止裂韌度值Kca的實尺模型試驗研究

Takehiro Inoue，Yoshiya Yamaguchi，Hiroshi Yajima，Shuji Aihara，Hitoshi Yoshinari，Kazuhiro Hirota，Masanobu Toyoda，Takaaki Kiyosue，Tsunehisa Handa，Tomoya Kawabata0，Tokutaka Tani

（1. 日本鋼鐵公司；2. 日本海事協(xié)會；3. 長崎應(yīng)用科學(xué)研究所；4. 東京大學(xué)；5. 國家海事研究所；6. 三菱重工有限公司；7. IHI船舶聯(lián)合公司；8. 川崎造船公司；9. JFE鋼鐵公司；10. 住友金屬工業(yè)有限公司；11. 神戶制鋼有限公司）

許立人譯，王 璞、趙耕賢校審.

0 前 言

大型結(jié)構(gòu)的脆性斷裂會產(chǎn)生致命的結(jié)構(gòu)破壞和嚴(yán)重的環(huán)境損害。脆性裂紋止裂的理念使預(yù)防脆性裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展成為可能。對于有可能產(chǎn)生巨大社會損害的某些大型結(jié)構(gòu)的意外失效，這個理念是極為重要的。這一理念可以應(yīng)用于如LNG或LPG船的低溫儲存艙、液壓輸送管、大型運輸船等。研究人員指出：EH級船用鋼有長脆性裂紋的止裂能力，可用于舷頂列板和甲板邊板，盡管沒有一家船級社的規(guī)范明確要求這種構(gòu)件需要止裂能力。

日本船舶研究協(xié)會第147研究委員會（SR147委員會，1978），在1980年代對船用鋼的脆性裂紋止裂特性進(jìn)行了研究。該委員會曾得出結(jié)論，在裂紋由焊縫處產(chǎn)生進(jìn)入母材以后，裂紋可被制止裂。這個結(jié)論都是從厚度小于或等于 40mm的鋼板大比例止裂試驗中得出的，大部分鋼板的厚度估計為25mm。

然后，根據(jù)Inoue等人的裂紋止裂試驗指出：極厚船用鋼及其焊接接頭對脆性裂紋沒有止裂能力。這就意味SR147委員會的結(jié)果不適用極厚船用鋼。

在本研究中，進(jìn)行了兩種模型試驗，也就是：超寬雙向ESSO試驗和實尺（full-scale）構(gòu)件試驗，以確定止裂韌度值 Kca。寬度為 500～600mm 的試驗來模擬實際船體結(jié)構(gòu)中長的擴(kuò)展裂紋，其寬度不夠。由于超寬雙向ESSO試驗與實際構(gòu)件的試驗相比，是一種更為保守的試驗，試驗沒有大的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。實尺試驗是針對實際大型集裝箱船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬試驗。

1 實尺模型試驗用的鋼板

超寬雙向ESSO試驗和實尺試驗均采用厚度為60mm和75mm的TMCP鋼。它們的化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1、2所示。

表1 鋼板的化學(xué)成分

表2 材料性能

圖1 鋼板的Kca試驗結(jié)果

圖1 顯示脆性裂紋止裂韌度試驗Kca的試驗結(jié)果。實尺試驗的Kca值是在對應(yīng)溫度下進(jìn)行的。

2 超寬雙向ESSO試驗

2.1 試驗方法

實尺試驗的試樣是寬度為1.6m焊縫上有裂紋的板，進(jìn)行了兩種試驗。

圖2為超寬雙向ESSO試驗的試樣。具有裂紋的焊縫長度為1.6m，用電弧焊（EGW）焊接，它是造船鋼板常用的一種高熱量焊接方法。SR147委員會（1987）提出，裂紋的初始切口用觸發(fā)脈沖，以防止由于焊接剩余應(yīng)力產(chǎn)生的脆性裂紋偏移。本研究中，所有的實尺模型試驗裂紋初始切口均為如此制作，脆性裂紋沿焊縫擴(kuò)展1.2m長，且進(jìn)入試驗板。

