超高強(qiáng)鋼焊接接頭CTOD評(píng)定的概率方法＊

冷曉暢 陳 剛 馬 濤 劉占國(guó) 苗張木

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （上海外高橋造船有限公司2） 上海 200137）

0 引 言

從20世紀(jì)40年代起，世界多個(gè)國(guó)家先后發(fā)生大型焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞事故.焊接結(jié)構(gòu)的韌度問(wèn)題引起世界各國(guó)的高度重視.近年來(lái)，海洋石油開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)不斷向深海轉(zhuǎn)移，跨海大橋也不斷向深水區(qū)域延伸，跨度越來(lái)越大.海洋平臺(tái)與跨海大橋等海洋結(jié)構(gòu)趨于大型化和高強(qiáng)化.大尺寸高強(qiáng)鋼的焊接對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求.大尺寸高強(qiáng)鋼焊接接頭的韌度問(wèn)題更加突出［1］.

本文對(duì)某大型結(jié)構(gòu)的焊接接頭進(jìn)行了低溫（－10℃）CTOD韌度試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行了韌度評(píng)定.評(píng)定中，針對(duì)超高強(qiáng)鋼焊接接頭CTOD值離散性大的特點(diǎn)，提出了CTOD韌度評(píng)定的概率方法.同時(shí)，還綜合考慮了CTOD試驗(yàn)結(jié)果與焊接接頭的金相組織特征，對(duì)超高強(qiáng)鋼焊接接頭的CTOD允許值提出了新的觀點(diǎn)和建議.為超高強(qiáng)鋼焊接接頭的CTOD韌度評(píng)定開(kāi)拓了新的思路.

1 焊接接頭的CTOD試驗(yàn)

1.1 焊接材料與焊接工藝

母材為EQ70，板厚60mm.由日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社鹿島制鐵所提供，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài).焊材是由美國(guó)Lincoln Smitweld B.V.公司提供的Conarc 80焊條，等級(jí)為AWS A5.5：E11018M－H4.母材及焊條的化學(xué)成分見(jiàn)表1.

表1 母材與焊條的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

焊接接頭的形式為對(duì)接焊縫，等角K形坡口.K形坡口的直角邊垂直于試板平面.采用手工電弧焊進(jìn)行多層多道焊接.預(yù)熱溫度70℃，焊后保溫（210～230℃）／1h.分別采用2種不同焊接工藝參數(shù)（A，B）焊成2批焊接接頭，焊接工藝參數(shù)A、B均見(jiàn)表2.

表2 焊接工藝參數(shù)A，B

CTOD試樣包括熔合線試樣與焊縫中心試樣兩種類(lèi)型.其中，工藝參數(shù)A下熔合線試樣及焊縫中心試樣均為3個(gè)，工藝參數(shù)B下熔合線試樣及焊縫中心試樣分別為7個(gè)和6個(gè).

1.2 試驗(yàn)過(guò)程與試驗(yàn)結(jié)果

CTOD試驗(yàn)采用直三點(diǎn)彎曲試樣.試樣截面采用2B×B型.切口取向?yàn)镹P方向.其中，N為垂直于焊縫方向，P為平行于焊縫方向.機(jī)械加工后，標(biāo)準(zhǔn)試樣的實(shí)際厚度為52mm.熔合線與焊縫中心處的屈服強(qiáng)度σs、彈性模量E及泊松比μ均按照規(guī)范《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》［2］由試驗(yàn)測(cè)得.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 熔合線與焊縫中心處的屈服強(qiáng)度與彈性常數(shù)

試樣制備、疲勞裂紋預(yù)制及試驗(yàn)過(guò)程均嚴(yán)格按照規(guī)范 BS7448Part1［3］與 BS7448Part2［4］進(jìn)行.CTOD值δ按照下式計(jì)算

式中：δ為裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）；F為施加載荷；S為試樣跨度；B為試樣厚度；W 為試樣寬度；a0為預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度；f為三點(diǎn)彎曲試樣a0／W 的函數(shù)；μ為泊松比；E為彈性模量；σs為材料的屈服強(qiáng)度；VP由F－V曲線圖測(cè)得；Z為刀口厚度（本文試驗(yàn)取Z＝0）.

CTOD試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

按照規(guī)范BS7448Part2與Offshore Standard DNV－OS－C401對(duì)CTOD試樣進(jìn)行有效性檢驗(yàn).檢驗(yàn)結(jié)果為全部有效.

