1. 成果特點(diǎn)
1．CTOD檢測(cè)評(píng)定厚鋼板焊接質(zhì)量時(shí)，可以按整個(gè)焊接接頭的厚度取樣，來制作檢測(cè)試樣。這樣，能夠保存結(jié)構(gòu)原始尺寸的影響，真實(shí)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的焊接條件。其檢測(cè)得到的質(zhì)量指標(biāo)能反映整個(gè)焊接接頭的質(zhì)量，具有整體性，準(zhǔn)確、安全、可靠。夏比沖擊試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)定厚鋼板焊接質(zhì)量時(shí)，所得結(jié)果偏于危險(xiǎn)，會(huì)在結(jié)構(gòu)中留下安全隱患。
2. 本項(xiàng)技術(shù)在制備檢測(cè)試樣時(shí)，采用新的制備方法 “高K 比法”。這種方法不需要對(duì)焊縫進(jìn)行常規(guī)的預(yù)先處理。因此，比國際上現(xiàn)有的CTOD檢測(cè)技術(shù)具有更高的精度，更快的檢測(cè)速度。
3. 本項(xiàng)技術(shù)提出了“雙引伸計(jì)檢測(cè)法”，可以在一個(gè)檢測(cè)試樣上同時(shí)進(jìn)行CTOD檢測(cè)和J積分檢測(cè)，即在一個(gè)試樣上同時(shí)進(jìn)行兩項(xiàng)檢測(cè)，同時(shí)得到焊接質(zhì)量的兩個(gè)指標(biāo)值，可以互相比較驗(yàn)證，使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠。
2. 主要應(yīng)用領(lǐng)域
1. 船舶、海洋工程制造業(yè)
1）高強(qiáng)船板、海洋平臺(tái)板的焊接性能檢測(cè)評(píng)定。
2）各種焊接工藝評(píng)定：指導(dǎo)選用焊接材料，調(diào)整、優(yōu)化焊接工藝。
3）大型海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船（FPSO）的斷裂與安全性評(píng)估。
2. 軍事工業(yè)
坦克、艦艇、航空母艦等所用厚鋼板焊接質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)定。
3. 橋梁建造業(yè)、建筑業(yè)、水電核電等工程所用厚鋼板焊接質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定。
4. 壓力容器、空分設(shè)備（低溫鋼）等焊接質(zhì)量檢測(cè)。
3. 研究單位及成果聯(lián)系人
研究單位：武漢理工大學(xué)
聯(lián)系人：苗張木
電話/傳真：027 86550094
手 機(jī)： 13545053579
厚鋼板焊接質(zhì)量的CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)
成 果 簡 介
一.前言
焊接結(jié)構(gòu)破壞大部分是從焊接接頭開始的。薄鋼板焊接質(zhì)量檢測(cè)，國內(nèi)已經(jīng)有成熟方法和有關(guān)規(guī)范，如GB2649-2655（1989）等。但是，厚鋼板焊接接頭內(nèi)部，比薄鋼板容易產(chǎn)生更多的夾雜、氣孔等焊接缺陷，成為結(jié)構(gòu)安全的隱患。國際上，工業(yè)發(fā)達(dá)國家在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)，來檢驗(yàn)厚鋼板焊接質(zhì)量。例如 “鋼結(jié)構(gòu)建造「1」”規(guī)范要求鋼板厚度超過50毫米的焊接接頭，必須做CTOD檢測(cè)試驗(yàn)。“海洋結(jié)構(gòu)物建造和試驗(yàn)「2」”規(guī)范規(guī)定屈服強(qiáng)度超過350MPa的鋼板，其焊接接頭必須做CTOD檢測(cè)試驗(yàn)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)“固定式海洋結(jié)構(gòu)物焊接結(jié)構(gòu)鋼(交貨技術(shù)條件)「3」”規(guī)定對(duì)厚度為100-150mm的鋼板母材，也要做CTOD檢測(cè)試驗(yàn)。
CTOD是英文名稱Crack Tip Opening Displacement的首字母縮寫，中文稱為裂紋尖端張開位移「4」,指的是裂紋尖端處受張開型載荷后兩表面所張開的相對(duì)距離（如圖1），往往用δ表示，常用單位是毫米。CTOD值的大小，反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力，也就是材料的韌性。把要檢測(cè)的材料制成帶有人為預(yù)制裂紋的試樣，加上外力后，可以檢測(cè)到裂紋尖端的張開位移δ值。δ值越大，表示裂紋尖端材料抵抗開裂的性能越好，即韌性越好；反之，δ值越小，韌性越差。由于CTOD韌性能很好反映焊接接頭的質(zhì)量，因此CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)能夠有效檢測(cè)焊接質(zhì)量。
