（武汉理工大学交通学院1） 武汉 430063） （上海外高桥造船有限公司2） 上海 200137）

0 引 言

从20世纪40年代起，世界多个国家先后发生大型焊接结构的脆性破坏事故.焊接结构的韧度问题引起世界各国的高度重视.近年来，海洋石油开发的重点不断向深海转移，跨海大桥也不断向深水区域延伸，跨度越来越大.海洋平台与跨海大桥等海洋结构趋于大型化和高强化.大尺寸高强钢的焊接对焊接技术提出了更高的要求.大尺寸高强钢焊接接头的韧度问题更加突出［1］.

本文对某大型结构的焊接接头进行了低温（－10℃）CTOD韧度试验，并对其进行了韧度评定.评定中，针对超高强钢焊接接头CTOD值离散性大的特点，提出了CTOD韧度评定的概率方法.同时，还综合考虑了CTOD试验结果与焊接接头的金相组织特征，对超高强钢焊接接头的CTOD允许值提出了新的观点和建议.为超高强钢焊接接头的CTOD韧度评定开拓了新的思路.

1 焊接接头的CTOD试验

1.1 焊接材料与焊接工艺

母材为EQ70，板厚60mm.由日本住友金属工业株式会社鹿岛制铁所提供，供货状态为调质态.焊材是由美国Lincoln Smitweld B.V.公司提供的Conarc 80焊条，等级为AWS A5.5：E11018M－H4.母材及焊条的化学成分见表1.

表1 母材与焊条的化学成分（质量分数）

焊接接头的形式为对接焊缝，等角K形坡口.K形坡口的直角边垂直于试板平面.采用手工电弧焊进行多层多道焊接.预热温度70℃，焊后保温（210～230℃）／1h.分别采用2种不同焊接工艺参数（A，B）焊成2批焊接接头，焊接工艺参数A、B均见表2.

表2 焊接工艺参数A，B

CTOD试样包括熔合线试样与焊缝中心试样两种类型.其中，工艺参数A下熔合线试样及焊缝中心试样均为3个，工艺参数B下熔合线试样及焊缝中心试样分别为7个和6个.

1.2 试验过程与试验结果

CTOD试验采用直三点弯曲试样.试样截面采用2B×B型.切口取向为NP方向.其中，N为垂直于焊缝方向，P为平行于焊缝方向.机械加工后，标准试样的实际厚度为52mm.熔合线与焊缝中心处的屈服强度σs、弹性模量E及泊松比μ均按照规范《金属材料室温拉伸试验方法》［2］由试验测得.试验结果见表3.

表3 熔合线与焊缝中心处的屈服强度与弹性常数

试样制备、疲劳裂纹预制及试验过程均严格按照规范 BS7448Part1［3］与 BS7448Part2［4］进行.CTOD值δ按照下式计算

式中：δ为裂纹尖端张开位移（CTOD）；F为施加载荷；S为试样跨度；B为试样厚度；W 为试样宽度；a0为预制疲劳裂纹长度；f为三点弯曲试样a0／W 的函数；μ为泊松比；E为弹性模量；σs为材料的屈服强度；VP由F－V曲线图测得；Z为刀口厚度（本文试验取Z＝0）.

CTOD试验结果见表4.

按照规范BS7448Part2与Offshore Standard DNV－OS－C401对CTOD试样进行有效性检验.检验结果为全部有效.

表4 焊接工艺A，B焊接接头试样的CTOD值

2 焊接接头CTOD值的离散性

表4中最大的CTOD值为0.248mm，最小值仅为0.049mm.整体来看，CTOD值具有明显的离散性.为了对其离散性进行量化并便于比较，分别计算了各组试样的均值、标准差及离散系数.其中离散系数为标准差与均值的比值，表征了离散性的大小.统计结果见表5.

表5 各组试样CTOD值的统计结果

本试验所依据的规范中只对焊接接头CTOD试样取样数量作了一般规定，而没有对熔合线试样与焊缝中心试样作分别的讨论.由表5知，熔合线试样与焊缝中心试样CTOD值的离散系数明显不同，前者约是后者的2倍.因此，两种试样取相同数量的做法是不科学的.对于离散性更大的熔合线试样，取样数量应比焊缝中心试样的更多.