表4 焊接工藝A，B焊接接頭試樣的CTOD值

2 焊接接頭CTOD值的離散性

表4中最大的CTOD值為0.248mm，最小值僅為0.049mm.整體來(lái)看，CTOD值具有明顯的離散性.為了對(duì)其離散性進(jìn)行量化并便于比較，分別計(jì)算了各組試樣的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù).其中離散系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，表征了離散性的大小.統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 各組試樣CTOD值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

本試驗(yàn)所依據(jù)的規(guī)范中只對(duì)焊接接頭CTOD試樣取樣數(shù)量作了一般規(guī)定，而沒(méi)有對(duì)熔合線試樣與焊縫中心試樣作分別的討論.由表5知，熔合線試樣與焊縫中心試樣CTOD值的離散系數(shù)明顯不同，前者約是后者的2倍.因此，兩種試樣取相同數(shù)量的做法是不科學(xué)的.對(duì)于離散性更大的熔合線試樣，取樣數(shù)量應(yīng)比焊縫中心試樣的更多.

3 CTOD韌度評(píng)定的概率方法

CTOD韌度評(píng)定時(shí)，若實(shí)測(cè)的CTOD值不小于允許值，視為合格.但當(dāng)CTOD值的離散性較大時(shí)，若用最小CTOD實(shí)測(cè)值和允許值比較，有可能造成焊接接頭的韌度儲(chǔ)備過(guò)高，雖然安全，卻不經(jīng)濟(jì)；若用試驗(yàn)測(cè)得的平均CTOD值和允許值比較，雖然經(jīng)濟(jì)，但安全系數(shù)卻降低了.利用概率方法進(jìn)行評(píng)定，可以更合理地協(xié)調(diào)安全性與經(jīng)濟(jì)性［5］.

所謂CTOD韌度評(píng)定的概率方法，即將一組實(shí)測(cè)CTOD值的均值與允許值比較，當(dāng)均值不小于允許值時(shí)，將允許值作為某個(gè)置信水平的置信區(qū)間下限值，在該置信水平下，視為合格.置信水平由設(shè)計(jì)生產(chǎn)的實(shí)際需要確定.

文獻(xiàn)［6］假設(shè)X65管線鋼焊接接頭的CTOD值近似服從正態(tài)分布，并通過(guò)柯?tīng)柲缏宸颍姑谞栔Z夫檢驗(yàn)方法，證明了假設(shè)是合理的.按照該檢驗(yàn)方法，對(duì)本文中的CTOD值進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)EQ70海洋結(jié)構(gòu)用鋼的焊接接頭CTOD值也服從正態(tài)分布.

對(duì)于本文試驗(yàn)，假設(shè)取CTOD允許值為0.10 mm.按照上述概率方法進(jìn)行評(píng)定.以工藝B熔合線試樣為例.其均值為0.126mm＞0.10mm.取允許值0.10mm為某置信水平的置信區(qū)間下限值，則置信區(qū)間為（0.100，0.152）.置信水平按照下式計(jì)算

式中：ˉX為樣本均值；σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本數(shù)量；α為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的上分位點(diǎn)（在zα／2已知時(shí)，可查表求得）；為實(shí)測(cè)CTOD值的均值；δmin為CTOD允許值.

經(jīng)計(jì)算得，α＝0.27.故實(shí)測(cè)CTOD值落在該置信區(qū)間的置信水平為1－α＝73%.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，該置信區(qū)間以外，有一半分布在該置信區(qū)間上限值以上區(qū)間.也即該置信區(qū)間以外的一半分布在允許值δmin以上.因此，CTOD實(shí)測(cè)值分布在允許值以上區(qū)間的置信水平為（1－α）＋α／2，即1－α／2.所以，在要求置信水平不低于1－α／2＝86.5%時(shí)，該組試樣為合格.CTOD韌度評(píng)定的概率方法見(jiàn)圖1.