圖2 超寬雙向ESSO試驗的試樣

表3所示為用于制作試樣的焊條實例。對接焊縫選擇低韌度焊條，這樣脆性裂紋就可容易地穿透對接焊縫。

圖3顯示用于靜態(tài)/動態(tài)測量的應(yīng)變測量片和裂紋測量片。裂紋測量片用于測量裂紋速度和裂紋擴(kuò)展到試驗板中的時間。應(yīng)變測量片用于測量應(yīng)力分布，應(yīng)力波擴(kuò)展和在脆性裂紋止裂時的負(fù)載下降。

表3 超寬雙向ESSO試驗試樣的焊條

圖3 帶夾具和應(yīng)變測量片的超寬雙向ESSO試樣（TMCP-2級鋼）

圖4為由TMCP-2級鋼制作的帶兩種類型夾具的超寬雙向ESSO試樣。對于止裂試驗，B型夾具比A型夾具好，因為應(yīng)力波反射延遲，以致于在裂紋擴(kuò)展階段應(yīng)力反映引起局部卸載。

2.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表4。進(jìn)入試驗板的脆性裂紋長度大于3倍板厚時，可判斷為“擴(kuò)展”。圖5所示為超寬雙向ESSO試驗的裂紋路徑實例。

對TMCP-1鋼板，超寬雙向ESSO試驗中的裂紋止裂韌度值Kca為6000 N/mm3/2。TMCP-2鋼板超寬雙向ESSO試驗的結(jié)果表明“止裂”和“擴(kuò)展”數(shù)據(jù)相同，也為Kca=6000 N/mm3/2?！爸沽选痹嚇拥膴A具要用比“擴(kuò)展”試樣的更加剛性。這表明由應(yīng)力波引起的載荷下降可能改變試驗結(jié)果。動態(tài)測量結(jié)果將在下述“討論”一節(jié)中討論。

圖4 帶夾具的超寬雙向ESSO試樣

表4 超寬雙向ESSO的試驗結(jié)果

圖5 超寬雙向ESSO試驗的裂紋路徑實例

3 實尺構(gòu)件試驗

3.1 試驗方法

圖6為實尺構(gòu)件試驗的試樣。具有裂紋的板幾乎與超寬雙向ESSO試驗相同，是一塊寬度為1.6m電弧焊焊縫，裂紋的初始切口是用觸發(fā)脈沖形成。在實尺結(jié)構(gòu)試驗中，磨去最下100mm的電弧焊焊縫，采用模擬實際集裝箱船艙口側(cè)向圍板的全焊透焊接。

表5為用于制作試樣的焊條。除了LC-T1-1試樣的全焊透焊接外，所有焊接程序、焊接條件、焊條和順序等的選擇均與制作實際集裝箱船的結(jié)構(gòu)相同。選擇低韌度焊條焊接部分焊透的焊縫，以防止LC-T1-1試樣中裂紋止裂于部分焊透的焊縫。

表5 實尺結(jié)構(gòu)模型試驗的焊接方法和焊條

在實尺結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗中也采用裂紋測量片，應(yīng)變測量片和激光傳感器進(jìn)行動態(tài)測量。圖7為用于靜態(tài)/動態(tài)測量的應(yīng)變測量片和裂紋測量片。

3.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表 6。TMCP-1鋼板，脆性裂紋-17℃時止裂韌度值 Kcs為 5000N/mm3/2。TMCP-2鋼板，脆性裂紋-19℃時止裂韌度值 Kcs為5000N/mm3/2裂紋擴(kuò)展并穿透試樣，這表明厚度對長裂紋止裂性能有影響。

圖7 帶夾具和應(yīng)變測量片的實尺結(jié)構(gòu)模型試驗試樣（TMCP-2鋼）

圖8 實尺構(gòu)件試驗中的裂紋路徑照片

4 討 論

4.1 止裂試驗結(jié)果的有效性

圖9為LD-T2-1試樣和LD-T2-3試樣的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)。盡管這兩種試樣的母板和焊接條件，以及試驗條件完全相同，但兩種試樣的裂紋速度之間有著很大差別。LD-T2-1試樣的平均裂紋速度大約為700m/s，而LD-T2-3試樣的平均裂紋速度大約為1400m/s，是LD-T2-1試樣的2倍。因此，在兩種試樣中裂紋進(jìn)入試驗板的時間也相差很大。在LD-T2-1試樣和LD-T2-3試樣中的時間分別為2000μs和1100μs。它們將影響試樣的載荷下降。圖9指出，在LD-T2-1試樣中裂紋進(jìn)入試驗板時的載荷是80%，而在LD-T2-3試樣中為90%。這將影響試驗的結(jié)果。

