不同强度匹配10CrNi3MoV船体钢焊接结构的安全评定

孙 吉，桂赤斌，陈文君

（1海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033；2华中科技大学 材料科学与工程学院，武汉 430074）

1 引 言

焊接是造船过程中极为关键的环节。对于高强钢船体，非常微小的焊接缺陷都可能导致极为严重的宏观破坏[1]，因此对焊接结构进行科学的安全评定具有重要的研究意义。

将焊缝与母材的屈服强度分别记为σyW与σyB，依据二者比值“接头匹配系数”M=σyW/σyB的大小，可将接头分为不同类型。M＜1时称为“低匹配”，M＞1时称为“高匹配”。当σyW与σyB相差很小（10%以内），0.9≤M≤1.1时，也可大致称为“等匹配”[2-3]。研究发现，接头匹配关系对焊接结构的使用性能影响显著。但在具体焊接工程中究竟哪种匹配方案最佳，长期以来存在着不同看法。

为了建立统一的安全评定标准，欧洲委员会于1999年完成了“欧洲工业结构完整性评定程序”，简称“SINTAP”[4]。本文基于此标准，对高强船体钢的不同匹配含缺陷焊接接头进行安全评定。

2 SINTAP评定标准

2.1 SINTAP评定等级的选择

SINTAP可以同时考核结构对脆性断裂及塑性失稳两种破坏模式的抵抗能力，它提供了失效评定图FAD和裂纹推动力CDF两种分析方法。本文采用前者，其关键在于失效评定曲线f（ Lr）的建立与评定点坐标（Lr,Kr）的计算。FAD图由曲线f（ Lr）与截止线Lr=围成，若评定点（Lr,Kr）落于图中安全区，则判定结构安全。图中横纵坐标均无量纲，分别称为“塑性失稳比”与“脆性断裂比”。

根据评定对象的具体情况及资料数据的完备程度，SINTAP方法分为7个评定等级，划分细致、精度较高。根据实际需要，本文可选择第1、2级评定。

2.2 第1级评定曲线方程

第1级评定用于焊接接头不匹配程度小于10%，大致上“等匹配”的场合。在这种情况下，可将接头视为均质材料。

根据材料拉伸时有无出现屈服平台，第1级评定曲线分3种情形。本研究所涉及的母材与焊缝均有屈服平台。故将评定曲线f（ Lr）分为三段，表达式如下:

式中:λ=1+EΔε/σy，E为弹性模量，本文中焊缝与母材的弹性模量统一取为 2.06×105MPa；Δε为屈服平台长度，按 Δε=0.0375（ 1-σy/1000）估算；N为应变硬化指数，按N=0.3（ 1- σy/σu）估算，σu为材料的抗拉强度。

另有FAD图中截止线表达式，

2.3 第2级评定曲线方程

第2级评定适用于接头不匹配程度大于10%的场合，其评定曲线f（Lr）与（1）式基本相同，只将其中λ换为λM，N换为NM。二者计算式为:

式中下标M代表接头。FyM为接头屈服极限；FyB为假定此结构为纯母材时的屈服极限。SINTAP提供了不同场合下FyM/FyB的计算方法。

另有截止线表达式，

3 试验材料、方法与结果

母材为武钢生产的10CrNi3MoV连铸钢板，取6块钢板与强度级别不同的3种焊条，经手弧焊对接得到3副焊接试板，分别记为1#、2#和3#。

焊接工艺参数如下:电压23～25 V，电流150～170 A，焊速20 cm/min；正面焊5层，反面碳弧气刨清根之后再焊3层，从而形成大致的X型坡口。每一面的一二层采取单道焊接，其余每层双道，道温控制在100～120℃。

接头及外载形式如图1所示。每块钢板尺寸统一取为 400 mm（2W）×150 mm（L/2）×20 mm（B）。

3.1 拉伸试验

为了获得焊缝与母材各自的强度水平，依据国标“GB/T 228-2002”与“GB/T 2652-2008”完成了拉伸试验，结果列于表1。

图1 焊接接头与外载示意图Fig.1 Sketch of the weld joint and the load

表1 焊缝和母材的拉伸试验结果Tab.1 Results of tensile tests

表2 焊接接头CTOD临界（δ）值Tab.2 CTOD critical values of joints

根据表1，依次将3副对接板的接头匹配类型分别称为低匹配、等匹配与高匹配。

3.2 CTOD试验

为了表征接头的断裂韧度，依据国标“GB/T 21143-2007”完成了“裂纹尖端张开位移（CTOD）”试验。制备试样类型为 SE（B），尺寸统一取为 18 mm×36 mm×170 mm，预制疲劳裂纹均取在焊缝中心，试验温度为-20℃。试验结果列于表2。

