代绪成，侯大震，朱秀文，刘立胜，仝明磊

（1．海洋石油工程股份有限公司，山东 青岛 266520；2．海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

海洋石油工程焊接工艺评定夏比冲击试验对比分析

代绪成1，侯大震1，朱秀文1，刘立胜1，仝明磊2

（1．海洋石油工程股份有限公司，山东 青岛 266520；2．海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性的试验方法，是焊接工艺评定过程中一项重要的破坏性试验。海洋石油工程常用的焊接工艺评定标准包括AWS D1.1、ASME B31.3、API1104、CCS《材料与焊接规范》等，主要从标准适用范围、取样要求、试样、试验温度降低值、结果评判、复验六个方面进行分析比较。归纳总结以上标准的异同点，并重点讨论试验温度降低值关键技术。

夏比冲击试验；海洋石油工程；焊接工艺评定

0 前言

夏比冲击试验主要用于评价金属材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形的能力，在焊接工艺评定过程中，夏比冲击试验是一项重要的评定项目。通常依据标准规范要求，在焊接接头不同部位取样并机械加工夏比冲击试样，测试夏比冲击试样在冲击载荷下的冲击吸收能量、侧膨胀值等参数。

海洋石油工程行业常用的焊接工艺评定规范有 AWS D1.1《钢结构焊接规范》、ASME B31.3《工艺管道》、API 1104《管道及附件焊接规范》、CCS《材料与焊接规范》。本研究主要从标准适用范围、取样要求、试样、试验温度、结果评判、复验六个方面分析比较海洋石油工程焊接工艺评定夏比冲击试验之间的差异。

1 适用范围

AWS D1.1适用于焊接钢结构的一般制作和安装要求[1]，主要用于海上平台、导管架等结构的焊接工艺评定。ASME B31.3适用于锅炉、压力容器及压力管道进行焊接或钎焊时的工艺评定[2]，主要用于海上平台工艺管线的焊接工艺评定。API 1104适用于碳钢管、低合金钢管及管件等长输管道的焊接工艺评定[3]，主要用于立管、海底管线等管线的焊接工艺评定，但该规范不要求测试夏比冲击试验。CCS《材料与焊接规范》的适用范围比其他规范更广，船体结构、海上设施结构、锅炉、压力容器和管系等焊接工艺评定均适用[4]。

2 取样要求

2.1 取样位置

焊接接头主要包含焊缝、热影响区和母材。为了验证焊接接头各个部位性能是否满足要求，需要对不同部位取样进行夏比冲击试验。

AWS D1.1取样位置分别为焊缝中心、熔合线+1 mm，熔合线+5 mm，共计取三组夏比冲击试样：母材公称厚度小于等于12 mm的焊接接头，3组冲击试样均在厚度的1/2处取样；母材公称厚度大于12 mm的焊接接头，焊缝取样位置位于根部，熔合线+1 mm和熔合线+5 mm均在厚度的1/4处取样。

依据设计最低温度、材料类型等因素确认ASME B31.3冲击取样位置，常用的取样位置为母材、焊缝熔敷层和热影响区。

CCS《材料与焊接规范》则按照热输入范围、单双面焊接、母材公称厚度等因素确定取样位置，常用取样位置共四组，分别为焊缝中心、熔合线、熔合线+2 mm，熔合线+5 mm。母材公称厚度小于等于20mm的单面焊焊接接头，上述四组夏比冲击试样取样位置距离焊缝表面1～2 mm。母材公称厚度大于20 mm的单面焊焊接接头，增加距焊缝根部1～2 mm的焊缝、熔合线两组夏比冲击试样。母材公称厚度小于等于50 mm的双面焊焊接接头，上述四组夏比冲击试样取样位置距离后焊侧的焊缝表面1～2 mm。母材公称厚度大于50 mm的双面焊焊接接头，增加焊缝根部的焊缝、熔合线两组夏比冲击试样。

2.2 取样方向

各标准规范取样方向要求完全相同，夏比冲击试样的纵向中心线必须垂直于焊缝轴线，并且缺口必须垂直于表面，除非在合同文件中另有规定。

3 试样

各标准规范均要求根据母材公称厚度选择合适的夏比冲击试样尺寸，且尽可能取最大尺寸的夏比冲击试样，标准试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm。每组夏比冲击试样数量、辅助试样尺寸、辅助试样适用范围等差别较大。

