方总涛，孙 勃

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451）

低温钢焊接接头CTOD断裂韧性试验研究

方总涛1，2，孙 勃1，2

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451）

与传统的夏比V型缺口冲击韧性试验比较，CTOD更能有效准确地评价钢材的抗脆断能力。文章按照BS 7448-1991（1997）断裂韧度试验标准，对海洋平台工艺管道用ASTM A333-2005 Gr.6低温钢焊接接头的低温 （0℃，-29℃）裂纹尖端张开位移 （CTOD）进行了测试。取尺寸为B×2B（B为试样厚度）、缺口方向为NP的试样进行三点弯曲试验，然后由得到的焊缝和热影响区 （HAZ）的P-V曲线来计算CTOD值，并对试验结果进行了分析和讨论。

低温钢；CTOD；断裂韧度；评价

0 引言

海洋平台上部组块重要的工艺管道主要有油气工艺管道和制冷工艺管道两类。其中，制冷工艺管道由于输送的介质处于低温状态，必须保证有足够的低温韧性，防止发生低温脆性断裂，国内外普遍采用低温钢等管材来解决此问题。另外，由于在管道的连接过程中，焊接过程常常使焊接接头的组织性能劣化及产生缺陷，使焊接缺陷处成为整个压力管道中最薄弱的部位，易产生裂纹甚至断裂，对此类管道的焊接质量要求很高。因此，有必要对低温钢焊接接头的低温韧性进行研究。

大量试验研究表明，CTOD（Crack Tip Opening Displacement，裂纹尖端张开位移）断裂韧度是评价钢材及焊接接头抗脆断特性的重要参量，与传统的夏比V型缺口冲击韧性比较，CTOD更能有效准确地评价钢材的抗脆断能力[1]。通过CTOD试验不仅可以进行材料韧度选择，还可以为评定结构的安全可靠性提供试验依据。目前在国内低温钢的设计、建造领域，尚未见到有关低温钢焊接接头韧性试验方面的文献报道，本文针对低温钢焊接接头CTOD断裂韧性开展的试验研究具有重要意义。

1 试验概述

国际上由英国焊接研究所提出的测试断裂韧度KIC、CTOD（δ）和JIC的统一试验标准BS7448-1991（1997），受到国际焊接学会的重视并予以推广应用[2]。目前已被国际标准局 （ISO）采纳，编号为 ISO／TC164／SC4-N400。 其中 BS7448-1-1991PartⅠ 《确定金属材料KIC、临界CTOD和J积分的方法》与BS 7448-2-1997 PartⅡ 《确定焊缝KIC、临界CTOD和J积分的方法》试验标准已在工程界得到了普遍采用[3-4]。本文依据该试验标准，对低温钢焊接接头的焊缝和热影响区进行低温特征CTOD的测试。

为确保CTOD试验结果的可靠性，要求试验结果不但要满足国际上通行的英国标准BS 7448-1991（1997）标准，而且要符合挪威船级社DNV-OS-C401-2001标准的相关规定。

2 试样制备

试验所用材料为ASTM A333-2005 Gr.6低温钢，开60°V型坡口，6G位置焊接，采用的焊接材料为昆山京雷的GTR-80Ni1，直径为2.4 mm，层间温度控制在186℃以下，焊接方法为GTAW手工上向焊打底、填充、盖面，多层焊焊道为7层。制备带预制疲劳裂纹的三点弯曲 （TPB）标准试样。

2.1 截取试样

根据试样尺寸为B×2B（B为试样厚度）、缺口方向为NP的要求，在线切割机上从外径为114.3 mm、壁厚为8.56 mm的管材上截取，然后对试样进行分组编号登记。CTOD试样的位置如图1所示。试样应当定向，使其长度平行于管道轴线而且宽度位于圆周方向；因此，裂缝尖端线位于厚度方向。试样厚度应等于管壁厚度。与管壁有关的CTOD试样的机加工如图2所示。

