焊接线能量对海洋平台用钢断裂韧性的影响

杜丽影 邱保文 薛 欢 刘 冬 彭志英 余 立

(武汉钢铁(集团)研究院 湖北 武汉：430080)

焊接线能量对海洋平台用钢断裂韧性的影响

杜丽影 邱保文 薛 欢 刘 冬 彭志英 余 立

(武汉钢铁(集团)研究院 湖北 武汉：430080)

依据BS7448试验标准研究了焊接线能量分别为8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm对DH36海洋平台用钢焊接接头中焊缝、粗晶粒热影响区、过渡热影响区和亚过渡热影响区断裂韧度的影响。结果表明：随着焊接线能量的增加，焊接接头CTOD值有降低的趋势。焊缝的CTOD值低于热影响区的CTOD值，粗晶粒热影响区的断裂韧度低于过渡和亚过渡热影响区的断裂韧度。

焊接线能量；焊接接头；CTOD值

随着海洋石油和天然气的开发，海洋平台工程得到迅猛发展，并趋于深水化、大型化，这将对厚规格海洋平台用钢的需求越来越大。海洋平台在设计和制造中大量采用焊接连接，因此，结构件焊接接头在海水环境下的耐低温断裂韧性特别重要。

裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement，CTOD)，指裂纹体承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，能有效准确地评价材料的抗脆断能力。通过CTOD试验不仅可以评价材料的韧性，还可以优化焊接工艺，并为评定海洋平台安全可靠性提供数据。CTOD断裂试验已在欧美、日本等发达国家的海洋平台生产建造中得到广泛应用[1-3]。

为了有效、全面评定海洋平台用钢焊接接头的韧性，本文对DH36海洋平台用钢焊接接头不同区域进行了0℃低温断裂韧度试验，分析了不同焊接线能量对其性能的影响。

1 试验材料制备

试验用材为DH36，全板厚60mm。对于同一种材料来说，取不同厚度的试样测得的CTOD值是不尽相同的。一般来说，所取厚度越大，CTOD值就越小。因此，为使CTOD值能准确反映钢板的整体韧性，试样厚度应尽可能接近原始钢板的厚度，即所谓全厚度试样。但由于试验设备能力有限，本文采用如图1所示的试样尺寸图。

图1 试样加工图

对于CTOD试样的平行度、垂直度和表面粗糙度必须满足加工图1的要求。先将原材料进行平面切削加工，再用磨床进行磨削。磨削时应注意保护试样表面，避免留下划痕。用电火花线切割加工试样缺口，裂纹尖端部分用直径为0.12 mm 的钼丝切割，这样能防止预制疲劳裂纹时裂纹发生分叉。

2 焊接工艺

根据目前我国使用的海洋平台用钢标准EN 10225-2009和API RP 2Z：2005规范中要求，本文对焊接线能量分别为8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm下，焊接接头不同部位的CTOD值进行测试，焊接接头示意图如图2所示。

图2 焊接接头各区示意图

焊接工艺采用对接焊缝，等角K型坡口，其加工试样如图3所示。

图3 K型坡口焊接样加工图

3 试验过程

试验依据英国焊接研究所提出的试验标准BS7448[4-5]，在MTS 810试验机上预制疲劳裂纹，按照a0/W=0.50控制裂纹初始长度，加载比为0.4，频率f=25Hz，预制疲劳裂纹区长度为2mm。CTOD测试在岛津AG-IS 100kN电子万能试验机上进行，并将COD规安装到试样的线切割裂纹嘴上，记录材料的P-V曲线。试样放在环境箱内，利用液氮降温，在0℃下保温20分钟以上，使试样内部与表面温度一致，温度始终控制在±2℃。

4 试验结果与分析

线能量为8kJ/cm埋弧焊接工艺，其得到的测试结果如表1所示。δm指对于全塑性变形的第一个最大力平台对应的CTOD值；δu指材料在稳定裂纹扩展中伴有脆性失稳的CTOD值，即稳定裂纹扩展量△a>0.2mm时的脆性失稳断裂点或突进点所对应的CTOD值。

由表1可知，线能量为8kJ/cm埋弧焊接试样，其焊缝部位的CTOD值均在0.3-0.4mm之间；粗晶粒热影响区的CTOD值均大于0.5mm，更有达到1mm以上；亚过渡热影响区和过渡热影响区的CTOD值均大于1mm，这两个区域的值大小相当。