由表1可知，AWS D1.1增加方案B主要是考虑到焊缝和热影响区的组织和性能存在一定的不均匀性或缺陷。试验结果评判时应去除最高值和最低值，降低焊缝和热影响区夏比冲击试验的离散度，该方案值得其他标准规范借鉴。

表1 夏比冲击试样的差异Table 1 Difference of charpy impact test specimens

AWS D1.1和ASME B31.3辅助试样的尺寸基本相同，CCS《材料与焊接规范》辅助试样的尺寸仅有10 mm×7.5 mm和10 mm×5 mm两种，且母材公称厚度小于6 mm的材料，一般不要求做冲击试验。

辅助试样适用范围存在一定差异，其中AWS D1.1规定母材厚度大于等于11 mm时采用标准试样尺寸，而CCS《材料与焊接规范》中规定为10 mm。由于组对错边、焊接变形、机械加工余量等因素影响，当母材公称厚度等于10 mm时，机械加工试样可能无法加工出标准尺寸，因此AWS D1.1规定的11 mm更为科学合理。

4 试验温度降低值

夏比冲击试验温度一般在合同文件或项目技术规格书中规定，本研究主要解读夏比冲击试验辅助试样温度值降低要求。其中，AWS D1.1和ASME B31.3均对辅助试样冲击温度降低值有具体要求，降低值存在一定差异，如表2所示。CCS《材料与焊接规范》中辅助试样的夏比冲击试验不需要降低试验温度。

表2 AWS D1.1和ASME B31.3夏比冲击试验温度降低值Table 2 Charpy impact test temperature reduction of AWS D1.1 and ASME B31.3

AWS D1.1和ASME B31.3辅助试样在温度降低方法上也存在一定差异。其中，AWS D1.1规定当辅助试样沿缺口的试样宽度小于母材公称厚度的80%时，试验温度必须按表2所示降低。如母材公称厚度为7 mm对接焊，合同规定冲击试验温度为-40℃。若加工完成的冲击试样尺寸为10 mm×6 mm（大于母材公称厚度的80%），冲击试验温度为-40℃；若加工完成的冲击试样尺寸为10 mm×5 mm（小于母材公称厚度的80%），则冲击试验温度为-40℃-11.1℃=-51.1℃。

ASME B31.3对温度降低值要求则更加复杂。公称厚度大于等于10 mm的母材，若最大可取试样沿缺口宽度大于等于8 mm，则无需降低试验温度；反之，试验温度按照表2所示降低。公称厚度小于10 mm的母材，如果可获得最大夏比V型缺口试样的宽度不小于80%母材公称厚度时，则无需降低试验温度；反之，需降低试验温度，温度降低值等于实际母材公称厚度对应温度降低数与实际试验的夏比冲击试样宽度对应的温度降低值之差。例如φ88.9×7.62钢管对接焊，合同规定冲击试验温度为-40℃。若加工完成的冲击试样尺寸为10mm×7mm（大于母材公称厚度的80%），则冲击试验温度为-40℃；若加工完成的冲击试样尺寸为10 mm×6 mm（小于母材公称厚度的80%），则冲击试验温度为-40℃-（T1-T2）℃，其中T1为母材公称厚度7.62 mm对应的温度降低值。通过表2中（8 mm，0℃）和（7.5 mm，2.8℃）两数值，采用线性内插法计算得出T1＝2.128℃。T2为冲击试样宽度6 mm对应的降低值，通过查询表2为8.3℃，即冲击试验温度为-40℃+（2.128℃-8.3℃）=-46.172℃。

5 结果评判

夏比冲击试验常用测量参数主要有冲击吸收功和侧膨胀值。AWS D1.1和CCS《材料与焊接规范》主要评判冲击吸收功，ASME B31.3主要评判冲击吸收功和侧膨胀值，其中冲击吸收功主要用于评判抗拉强度小于656 MPa的碳钢和低合金钢，侧膨胀值用于评判抗拉强度大于等于656 MPa的碳钢和低合金钢、螺栓连接材料以及P-NO.6、7、8高合金钢。

合同或项目技术规格书中冲击吸收功可接受值是基于标准试样，而辅助试样冲击吸收能量可接受值则根据不同尺寸对应的换算系数，与标准试样可接受值换算后进行结果评判。夏比冲击试验验收准则及辅助试样换算要求如表3所示。