2.2 机械加工缺口

确定缺口位置，参照英国BS 7448-1991（1997）标准标记切割加工线，并且要求保证切割线所在平面与试样切割面的垂直角度为90°±5°。焊缝试件划在焊缝金属区的正中间位置 （WCL）；对HAZ试件，由于采用V型坡口、多层焊接，加上实际接头熔合线的不规则性，要保证疲劳裂纹尖端距熔合线的距离不超过0.5 mm非常困难。经分析，最优的方案是过B／2线与熔合线交点划线。在线切割机上用0.08 mm的钼丝加工机械缺口。

在确定缺口位置时，须采用金相腐蚀剂显现出焊缝轮廓，以保证预制裂纹尖端分别位于焊缝金属和热影响区对应的位置。焊缝及热影响区试件的缺口位置分别如图3及图4所示。

2.3 预制疲劳裂纹

采用高频疲劳试验机在室温下预制疲劳裂纹。在预制疲劳裂纹过程中，应随时观测、监控疲劳裂纹的扩展长度与方向，应控制裂纹不要扩展太快，在最后的1.3 mm内，可以适当增大疲劳载荷比，以避免使试件表面裂纹扩展量大于试样内部扩展量太多。同时应保证最终的预制疲劳裂纹和线切割长度之和在0.45～0.70 W （焊缝和HAZ）范围内，W为试样宽度。0℃试样最终尺寸见表1，-29℃试样最终尺寸见表2。

表1 试样尺寸 （0℃）

表2 试样尺寸 （-29℃）

3 试验程序

试验在300 kN万能试验机上完成，试验程序遵循BS 7448-1991（1997）标准规定，自动进行数据的采集与记录。

3.1 试验步骤

（1）用游标卡尺精确测量每个试件的B、W和Z（刀口厚度），测量精度为0.02 mm。

（2）试验时先将试件浸在有珍珠岩填充物夹层的冷却槽中进行冷却，槽内盛有干冰、酒精低温介质。待温度达到0℃及-29℃后进行保温，每个试件均保温20 min以上。试验过程当中，低温介质液面超过试件上表面2～3 mm，并用温度计进行温度监控测量，温度变化控制在±2℃。

（3）采用一次加载方式直到试样失稳破坏，加载速率控制在0.5～1.0 mm/min范围内，并同时记录试样载荷—位移 （P-V）曲线。

（4）试样失稳破坏后，从低温箱中取出，对断口进行烘干处理后在试验机上快速压断试样。从断裂试样上取下断口用工具显微镜测量试件的裂纹深度，具体方法为：沿试件厚度方向取9个测试位置分别测量，其中最外侧的两个点位于距试件表面1%B处。然后在两个点之间等间距取7个测试位置。采用下式计算平均裂纹深度a。

式中ai——第i测点的裂纹深度。

（5）数据处理：根据P-V曲线上的最大载荷值F（N）得到对应最大载荷时的塑性张开位移VP（mm），CTOD的计算公式为

式中E——弹性模量，取2.1×105MPa，

υ——泊松比，取0.3；

B——试样厚度/mm；

W——试样宽度/mm；

Z——刀口厚度/mm，取2 mm；

S——三点弯曲时的试样的跨度/mm；

Vp——P-V曲线上对应最大载荷时的夹式引伸计塑性张开位移/mm。

σys——屈服强度/MPa。

当计算HAZ的CTOD时，裂纹尖端处材料的屈服强度σys取母材和焊缝金属中较大者；其中焊缝的屈服强度σys=493 MPa，热影响区的屈服强度σys=525 MPa。

3.2 有效性判别

BS 7448标准对焊接接头断裂韧度试样有效性要求如下：

（1）试样平均裂纹深度a0=0.45～0.70 W，机械缺口宽度最大为0.065 W。

（2）在断口上测量初始裂纹深度a0时，要求任意两个裂纹深度的差值均不大于20%a0。

（3）在断口上预制疲劳裂纹的最小值应不小于1.3 mm和2.5%W两者中的较大值。

（4）预制疲劳裂纹扩展方向与垂直试样长度方向的夹角应不大于10°。

（5）对于热影响区试件，还需对断口晶粒进行金相分析，从而确定裂纹尖端在粗晶区的试验结果才为有效。

（6） 当出现 “pop-in” （突跃） 现象时， 由载荷下降导致的位移增加小于1%时可忽略不计，大于l%而小于5%时，进行断口金相分析以确定裂纹起裂的有效区域，大于5%时确定为裂纹起裂，并以此时载荷计算CTOD值。