武漢理工大學(xué)CTOD項(xiàng)目組通過引進(jìn)、消化、吸收國際上先進(jìn)的CTOD試驗(yàn)技術(shù)，再進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研究開發(fā)了厚鋼板焊接質(zhì)量CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)，已經(jīng)成功應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程 港深西部通道后海灣大橋鋼箱梁的建造，應(yīng)用于海洋平臺(tái)導(dǎo)管架的建造，保證了鋼箱梁和導(dǎo)管架的建造質(zhì)量，確保安全性和可靠性，并且可以免除焊后熱處理。
二.研究背景與應(yīng)用效果
上世紀(jì)末，我國經(jīng)濟(jì)擺脫周邊東南亞金融危機(jī)的影響，開始高速發(fā)展。大型工程建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，海洋石油也加快了開發(fā)。海洋石油平臺(tái)、大跨度橋梁等工程鋼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出大型化、厚壁化趨勢(shì)，并且所用的多為中高強(qiáng)度鋼，因此，厚鋼板焊接質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定的方法和技術(shù)顯得十分重要，但是國內(nèi)這種技術(shù)卻尚未有效開發(fā)。厚鋼板焊接質(zhì)量的CTOD檢測(cè)需要到國外（挪威船級(jí)社新加坡試驗(yàn)中心或韓國）去進(jìn)行。面對(duì)這一情況，武漢理工大學(xué)組建了CTOD項(xiàng)目組,采取引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的研發(fā)思路，開展了“厚鋼板焊接質(zhì)量CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)”的研究開發(fā)。迄今為止，CTOD項(xiàng)目組先后發(fā)表了近20篇論文，其中6篇被美國工程索引（EI）收錄，3篇參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議，取得一項(xiàng)專利，研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，并成功應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程 港深西部通道后海灣大橋鋼箱梁焊接質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定，這在國內(nèi)屬于首次，產(chǎn)生了良好的國際影響；又首次成功地用于30萬噸FPSO建造中，從而免除了100多個(gè)模塊支墩的焊后退火處理，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益，這在國際上也未見文獻(xiàn)報(bào)道；又用于海洋平臺(tái)導(dǎo)管架的建造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
港深西部通道是連接香港和深圳兩地的跨海大橋，是國家計(jì)委在1997年12月批準(zhǔn)的國家重點(diǎn)項(xiàng)目。其中位于香港段的后海灣大橋四跨連續(xù)鋼箱梁，最大跨度210米，梁寬39米，梁高4.2米，建造難度為國內(nèi)之最，焊接質(zhì)量要求很高。CTOD項(xiàng)目組用厚鋼板焊接質(zhì)量CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)，通過對(duì)不同焊接材料、不同焊接工藝的焊接接頭質(zhì)量CTOD檢測(cè)評(píng)定，幫助鋼箱梁的建造企業(yè)選擇焊接材料，調(diào)整優(yōu)化了焊接工藝「5-6」，保證了鋼箱梁的建造質(zhì)量，受到英國奧雅納工程顧問公司的高度評(píng)價(jià)。
渤海灣PL19-3油田是我國最大的海上油田。該油田使用一艘由上海外高橋造船有限公司承建的、目前世界上在淺水域中使用最大的300kt 的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船「7」（FPSO）。其上的模塊支墩是連接上部模塊與主甲板的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，必須有效保證其焊接接頭的韌度以防裂防斷。CTOD項(xiàng)目組按照國際通用規(guī)范BS7448和DNV-OS-C401的要求，對(duì)模塊支墩焊縫和熔合區(qū)進(jìn)行了低溫（-180C）裂紋尖端張開位移（CTOD）的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：按擬用焊接工藝所焊接的模塊支墩焊接接頭，其焊縫和熔合區(qū)的CTOD試驗(yàn)值都能滿足國際通用規(guī)范DNV-OS-C401規(guī)定的要求（不小于0.15mm），因此，可以確認(rèn)，該焊接工藝可應(yīng)用于模塊支墩的焊接施工，并且焊后的模塊支墩可以免除退火處理「8」。