圖1 概率方法評(píng)定原理

采用概率方法對(duì)表4中4組CTOD值進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 CTOD評(píng)定合格的置信水平

由于工藝A焊縫中心試樣CTOD值的均值小于允許值0.10mm，故不進(jìn)行概率計(jì)算.為了評(píng)價(jià)焊接工藝，需綜合考慮焊接接頭的熔合線試樣與焊縫中心試樣.由此可見(jiàn)，按照概率方法對(duì)該焊接接頭進(jìn)行CTOD韌度評(píng)定的結(jié)果為：工藝A焊接接頭的熔合線試樣在要求置信水平不高于94.6%時(shí)，為合格，工藝B焊接接頭的熔合線和焊縫中心試樣在要求置信水平分別不高于86.5%和98.9%時(shí)，為合格.

4 CTOD允許值的確定

用CTOD韌度指標(biāo)評(píng)價(jià)焊接接頭時(shí)，首先要確定一個(gè)CTOD允許值，然后將試驗(yàn)測(cè)得值與允許值進(jìn)行比較.若實(shí)測(cè)值不小于允許值，則可視為合格，或認(rèn)為具有足夠的韌度.國(guó)際上已較多運(yùn)用CTOD試驗(yàn)評(píng)定焊接接頭的韌度，并在有關(guān)規(guī)范中明確規(guī)定了焊接接頭CTOD允許值δmin.但各國(guó)規(guī)范給出的CTOD允許值并不一致.英國(guó)規(guī)范BS6235要求按BS6493方法計(jì)算焊接接頭的δmin.例如對(duì)板厚為50mm，屈服點(diǎn)強(qiáng)度值為360 MPa的鋼，若設(shè)計(jì)應(yīng)力為屈服點(diǎn)強(qiáng)度值的1／2，應(yīng)力集中系數(shù)為2時(shí)，計(jì)算得出焊態(tài)下的δmin為0.24mm.挪威規(guī)范Offshore Standard DNV－OSC401給出的焊接接頭δmin為0.15mm.甚至有些國(guó)際規(guī)范沒(méi)有明確給出δmin，國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)范也較少規(guī)定焊接接頭的δmin.

在工程應(yīng)用中，首先確定焊接接頭的CTOD允許值δmin，對(duì)于CTOD韌度評(píng)定是十分重要的.以上試驗(yàn)結(jié)果表明，不管是按照英國(guó)規(guī)范給出的δmin，還是按照挪威規(guī)范給出的δmin，對(duì)這2種焊接接頭進(jìn)行CTOD韌度評(píng)價(jià)時(shí)，韌度都較低.

為了尋找這兩種焊接接頭韌度較低的原因，對(duì)這兩種焊接接頭進(jìn)行了金相試驗(yàn).發(fā)現(xiàn)這兩種焊接接頭的正火區(qū)、過(guò)熱區(qū)及焊縫區(qū)組織均為韌塑性良好的回火索氏體、回火貝氏體或針狀鐵素體組織.金相照片見(jiàn)圖2.

為什么韌性良好的組織的CTOD值還是不能滿(mǎn)足以上兩種規(guī)范的要求呢？考慮到以上規(guī)范制定年代較早，一般以360～460MPa的普通高強(qiáng)鋼為對(duì)象.而本文中的鋼板及焊接接頭的屈服強(qiáng)度均超過(guò)了700MPa.建造企業(yè)及鋼板生產(chǎn)企業(yè)均表示，已有近30a沒(méi)有遇到對(duì)這種級(jí)別的超高強(qiáng)鋼進(jìn)行CTOD韌度試驗(yàn)和評(píng)定.因此，以上規(guī)范給出的CTOD允許值δmin，在對(duì)這種超高強(qiáng)鋼進(jìn)行CTOD韌度評(píng)定時(shí)，可能存在一定的局限性.建議對(duì)這種屈服強(qiáng)度在700MPa以上的高強(qiáng)鋼進(jìn)行CTOD韌度評(píng)定時(shí)，CTOD允許值δmin應(yīng)適當(dāng)降低.

文獻(xiàn)［7］利用結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生脆性斷裂的研究結(jié)果，提出了CTOD允許值的計(jì)算公式，并指出冰冷海域使用的結(jié)構(gòu)材料該值達(dá)到0.10mm以上即可.本試驗(yàn)中絕大部分試樣的CTOD值都在0.10mm以上.參照本文的試驗(yàn)結(jié)果及焊接接頭的金相組織特征，建議屈服強(qiáng)度在700MPa以上的超高強(qiáng)鋼厚板焊接接頭的CTOD允許值δmin可以取0.10mm.