3 CTOD韧度评定的概率方法

CTOD韧度评定时，若实测的CTOD值不小于允许值，视为合格.但当CTOD值的离散性较大时，若用最小CTOD实测值和允许值比较，有可能造成焊接接头的韧度储备过高，虽然安全，却不经济；若用试验测得的平均CTOD值和允许值比较，虽然经济，但安全系数却降低了.利用概率方法进行评定，可以更合理地协调安全性与经济性［5］.

所谓CTOD韧度评定的概率方法，即将一组实测CTOD值的均值与允许值比较，当均值不小于允许值时，将允许值作为某个置信水平的置信区间下限值，在该置信水平下，视为合格.置信水平由设计生产的实际需要确定.

文献［6］假设X65管线钢焊接接头的CTOD值近似服从正态分布，并通过柯尔莫哥洛夫－斯米尔诺夫检验方法，证明了假设是合理的.按照该检验方法，对本文中的CTOD值进行检验，发现EQ70海洋结构用钢的焊接接头CTOD值也服从正态分布.

对于本文试验，假设取CTOD允许值为0.10 mm.按照上述概率方法进行评定.以工艺B熔合线试样为例.其均值为0.126mm＞0.10mm.取允许值0.10mm为某置信水平的置信区间下限值，则置信区间为（0.100，0.152）.置信水平按照下式计算

式中：¯X为样本均值；σ为样本标准差；n为样本数量；α为标准正态分布的上分位点（在zα／2已知时，可查表求得）；为实测CTOD值的均值；δmin为CTOD允许值.

经计算得，α＝0.27.故实测CTOD值落在该置信区间的置信水平为1－α＝73%.根据标准正态分布的对称性特点，该置信区间以外，有一半分布在该置信区间上限值以上区间.也即该置信区间以外的一半分布在允许值δmin以上.因此，CTOD实测值分布在允许值以上区间的置信水平为（1－α）＋α／2，即1－α／2.所以，在要求置信水平不低于1－α／2＝86.5%时，该组试样为合格.CTOD韧度评定的概率方法见图1.

图1 概率方法评定原理

采用概率方法对表4中4组CTOD值进行评定，结果见表6.

表6 CTOD评定合格的置信水平

由于工艺A焊缝中心试样CTOD值的均值小于允许值0.10mm，故不进行概率计算.为了评价焊接工艺，需综合考虑焊接接头的熔合线试样与焊缝中心试样.由此可见，按照概率方法对该焊接接头进行CTOD韧度评定的结果为：工艺A焊接接头的熔合线试样在要求置信水平不高于94.6%时，为合格，工艺B焊接接头的熔合线和焊缝中心试样在要求置信水平分别不高于86.5%和98.9%时，为合格.

4 CTOD允许值的确定

用CTOD韧度指标评价焊接接头时，首先要确定一个CTOD允许值，然后将试验测得值与允许值进行比较.若实测值不小于允许值，则可视为合格，或认为具有足够的韧度.国际上已较多运用CTOD试验评定焊接接头的韧度，并在有关规范中明确规定了焊接接头CTOD允许值δmin.但各国规范给出的CTOD允许值并不一致.英国规范BS6235要求按BS6493方法计算焊接接头的δmin.例如对板厚为50mm，屈服点强度值为360 MPa的钢，若设计应力为屈服点强度值的1／2，应力集中系数为2时，计算得出焊态下的δmin为0.24mm.挪威规范Offshore Standard DNV－OSC401给出的焊接接头δmin为0.15mm.甚至有些国际规范没有明确给出δmin，国内有关规范也较少规定焊接接头的δmin.

在工程应用中，首先确定焊接接头的CTOD允许值δmin，对于CTOD韧度评定是十分重要的.以上试验结果表明，不管是按照英国规范给出的δmin，还是按照挪威规范给出的δmin，对这2种焊接接头进行CTOD韧度评价时，韧度都较低.

为了寻找这两种焊接接头韧度较低的原因，对这两种焊接接头进行了金相试验.发现这两种焊接接头的正火区、过热区及焊缝区组织均为韧塑性良好的回火索氏体、回火贝氏体或针状铁素体组织.金相照片见图2.