表6 實尺構(gòu)件試驗結(jié)果

由此可以得出如下結(jié)論：夾具的剛度不僅對止裂/擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)有影響，而且對裂紋的速度也有影響。因此，在TMCP-2鋼板的超寬雙向ESSO試驗中，6000N/mm3/2的Kca值大約只是止裂和擴(kuò)展之間的邊界。

4.2 模擬實尺構(gòu)件止裂試驗試樣的尺度

在本研究中，對各種尺度的試樣進(jìn)行了止裂試驗。中等尺度的試驗，雙向ESSO試驗和大尺度構(gòu)件試驗被用來研究結(jié)構(gòu)節(jié)點對脆性裂紋止裂性能的影響（見Handa等人2010年的論文）。實際尺度試驗，即超寬雙向ESSO試驗和實尺結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗，可以模擬實際船舶的實際裂紋止裂性能，因為它們具有與實際船舶構(gòu)件相同的尺度和采用寬度為1.6m的具有裂紋的板，有可能使足夠長度的脆性裂紋在進(jìn)入試驗板前能足夠快地擴(kuò)展。

包括較小型止裂試驗在內(nèi)的各種試驗的結(jié)果總結(jié)示于圖10（見Handa等人2010年的論文）。圖10沒有顯示出與試樣尺度有明確的依賴關(guān)系。建議在長脆性裂紋止裂性能的研究中采用本研究使用的尺度足夠大的試樣，因為，現(xiàn)在還沒有確立從較小試驗的結(jié)果來確定實船試驗的程序。

圖9 LD-T2-1試樣和LD-T2-3試樣超寬雙向ESSO試驗的動態(tài)測量數(shù)據(jù)

圖10 包括中型試驗在內(nèi)的各種試驗的結(jié)果總結(jié)

4.3 超寬雙向ESSO試驗和實尺構(gòu)件試驗的意義

圖10 顯示超寬雙向ESSO試驗情況比實尺構(gòu)件試驗更為嚴(yán)重。超寬雙向ESSO試驗的脆性裂紋止裂韌度 Kca要高于實尺構(gòu)件試驗值。實尺構(gòu)件試驗是大型集裝箱船艙口側(cè)圍板與甲板板連接的模擬止裂試驗。超寬雙向ESSO試驗是以平板進(jìn)行的機(jī)械止裂試驗。大型集裝箱船艙口側(cè)圍板與甲板板的連接是十字連接或T型連接。由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，實際船舶連接處的脆性裂紋要比超寬雙向ESSO試驗更容易止裂。因此可以得出結(jié)論：在確定實際大型集裝箱船艙口側(cè)圍板與甲板板連接處裂紋止裂的試驗方法中，超寬雙向ESSO試驗是最保守的方法之一。

4.4 脆性裂紋止裂設(shè)計需要的Kca值

在TMCP-2鋼板承受257N/mm2的均布應(yīng)力的情況，6000N/mm3/2的 Kca值大約只是止裂和擴(kuò)展之間的邊界。對TMCP-1鋼板，超寬雙向ESSO試驗中需要的 Kca值為 6000N/mm3/2。考慮到前節(jié)討論的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，對脆性裂紋止裂設(shè)計來說，6000N/mm3/2的Kca值被認(rèn)為是足夠的。

5 結(jié) 語

本文采用實尺模型進(jìn)行試驗的經(jīng)驗方法，研究了脆性裂紋止裂設(shè)計需要的止裂韌度值Kca。

1) 超寬雙向 ESSO試驗得到的脆性裂紋止裂韌度值Kca高于實尺構(gòu)件試驗的值。

2) 超寬雙向 ESSO試驗得到的脆性裂紋止裂韌度值Kca為6000N/mm3/2或更高?？紤]到結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，對脆性裂紋止裂設(shè)計來說，6000N/mm3/2的Kca值被認(rèn)為是足夠的。

致謝（略）