圖2 焊接工藝A，B焊接接頭各區(qū)域金相組織

5 結(jié) 論

1）對(duì)CTOD試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明，焊接接頭CTOD值存在明顯的離散性，且熔合線試樣CTOD值的離散系數(shù)約是焊縫中心試樣的2倍.建議熔合線試樣取樣數(shù)量應(yīng)比焊縫中心的稍多.

2）提出CTOD韌度評(píng)定的概率方法.認(rèn)為CTOD韌度評(píng)定單一依靠有限樣本CTOD值的方法，存在一定的局限性.通過(guò)有限樣本CTOD值服從的分布規(guī)律，利用置信水平評(píng)價(jià)整體樣本的合格程度更為科學(xué).

3）結(jié)合高強(qiáng)鋼焊接接頭的組織特征及CTOD值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，提出了適用于700MPa以上超高強(qiáng)鋼焊接接頭的CTOD允許值.將CTOD允許值的確定與焊接接頭的強(qiáng)度級(jí)別聯(lián)系起來(lái).不同強(qiáng)度級(jí)別焊接接頭的CTOD值應(yīng)區(qū)別對(duì)待.這種觀點(diǎn)突破現(xiàn)有規(guī)范中統(tǒng)一取值的局限性.同時(shí)也是對(duì)CTOD韌度評(píng)定技術(shù)的一種細(xì)化.

4）運(yùn)用概率方法對(duì)EQ70（60mm）焊接接頭進(jìn)行CTOD韌度評(píng)定.評(píng)定結(jié)果為：工藝A焊接接頭的熔合線試樣在要求置信水平不高于94.6%時(shí)，為合格，工藝B焊接接頭的熔合線和焊縫中心試樣在要求置信水平分別不高于86.5%和98.9%時(shí)，為合格.

5）本文中超高強(qiáng)鋼焊接接頭CTOD試驗(yàn)值的概率評(píng)定是基于正態(tài)分布的，而超高強(qiáng)鋼焊接接頭CTOD試驗(yàn)值的分散性很大，試驗(yàn)測(cè)得值并不僅僅服從正態(tài)分布，運(yùn)用單一的正態(tài)分布不能全面的評(píng)定其試驗(yàn)值，還需要考慮其他的分布規(guī)律.同時(shí)在評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果時(shí)存在一定的概率范圍，工程中多大概率滿(mǎn)足需求還需要進(jìn)一步討論.

6）超高強(qiáng)鋼焊接接頭的韌度往往比普通高強(qiáng)鋼焊接接頭的韌度更低.但焊接接頭的韌度與屈服強(qiáng)度存在怎樣的數(shù)學(xué)關(guān)系，還不明確.那么對(duì)于700MPa以上等級(jí)的超高強(qiáng)鋼，CTOD允許值究竟應(yīng)該取多大？本文只針對(duì)EQ70（60mm）焊接接頭的CTOD值與微觀組織特征，提出屈服強(qiáng)度在700MPa以上的超高強(qiáng)鋼厚板焊接接頭的CTOD允許值δmin可以取0.10mm.對(duì)于與本文中同強(qiáng)度等級(jí)的其他超高強(qiáng)鋼種，以及比本文更高強(qiáng)度等級(jí)的超高強(qiáng)鋼種，0.10mm是否還適用還需進(jìn)行更多的試驗(yàn)來(lái)確定.

［1］余 立，苗張木，馬 濤，冷曉暢.海洋工程用鋼疲勞壽命與CTOD值關(guān)系的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010，34（2）：323－327.

［2］中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局.金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法GB／T228－2002［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［3］ British Standard Institution.BS7448Part1：1991.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］.British Standard Institution，1991.

［4］British Standard Institution.BS7448Part2：1997.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials［S］.British Standard Institution，1997.

［5］ Det Norske Veritas.Offshore Standard DNV－OSC401：Fabrication and Testing of Offshore Structures［S］.Det Norske Veritas，2008.

［6］金曉軍，霍立興，張玉鳳，李曉巍，曹 軍.X65管線鋼焊縫金屬斷裂韌度的統(tǒng)計(jì)分布研究［J］.焊管，2003，26（1）：11－14.

［7］矢島浩，多田益男，梶本勝也，縄田卓生，野田俊介.大型構(gòu)造物の損傷例とその教訓(xùn)［J］.西部造船會(huì)會(huì)報(bào)，1986（72）：335－229.