为什么韧性良好的组织的CTOD值还是不能满足以上两种规范的要求呢？考虑到以上规范制定年代较早，一般以360～460MPa的普通高强钢为对象.而本文中的钢板及焊接接头的屈服强度均超过了700MPa.建造企业及钢板生产企业均表示，已有近30a没有遇到对这种级别的超高强钢进行CTOD韧度试验和评定.因此，以上规范给出的CTOD允许值δmin，在对这种超高强钢进行CTOD韧度评定时，可能存在一定的局限性.建议对这种屈服强度在700MPa以上的高强钢进行CTOD韧度评定时，CTOD允许值δmin应适当降低.

文献［7］利用结构应力集中区域产生脆性断裂的研究结果，提出了CTOD允许值的计算公式，并指出冰冷海域使用的结构材料该值达到0.10mm以上即可.本试验中绝大部分试样的CTOD值都在0.10mm以上.参照本文的试验结果及焊接接头的金相组织特征，建议屈服强度在700MPa以上的超高强钢厚板焊接接头的CTOD允许值δmin可以取0.10mm.

图2 焊接工艺A，B焊接接头各区域金相组织

5 结 论

1）对CTOD试验结果的统计分析表明，焊接接头CTOD值存在明显的离散性，且熔合线试样CTOD值的离散系数约是焊缝中心试样的2倍.建议熔合线试样取样数量应比焊缝中心的稍多.

2）提出CTOD韧度评定的概率方法.认为CTOD韧度评定单一依靠有限样本CTOD值的方法，存在一定的局限性.通过有限样本CTOD值服从的分布规律，利用置信水平评价整体样本的合格程度更为科学.

3）结合高强钢焊接接头的组织特征及CTOD值的统计规律，提出了适用于700MPa以上超高强钢焊接接头的CTOD允许值.将CTOD允许值的确定与焊接接头的强度级别联系起来.不同强度级别焊接接头的CTOD值应区别对待.这种观点突破现有规范中统一取值的局限性.同时也是对CTOD韧度评定技术的一种细化.

4）运用概率方法对EQ70（60mm）焊接接头进行CTOD韧度评定.评定结果为：工艺A焊接接头的熔合线试样在要求置信水平不高于94.6%时，为合格，工艺B焊接接头的熔合线和焊缝中心试样在要求置信水平分别不高于86.5%和98.9%时，为合格.

5）本文中超高强钢焊接接头CTOD试验值的概率评定是基于正态分布的，而超高强钢焊接接头CTOD试验值的分散性很大，试验测得值并不仅仅服从正态分布，运用单一的正态分布不能全面的评定其试验值，还需要考虑其他的分布规律.同时在评定试验结果时存在一定的概率范围，工程中多大概率满足需求还需要进一步讨论.

6）超高强钢焊接接头的韧度往往比普通高强钢焊接接头的韧度更低.但焊接接头的韧度与屈服强度存在怎样的数学关系，还不明确.那么对于700MPa以上等级的超高强钢，CTOD允许值究竟应该取多大？本文只针对EQ70（60mm）焊接接头的CTOD值与微观组织特征，提出屈服强度在700MPa以上的超高强钢厚板焊接接头的CTOD允许值δmin可以取0.10mm.对于与本文中同强度等级的其他超高强钢种，以及比本文更高强度等级的超高强钢种，0.10mm是否还适用还需进行更多的试验来确定.

［1］余 立，苗张木，马 涛，冷晓畅.海洋工程用钢疲劳寿命与CTOD值关系的研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（2）：323－327.

［2］中国国家质量监督检验总局.金属材料室温拉伸试验方法GB／T228－2002［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［3］ British Standard Institution.BS7448Part1：1991.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］.British Standard Institution，1991.

［4］British Standard Institution.BS7448Part2：1997.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials［S］.British Standard Institution，1997.

［5］ Det Norske Veritas.Offshore Standard DNV－OSC401：Fabrication and Testing of Offshore Structures［S］.Det Norske Veritas，2008.

［6］金晓军，霍立兴，张玉凤，李晓巍，曹 军.X65管线钢焊缝金属断裂韧度的统计分布研究［J］.焊管，2003，26（1）：11－14.

［7］矢岛浩，多田益男，梶本勝也，縄田卓生，野田俊介.大型构造物の损伤例とその教训［J］.西部造船会会报，1986（72）：335－229.