4 试验结果及讨论

典型的载荷—位移曲线如图5所示。

图5 典型的载荷—位移曲线

0℃和-29℃两种温度下焊缝金属和热影响区的CTOD计算结果分别如表3及表4所示。

典型试样的宏观断口形状如图6所示。

由试验结果可知，试验中的12件试样都获得很好的裂纹前缘形状，全部试样裂纹前缘任意两个裂纹深度的差值都小于20%a0，ai/W均小于0.7，完全符合BS 7448-1991（1997）标准的规定，全为有效试件。按照国际通用的海洋结构物建造和试验规范DNV-OS-C401-2001的规定，若三个有效试样的CTOD值都不小于0.15 mm为合格。由表3及表4可知，两种试验温度下，三个有效HAZ试样的CTOD值都大于0.15 mm，故符合规范要求；三个有效焊缝试样的CTOD值都大于0.15 mm，因此三个焊缝试样也都符合规范要求。

试验结果表明：低温钢焊接接头的CTOD值较大，断口呈现韧性断裂。这表明低温钢焊接接头具有良好的低温韧性，能较好地满足海洋平台工艺管道的要求，选用的焊接工艺可用于工艺管道低温钢的建造施工。

低温钢焊接的关键是保证焊接接头有足够的低温韧性。为了控制其韧性，必须合理地设计焊接工艺，严格控制焊接热输入，以获得具有良好韧性组织的焊缝。用CTOD试验评价焊接接头韧性，效果良好，CTOD试验可以指导焊接材料、母材的选择及焊接工艺的制订，为结构安全可靠性的评定提供试验依据。总之，应用CTOD试验评价焊接接头的韧度具有重要的工程实用价值。

表3 0℃下断裂韧度结果

表4 -29℃下断裂韧度试验结果

5 结束语

（1）低温钢焊接接头具有良好的低温韧性，选用的焊接工艺可用于工艺管道低温钢的建造施工。

（2）从总体上看，热影响区的CTOD值一般大于焊缝金属区的值，即热影响区的低温断裂韧性要好于焊缝，因此焊缝是结构最薄弱的部位。

（3）应用英国BS 7448-1991（1997）断裂韧度试验标准，对ASTM A333-2005 Gr.6低温钢焊缝和HAZ的CTOD分别进行了测试，该试验结果为焊接方法和焊接规范参数的选择、ECA评估提供了重要依据。

[1]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：机械工业出版社，2000.46-77.

[2]邓彩艳，张玉凤，霍立兴，等.X65管线钢焊接接头CTOD断裂韧度[J].焊接学报，2003,24（3）：6，13-16.

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

[4]BS 7448-1997,Part 2：Fracture mechanics toughness tests.Part 1.Method for determination of KIC，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

[5]DNV-OS-C401-2001，Fabrication and testing of offshore structures[S].

Test Research on CDOD Fracture Toughness of Low Temperature Steel

FANG Zhong-tao（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,SUN Bo

Compared with the traditional Charpy V notch toughness test,crack tip opening displacement method （CTOD）is more effective and accurate in assessing anti-fracture toughness of steel.According to BS 7448 fracture toughness test standard,CTOD was applied to test the welding joints of low temperature steel ASTM A333 Gr.6 at low temperatures （0℃,-29℃） which is used in offshore platform.Three point bending tests were conducted on the specimens with the dimension of B×2B（B is the thickness） and notch direction NP.The final value of CTOD was calculated by P-V curves of both the welds and the HAZ（heat affected zone）.And the test results were analyzed and discussed in the paper.

low temperature steel;CTOD;fracture toughness;assessment

TE973.3

B

1001－2206（2011）增刊－0027－04

方总涛 （1984-），男，辽宁大连人，助理工程师，2009年毕业于天津大学材料加工工程专业，硕士，主要从事焊接结构断裂、数值模拟等方面的研究工作。

2011-08-10