某海洋平臺(tái)導(dǎo)管架建造企業(yè)，原來所建造的導(dǎo)管架，需要進(jìn)行焊后熱處理，耗費(fèi)大量人力物力，工期長，成本高。CTOD項(xiàng)目組用所開發(fā)的“厚鋼板焊接質(zhì)量CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)”，幫助該企業(yè)選擇焊接材料、優(yōu)化焊接工藝，使得所建造的導(dǎo)管架具有很好的焊接質(zhì)量，可以免除焊后熱處理工藝，節(jié)省了熱處理成本，縮短了建造工期，使企業(yè)在國內(nèi)外投標(biāo)中具備了更大的優(yōu)勢(shì)「9-12」，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。
CTOD項(xiàng)目組在國內(nèi)五家軋鋼廠新研發(fā)的高強(qiáng)船板的九國船級(jí)社認(rèn)證中，成功進(jìn)行了多個(gè)新高強(qiáng)鋼種(最大厚度為100mm)的CTOD檢測(cè)試驗(yàn)「13」。
三.主要應(yīng)用領(lǐng)域
CTOD檢測(cè)厚鋼板焊接質(zhì)量，具有其他檢測(cè)方法所不能替代的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。下面列舉幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。
1. 船舶、海洋工程制造業(yè)
1）船板、海洋平臺(tái)板的焊接性能評(píng)定（國際上對(duì)高強(qiáng)船板、平臺(tái)板進(jìn)行可焊接性試驗(yàn)時(shí)，一般包括CTOD試驗(yàn)）。
2）各種焊接工藝評(píng)定
一般做法如下：先確定擬采用的焊接工藝PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification)，然后按PWPS焊接CTOD試板，制成試樣后，進(jìn)行CTOD檢測(cè)評(píng)定。如檢測(cè)評(píng)定結(jié)果合格，擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規(guī)范WPS（Welding Procedure Specification)；如評(píng)定結(jié)果不合格，就要修訂PWPS，再進(jìn)行新一輪CTOD檢測(cè)評(píng)定。PWPS的合格與否，是將檢測(cè)得到的CTOD特征值δ與規(guī)定的焊接接頭CTOD允許值δmin進(jìn)行比較，若δ≥δmin為合格，否則就不合格。
）大型海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船（FPSO）的斷裂與安全性評(píng)估。
3
國際上對(duì)FPSO斷裂與安全性評(píng)估中，應(yīng)用了CTOD檢測(cè)技術(shù)「14」。按 “鋼結(jié)構(gòu)建造「1」”規(guī)范，鋼板厚度達(dá)到或超過50mm的焊接接頭，一般要做CTOD檢測(cè)；按“海洋結(jié)構(gòu)物建造和試驗(yàn)「2」”規(guī)范的規(guī)定，屈服強(qiáng)度超過350MPa的鋼板，其焊接接頭必須做CTOD檢測(cè)試驗(yàn)。而國內(nèi)在FPSO的設(shè)計(jì)建造中，往往回避CTOD檢測(cè)的要求。例如在應(yīng)當(dāng)用厚度超過50mm的厚鋼板的部位，改用厚度不足50mm的鋼板，再采用焊接加強(qiáng)筋等方法，以避免進(jìn)行CTOD檢測(cè)評(píng)定。這樣會(huì)留下安全隱患。事實(shí)上，減薄鋼板會(huì)影響結(jié)構(gòu)剛度；焊接加強(qiáng)筋后會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞；而如果簡單采用焊后熱處理，會(huì)產(chǎn)生新的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，甚至引發(fā)收縮裂紋，因?yàn)閷?duì)于厚鋼板焊接接頭，熱處理時(shí)間、溫度、加熱速率和冷卻速率等難于選擇和控制，容易使得焊接接頭表面與內(nèi)部之間溫差過大。所以，FPSO的設(shè)計(jì)建造必須采用CTOD檢測(cè)評(píng)定技術(shù)，檢測(cè)厚鋼板的焊接質(zhì)量。
2. 軍事工業(yè)