取试验结果中的最小值，则3副试板焊缝的CTOD临界值分别为0.137 mm、0.192 mm、0.125 mm。可见3者的断裂韧度水平相差不大，有利于本文的对比研究。

4 安全评定

4.1 建立失效评定图

根据2.2与2.3节的方程式，由表1中试验数据可分别作出3副试板的FAD图。发现依据SINTAP第1、2级评定方法作出的FAD图形状基本相同，不同匹配条件对其影响很小。

4.2 确定评定点坐标

Lr代表结构趋于塑性失效的程度，计算式为:

式中P为结构承受的外载，P0为接头塑性失稳载荷。根据承载过程中材料屈服的先后顺序，P0可分别取为焊缝或母材的屈服强度[5-6]。按照《舰船通用规范》中船体结构第一类构件总纵强度校核衡准，将结构设计应力取为σmax≤[]σ =0.38σs，此处 σs为母材屈服强度。 因此取 P=0.38σs=238 MPa。

Kr表征结构趋于脆性断裂的程度，SINTAP提供的Kr的表达式为:

参照矢岛浩等人[7]的研究，取定焊缝中拉伸残余应力系数0.3，即残余应力值为σR=0.3σyB。采用CTOD试验的δ值作断裂韧度参量δmat[8]，则有:

式中δ1与δ2分别为结构在外加载荷及残余应力作用下的CTOD值[9]。

式中a为结构中裂纹半长。为了合理对比，根据日本NK规范提供的经验标准，对3种匹配的船体钢板焊接接头，统一假设焊缝中心存在2a=70 mm长裂纹。

结合试验数据，联立方程式（8）-（12），可得到 3 组评定点坐标Lr与Kr值，列于表 3。

表3 评定点纵坐标值Tab.3 Results of Lr&Kr

5 评定结果与分析

根据上面的分析计算，分别作出3副试板各自的安全评定图，如图2-4所示。

图2 低匹配接头安全评定结果Fig.2 Assessment of 1#joint

图3 等匹配接头安全评定结果Fig.3 Assessment of 2#joint

图4 高匹配接头安全评定结果Fig.4 Assessment of 3#joint

由图2-4对比分析可以看出，在本研究中，虽然10CrNi3MoV钢焊接接头各种匹配的评定点均落在安全区内，但相比等匹配与高匹配来说，低匹配接头的安全裕度有所降低。

对于不匹配焊接接头的安全评定来说，SINTAP方法FAD图中评定点的横坐标Lr主要由材料的屈服强度决定；而纵坐标Kr则由材料的韧度决定。对比图2与图3、4，低匹配接头的Lr与Kr均比等匹配与高匹配高，说明低匹配接头的塑性失稳的抵抗能力与抗脆断能力均不如等匹配与高匹配接头；而对比图3与图4可以明显看出，等匹配与高匹配接头评定点的Lr值相等，说明二者对塑性失稳的抵抗能力基本相同；但等匹配接头评定点的纵坐标Kr小于高匹配接头，说明前者抗脆断能力优于后者。因此，尽可能实现接头等匹配，将进一步提高结构的安全裕度。

6 结 论

应用SINTAP方法对10CrNi3MoV船体钢不同强度匹配的焊接接头进行了安全评定，结论如下:

（1）依据SINTAP第1、2级评定方法作出的FAD图基本相同，不同匹配条件对其影响很小。

（2）10CrNi3MoV船体钢焊接接头，在强度分别为低匹配、等匹配与高匹配的情况下，焊缝中心如存在70 mm长裂纹，在正常服役条件下，结构仍是安全的。

（3）在接头韧度水平相似的试验情形下，低匹配接头对塑性失稳及脆性断裂的抵抗能力均稍差；试验中，焊缝强度稍高于母材的等匹配安全性能最优。

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