海洋石油工程焊接工藝評(píng)定夏比沖擊試驗(yàn)對(duì)比分析

代緒成，侯大震，朱秀文，劉立勝，仝明磊

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

海洋石油工程焊接工藝評(píng)定夏比沖擊試驗(yàn)對(duì)比分析

代緒成1，侯大震1，朱秀文1，劉立勝1，仝明磊2

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

夏比沖擊試驗(yàn)是一種常用的評(píng)定金屬材料韌性的試驗(yàn)方法，是焊接工藝評(píng)定過程中一項(xiàng)重要的破壞性試驗(yàn)。海洋石油工程常用的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)包括AWS D1.1、ASME B31.3、API1104、CCS《材料與焊接規(guī)范》等，主要從標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、取樣要求、試樣、試驗(yàn)溫度降低值、結(jié)果評(píng)判、復(fù)驗(yàn)六個(gè)方面進(jìn)行分析比較。歸納總結(jié)以上標(biāo)準(zhǔn)的異同點(diǎn)，并重點(diǎn)討論試驗(yàn)溫度降低值關(guān)鍵技術(shù)。

夏比沖擊試驗(yàn)；海洋石油工程；焊接工藝評(píng)定

0 前言

夏比沖擊試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)金屬材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形的能力，在焊接工藝評(píng)定過程中，夏比沖擊試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的評(píng)定項(xiàng)目。通常依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，在焊接接頭不同部位取樣并機(jī)械加工夏比沖擊試樣，測試夏比沖擊試樣在沖擊載荷下的沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值等參數(shù)。

海洋石油工程行業(yè)常用的焊接工藝評(píng)定規(guī)范有 AWS D1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、ASME B31.3《工藝管道》、API 1104《管道及附件焊接規(guī)范》、CCS《材料與焊接規(guī)范》。本研究主要從標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、取樣要求、試樣、試驗(yàn)溫度、結(jié)果評(píng)判、復(fù)驗(yàn)六個(gè)方面分析比較海洋石油工程焊接工藝評(píng)定夏比沖擊試驗(yàn)之間的差異。

1 適用范圍

AWS D1.1適用于焊接鋼結(jié)構(gòu)的一般制作和安裝要求[1]，主要用于海上平臺(tái)、導(dǎo)管架等結(jié)構(gòu)的焊接工藝評(píng)定。ASME B31.3適用于鍋爐、壓力容器及壓力管道進(jìn)行焊接或釬焊時(shí)的工藝評(píng)定[2]，主要用于海上平臺(tái)工藝管線的焊接工藝評(píng)定。API 1104適用于碳鋼管、低合金鋼管及管件等長輸管道的焊接工藝評(píng)定[3]，主要用于立管、海底管線等管線的焊接工藝評(píng)定，但該規(guī)范不要求測試夏比沖擊試驗(yàn)。CCS《材料與焊接規(guī)范》的適用范圍比其他規(guī)范更廣，船體結(jié)構(gòu)、海上設(shè)施結(jié)構(gòu)、鍋爐、壓力容器和管系等焊接工藝評(píng)定均適用[4]。

2 取樣要求

2.1 取樣位置

焊接接頭主要包含焊縫、熱影響區(qū)和母材。為了驗(yàn)證焊接接頭各個(gè)部位性能是否滿足要求，需要對(duì)不同部位取樣進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。

AWS D1.1取樣位置分別為焊縫中心、熔合線+1 mm，熔合線+5 mm，共計(jì)取三組夏比沖擊試樣：母材公稱厚度小于等于12 mm的焊接接頭，3組沖擊試樣均在厚度的1/2處取樣；母材公稱厚度大于12 mm的焊接接頭，焊縫取樣位置位于根部，熔合線+1 mm和熔合線+5 mm均在厚度的1/4處取樣。

依據(jù)設(shè)計(jì)最低溫度、材料類型等因素確認(rèn)ASME B31.3沖擊取樣位置，常用的取樣位置為母材、焊縫熔敷層和熱影響區(qū)。

CCS《材料與焊接規(guī)范》則按照熱輸入范圍、單雙面焊接、母材公稱厚度等因素確定取樣位置，常用取樣位置共四組，分別為焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm，熔合線+5 mm。母材公稱厚度小于等于20mm的單面焊焊接接頭，上述四組夏比沖擊試樣取樣位置距離焊縫表面1～2 mm。母材公稱厚度大于20 mm的單面焊焊接接頭，增加距焊縫根部1～2 mm的焊縫、熔合線兩組夏比沖擊試樣。母材公稱厚度小于等于50 mm的雙面焊焊接接頭，上述四組夏比沖擊試樣取樣位置距離后焊側(cè)的焊縫表面1～2 mm。母材公稱厚度大于50 mm的雙面焊焊接接頭，增加焊縫根部的焊縫、熔合線兩組夏比沖擊試樣。