由表3可知，其基本要求相同，即单个值均不得低于规定最小单个值，平均值不得低于规定最小平均值，允许有1个单个值低于规定最小平均值。但允许1个单个值低于规定平均值的附加要求不一样，AWS D1.1大于等于规定的最小单个值；ASME B31.3大于等于规定最小平均值的2/3；CCS《材料与焊接规范》大于等于规定最小平均值的70%。

表3 夏比冲击试验验收准则及辅助试样换算要求Table 3 Acceptance criteria of test result and requirement of subsize specimens energy values

6 复验

AWS D1.1中规定，夏比冲击试验结果不满足表3要求时可进行一次复验，复验条件和评判要求如表4所示。ASME B31.3和CCS《材料与焊接规范》则要求不合格试验必须具备一定条件方可再取一组3个冲击试样进行复验，否则视为不合格。

表4 夏比冲击试验复验条件和评判要求Table 4 Requirement and acceptance criteria of retest

由表4可知，AWS D1.1复验条件较为宽松，初验不合格即可复验。ASME B31.3则相对较严格，CCS《材料与焊接规范》最为严格，两者的主要区别是ASME B31.3允许3个试样的单个值低于规定的最小平均值，而CCS《材料与焊接规范》只允许最多2个试样的单个值低于规定的最小平均值。

将CCS《材料焊接与规范》复验评判要求与不合格复验条件结合进行分析，其实质内容即3个试样的每一个单个值必须大于或等于规定的最小平均值。因此，AWS D1.1、ASME B31.3、CCS《材料与焊接规范》复验评判要求均相同。

ASME B31.3侧膨胀值复验条件为：3个试样中的1个试样的侧膨胀值小于0.38 mm，但大于等于0.25 mm，且3个试样的平均值大于等于0.38 mm时，则可另取3个试样复验。复验的每个试样的侧膨胀值均应大于等于0.38 mm。

7 结论

海洋石油工程行业涉及结构、工艺管线、压力容器、海底管线等多个专业，不同专业适用的焊接工艺评定标准不同。分析比较发现，海洋石油工程焊接工艺评定常用标准在适用范围、取样要求、试样、试验温度降低值、结果评判、复验等都存在一定差异，仅试样取样方向和复验结果评判保持一致。部分标准规范有些条款设置缺乏一定的可操作性，在今后标准规范更新中应予以修改。

夏比冲击试验在焊接工艺评定过程中属于至关重要的一项评价环节，焊接工艺评定失败大多数是由于夏比冲击试验不合格所导致的。本研究归纳总结海洋石油工程焊接工艺评定不同标准之间夏比冲击试验，对夏比冲击试验实际操作具有一定的指导意义。

[1]AWS D1.1/D1.1M Structural welding code-steel[S].

[2]ASME B31.3 Process piping[S].

[3]API1104 Welding of pipelines and related facilities，中国船级社材料与焊接规范[S].

[4]中国船级社材料与焊接规范[S].

Comparison and analysis of charpy impact test for welding procedure qualification of offshore oil engineering

DAI Xucheng1，HOU Dazhen1，ZHU Xiuwen1，LIU Lisheng1，TONG Minglei2
（1.China Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Qingdao 266520，China；2.China Offshore Oil Engineering(Qingdao)Co.，Ltd.，Qingdao 266520，China）

Charpy impact test is the most common test method to evaluate metallic materials toughness，and is the important destructive test during welding procedure qualification.The normal welding procedure qualification codes of offshore oil engineering include AWS D1.1，ASME B31.3，API 1104，CCS"material and welding code"，etc.The charpy impact test is compared and analyzed from the aspects of scope of standards application，requirements of taking test pieces，test pieces，reduction value of test temperature，acceptance criteria and retest.The similarities and differences of above codes are summarized，and the key technology-test temperature reduction value are discussed according to these codes.

charpy impact test；offshore oil engineering；welding procedure qualification

TG47

B

1001－2303（2017）11－0087-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.18

本文参考文献引用格式：代绪成，侯大震，朱秀文，等.海洋石油工程焊接工艺评定夏比冲击试验对比分析[J].电焊机，2017，47（11）：87-91.

2017-05-09；

2017-05-24

代绪成（1985—），男，工程师，学士，主要从事海洋钢结构焊接工艺评定理化检验工作。E-mail：daixc@mail.cooec.com.cn。