材料在CTOD值测试过程中，试样8-1、8-2、81-3、81-6的P-V曲线都出现了如图4所示的失稳断裂情况，这使材料的CTOD值偏低。材料在失稳断裂前稳定裂纹扩展量大于0.2mm，因此测出值是材料的δu值。

失稳断裂材料的宏观断口形貌如图5所示，从图5中可以看出，裂纹起裂扩展前缘附近有明显的脆性裂纹扩展特征，此后裂纹止住，断口表现出较大的塑性变形，这说明在焊缝和热影响区仍不可避免存在局部脆性粗晶区，这将导致裂纹局部脆性扩展。但对整个焊接接头来说，局部脆性区并不意味着焊接接头整体韧性低，如果局部脆性粗晶区周围的材料具有较好的止裂特性，同样可以保证焊接接头的安全性。

图5 失稳断裂试样的裂纹前缘形貌

线能量为30kJ/cm埋弧焊接工艺，其得到的测试结果如表2所示。

表2 焊接线能量为30kJ/cm的CTOD特征值

在该焊接线能量下，焊缝和热影响区都没有出现失稳断裂现象，测得材料的CTOD特征值均是δm值。其焊缝部位的δm值在0.3～0.4mm之间；粗晶粒热影响区的δm值均大于0.7mm；亚过渡热影响区和过渡热影响区的δm值均大于1.0mm。

线能量为45kJ/cm埋弧焊接工艺，其得到的测试结果如表3所示。

表3 焊接线能量为45kJ/cm的CTOD特征值

在该焊接线能量下，焊缝和热影响区都没有出现失稳断裂现象，测得材料的CTOD特征值均是δm值。其焊缝部位的δm值在0.3-0.5mm之间；粗晶粒热影响区的δm值波动大，高低不均匀；亚过渡热影响区和过渡热影响区的δm值均大于0.8mm。

图6 不同焊接线能量下焊接接头CTOD值的变化

不同焊接线能量对焊接接头CTOD值的影响如图6所示。从图6中得出，随着线能量的增加，焊接接头的CTOD值有下降的趋势，但变化不大。特别是焊缝区，CTOD值都在0.3mm～0.5mm之间，热影响区CTOD平均值都大于0.8mm。由于焊接接头内部残余应力较大，热影响区区域很窄，难以精确界定，因此热影响区的CTOD值离散性较大。

5 结论

本文将DH36海洋平台用钢焊接接头细分为焊缝、粗晶粒热影响区、过渡热影响区和亚过渡热影响区，依据BS7448试验标准研究了焊接线能量分别为8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm对各区域CTOD值的影响。结果表明：随着焊接线能量的增加，焊接接头CTOD值有降低的趋势。焊缝的CTOD值低于热影响区的CTOD值，粗晶粒热影响区的断裂韧度低于过渡和亚过渡热影响区的断裂韧度。又由于热影响区区域狭窄，难以精确界定每个区域，因此其断裂韧度CTOD值的离散性较大。

[1] 杨新岐，王东坡,等.海洋石油平台焊接接头大型CTOD试验[J].焊接学报.,2002,23(4):48-50.

[2] 虞维明,周岳银,陈秀妹.海洋平台的建造与维修[M].北京：海洋出版社,1992,78-165.

[3] 孔祥鼎,夏炳仁.海洋平台建造工艺[M].北京：人民交通出版社，1993,22-68.

[4] BS 7448：Part 1:1991, Fracture mechanics toughness tests. Part 1. Method for determination of KIC, critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[5] BS 7448：Part 2:1997, Fracture mechanics toughness tests. Part 2. Method for determination of KIC, critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

(责任编辑：李文英)

Effect of Welding Heat Input on Offshore Platform Steel Fracture Toughness

DU Liying QIU Baowen XUE Huan LIU Dong PENG Zhiying YU Li

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

The effect of welding heat input 8kJ/cm、30kJ/cm、45kJ/cm on fracture toughness of welded joint including Weld metal、CGHAZ、ICHAZ、SCHAZ used for offshore platform was studied according to BS7448 criterion. The result showed that the CTOD values of welded joint decreased with the increase of welding heat input, the values of CTOD for welded seam was lower than CTOD values of HAZ, and that the fracture toughness of CGHAZ was lower than that of the fracture toughness of ICHAZ and SCHAZ.

welding heat input; welded joint; CTOD value

2015-01-29

杜丽影(1982～)，女，在读博士，工程师.E-mail:duliying_821012@163.com

TG404

A

1671-3524(2015)02-0024-03