2.2 取樣方向

各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范取樣方向要求完全相同，夏比沖擊試樣的縱向中心線必須垂直于焊縫軸線，并且缺口必須垂直于表面，除非在合同文件中另有規(guī)定。

3 試樣

各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均要求根據(jù)母材公稱厚度選擇合適的夏比沖擊試樣尺寸，且盡可能取最大尺寸的夏比沖擊試樣，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm。每組夏比沖擊試樣數(shù)量、輔助試樣尺寸、輔助試樣適用范圍等差別較大。

由表1可知，AWS D1.1增加方案B主要是考慮到焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能存在一定的不均勻性或缺陷。試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判時(shí)應(yīng)去除最高值和最低值，降低焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊試驗(yàn)的離散度，該方案值得其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范借鑒。

表1 夏比沖擊試樣的差異Table 1 Difference of charpy impact test specimens

AWS D1.1和ASME B31.3輔助試樣的尺寸基本相同，CCS《材料與焊接規(guī)范》輔助試樣的尺寸僅有10 mm×7.5 mm和10 mm×5 mm兩種，且母材公稱厚度小于6 mm的材料，一般不要求做沖擊試驗(yàn)。

輔助試樣適用范圍存在一定差異，其中AWS D1.1規(guī)定母材厚度大于等于11 mm時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，而CCS《材料與焊接規(guī)范》中規(guī)定為10 mm。由于組對(duì)錯(cuò)邊、焊接變形、機(jī)械加工余量等因素影響，當(dāng)母材公稱厚度等于10 mm時(shí)，機(jī)械加工試樣可能無法加工出標(biāo)準(zhǔn)尺寸，因此AWS D1.1規(guī)定的11 mm更為科學(xué)合理。

4 試驗(yàn)溫度降低值

夏比沖擊試驗(yàn)溫度一般在合同文件或項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定，本研究主要解讀夏比沖擊試驗(yàn)輔助試樣溫度值降低要求。其中，AWS D1.1和ASME B31.3均對(duì)輔助試樣沖擊溫度降低值有具體要求，降低值存在一定差異，如表2所示。CCS《材料與焊接規(guī)范》中輔助試樣的夏比沖擊試驗(yàn)不需要降低試驗(yàn)溫度。

表2 AWS D1.1和ASME B31.3夏比沖擊試驗(yàn)溫度降低值Table 2 Charpy impact test temperature reduction of AWS D1.1 and ASME B31.3

AWS D1.1和ASME B31.3輔助試樣在溫度降低方法上也存在一定差異。其中，AWS D1.1規(guī)定當(dāng)輔助試樣沿缺口的試樣寬度小于母材公稱厚度的80%時(shí)，試驗(yàn)溫度必須按表2所示降低。如母材公稱厚度為7 mm對(duì)接焊，合同規(guī)定沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃。若加工完成的沖擊試樣尺寸為10 mm×6 mm（大于母材公稱厚度的80%），沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃；若加工完成的沖擊試樣尺寸為10 mm×5 mm（小于母材公稱厚度的80%），則沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃-11.1℃=-51.1℃。

ASME B31.3對(duì)溫度降低值要求則更加復(fù)雜。公稱厚度大于等于10 mm的母材，若最大可取試樣沿缺口寬度大于等于8 mm，則無需降低試驗(yàn)溫度；反之，試驗(yàn)溫度按照表2所示降低。公稱厚度小于10 mm的母材，如果可獲得最大夏比V型缺口試樣的寬度不小于80%母材公稱厚度時(shí)，則無需降低試驗(yàn)溫度；反之，需降低試驗(yàn)溫度，溫度降低值等于實(shí)際母材公稱厚度對(duì)應(yīng)溫度降低數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)的夏比沖擊試樣寬度對(duì)應(yīng)的溫度降低值之差。例如φ88.9×7.62鋼管對(duì)接焊，合同規(guī)定沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃。若加工完成的沖擊試樣尺寸為10mm×7mm（大于母材公稱厚度的80%），則沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃；若加工完成的沖擊試樣尺寸為10 mm×6 mm（小于母材公稱厚度的80%），則沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃-（T1-T2）℃，其中T1為母材公稱厚度7.62 mm對(duì)應(yīng)的溫度降低值。通過表2中（8 mm，0℃）和（7.5 mm，2.8℃）兩數(shù)值，采用線性內(nèi)插法計(jì)算得出T1＝2.128℃。T2為沖擊試樣寬度6 mm對(duì)應(yīng)的降低值，通過查詢表2為8.3℃，即沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃+（2.128℃-8.3℃）=-46.172℃。