坦克、艦艇、特別是航空母艦「15」的建造中，較多使用厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)。例如航空母艦的艦體水下部分為了防魚雷與潛艇導(dǎo)彈的襲擊，所用的鋼板厚度可達(dá)150～203mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國際上規(guī)定做CTOD檢測(cè)的起始厚度（50mm）；艦上司令臺(tái)用裝甲板進(jìn)行保護(hù)，板的厚度更是達(dá)330mm。這類軍工產(chǎn)品的安全性、可靠性要求很高，無論焊后熱處理與否，都應(yīng)對(duì)焊接接頭進(jìn)行CTOD檢測(cè)評(píng)定，僅僅用常規(guī)的沖擊試驗(yàn)檢測(cè)是不夠全面的，會(huì)留下嚴(yán)重的安全隱患。
3. 橋梁建造業(yè)
大跨度鋼箱梁所用板材較厚，有些超過了50mm。焊接鋼橋主梁也有板厚超過50mm的部位。這些都應(yīng)進(jìn)行焊接質(zhì)量的CTOD檢測(cè)評(píng)定。
4. 建筑業(yè)
建筑業(yè)中，重型工業(yè)廠房、大跨度鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑等鋼結(jié)構(gòu)，也呈現(xiàn)大型化、厚壁化趨勢(shì)，許多鋼板厚度超過了50mm，它們的焊接接頭除了進(jìn)行沖擊試驗(yàn)外，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行CTOD檢測(cè)評(píng)定，以避免發(fā)生事故。
5. 其他
壓力容器、核反應(yīng)壓力容器（厚壁結(jié)構(gòu)）、空分設(shè)備（低溫鋼）等等。
四.主要技術(shù)特點(diǎn)
1．CTOD檢測(cè)評(píng)定厚鋼板焊接質(zhì)量時(shí)，可以按照整個(gè)焊接接頭的厚度取樣，來制作檢測(cè)試樣，這樣保存了結(jié)構(gòu)原始尺寸的影響，真實(shí)模擬了實(shí)際結(jié)構(gòu)的焊接條件。因此，檢測(cè)得到的質(zhì)量指標(biāo)能反映整個(gè)焊接接頭的質(zhì)量，安全、可靠。常用的夏比沖擊試驗(yàn)等其他檢測(cè)焊接質(zhì)量的方法沒有這個(gè)特點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)特別指出的是，檢測(cè)評(píng)定厚鋼板焊接質(zhì)量時(shí)，用夏比沖擊試驗(yàn)所得結(jié)果偏于危險(xiǎn)，會(huì)在結(jié)構(gòu)中留下安全隱患。因?yàn)樵诤皲摪搴附咏宇^中切取夏比沖擊試樣，是在厚鋼板中分層切取薄試樣。例如對(duì)于厚度為60mm-100mm的焊接接頭，國標(biāo)GB2649 1989規(guī)定沿厚度方向取三個(gè)沖擊試樣（10mm×10mm×55mm），這相當(dāng)于把原來厚鋼板中材料原本所處的三軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)來測(cè)韌性了，所測(cè)得的韌性結(jié)果會(huì)偏高很多。
不僅如此，夏比沖擊試驗(yàn)的韌性值，不能直接與構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）的設(shè)計(jì)應(yīng)力聯(lián)系，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及斷裂力學(xué)分析沒有直接的指導(dǎo)意義。而CTOD試驗(yàn)值δ可以直接與設(shè)計(jì)應(yīng)力σ和裂紋（缺陷）尺寸a定量聯(lián)系，可以用于計(jì)算構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）中已知尺寸的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展破壞時(shí)的應(yīng)力。
2. 本項(xiàng)技術(shù)在制備檢測(cè)試樣時(shí)，采用新的制備方法「16，17，18，19」，即“高K 比法”。這種方法不需要對(duì)焊縫進(jìn)行常規(guī)的預(yù)先處理，因此，比國際上現(xiàn)有的CTOD檢測(cè)技術(shù)具有更高的精度，更快的檢測(cè)速度。
3. 本項(xiàng)技術(shù)提出了“雙引伸計(jì)檢測(cè)法”。這種方法可以在一個(gè)檢測(cè)試樣上同時(shí)進(jìn)行CTOD檢測(cè)和J積分檢測(cè)「20」，即在一個(gè)試樣上同時(shí)進(jìn)行兩項(xiàng)檢測(cè)，得到焊接質(zhì)量的兩個(gè)指標(biāo)值，可以互相比較驗(yàn)證，使結(jié)果更準(zhǔn)確、更可靠。“雙引伸計(jì)檢測(cè)法”能有效確定帶裂紋構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）的約束因子「21」，能夠在大型鋼結(jié)構(gòu)（如FPSO）的斷裂分析與安全性評(píng)估中獲得廣泛應(yīng)用「14」。
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