5 結(jié)果評(píng)判

夏比沖擊試驗(yàn)常用測量參數(shù)主要有沖擊吸收功和側(cè)膨脹值。AWS D1.1和CCS《材料與焊接規(guī)范》主要評(píng)判沖擊吸收功，ASME B31.3主要評(píng)判沖擊吸收功和側(cè)膨脹值，其中沖擊吸收功主要用于評(píng)判抗拉強(qiáng)度小于656 MPa的碳鋼和低合金鋼，側(cè)膨脹值用于評(píng)判抗拉強(qiáng)度大于等于656 MPa的碳鋼和低合金鋼、螺栓連接材料以及P-NO.6、7、8高合金鋼。

合同或項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書中沖擊吸收功可接受值是基于標(biāo)準(zhǔn)試樣，而輔助試樣沖擊吸收能量可接受值則根據(jù)不同尺寸對(duì)應(yīng)的換算系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)試樣可接受值換算后進(jìn)行結(jié)果評(píng)判。夏比沖擊試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則及輔助試樣換算要求如表3所示。

由表3可知，其基本要求相同，即單個(gè)值均不得低于規(guī)定最小單個(gè)值，平均值不得低于規(guī)定最小平均值，允許有1個(gè)單個(gè)值低于規(guī)定最小平均值。但允許1個(gè)單個(gè)值低于規(guī)定平均值的附加要求不一樣，AWS D1.1大于等于規(guī)定的最小單個(gè)值；ASME B31.3大于等于規(guī)定最小平均值的2/3；CCS《材料與焊接規(guī)范》大于等于規(guī)定最小平均值的70%。

表3 夏比沖擊試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則及輔助試樣換算要求Table 3 Acceptance criteria of test result and requirement of subsize specimens energy values

6 復(fù)驗(yàn)

AWS D1.1中規(guī)定，夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果不滿足表3要求時(shí)可進(jìn)行一次復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)條件和評(píng)判要求如表4所示。ASME B31.3和CCS《材料與焊接規(guī)范》則要求不合格試驗(yàn)必須具備一定條件方可再取一組3個(gè)沖擊試樣進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，否則視為不合格。

表4 夏比沖擊試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)條件和評(píng)判要求Table 4 Requirement and acceptance criteria of retest

由表4可知，AWS D1.1復(fù)驗(yàn)條件較為寬松，初驗(yàn)不合格即可復(fù)驗(yàn)。ASME B31.3則相對(duì)較嚴(yán)格，CCS《材料與焊接規(guī)范》最為嚴(yán)格，兩者的主要區(qū)別是ASME B31.3允許3個(gè)試樣的單個(gè)值低于規(guī)定的最小平均值，而CCS《材料與焊接規(guī)范》只允許最多2個(gè)試樣的單個(gè)值低于規(guī)定的最小平均值。

將CCS《材料焊接與規(guī)范》復(fù)驗(yàn)評(píng)判要求與不合格復(fù)驗(yàn)條件結(jié)合進(jìn)行分析，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容即3個(gè)試樣的每一個(gè)單個(gè)值必須大于或等于規(guī)定的最小平均值。因此，AWS D1.1、ASME B31.3、CCS《材料與焊接規(guī)范》復(fù)驗(yàn)評(píng)判要求均相同。

ASME B31.3側(cè)膨脹值復(fù)驗(yàn)條件為：3個(gè)試樣中的1個(gè)試樣的側(cè)膨脹值小于0.38 mm，但大于等于0.25 mm，且3個(gè)試樣的平均值大于等于0.38 mm時(shí)，則可另取3個(gè)試樣復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)的每個(gè)試樣的側(cè)膨脹值均應(yīng)大于等于0.38 mm。

7 結(jié)論

海洋石油工程行業(yè)涉及結(jié)構(gòu)、工藝管線、壓力容器、海底管線等多個(gè)專業(yè)，不同專業(yè)適用的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不同。分析比較發(fā)現(xiàn)，海洋石油工程焊接工藝評(píng)定常用標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、取樣要求、試樣、試驗(yàn)溫度降低值、結(jié)果評(píng)判、復(fù)驗(yàn)等都存在一定差異，僅試樣取樣方向和復(fù)驗(yàn)結(jié)果評(píng)判保持一致。部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有些條款設(shè)置缺乏一定的可操作性，在今后標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更新中應(yīng)予以修改。

夏比沖擊試驗(yàn)在焊接工藝評(píng)定過程中屬于至關(guān)重要的一項(xiàng)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，焊接工藝評(píng)定失敗大多數(shù)是由于夏比沖擊試驗(yàn)不合格所導(dǎo)致的。本研究歸納總結(jié)海洋石油工程焊接工藝評(píng)定不同標(biāo)準(zhǔn)之間夏比沖擊試驗(yàn)，對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)實(shí)際操作具有一定的指導(dǎo)意義。

[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，中國船級(jí)社材料與焊接規(guī)范[S].

[4]中國船級(jí)社材料與焊接規(guī)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

本文參考文獻(xiàn)引用格式：代緒成，侯大震，朱秀文，等.海洋石油工程焊接工藝評(píng)定夏比沖擊試驗(yàn)對(duì)比分析[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：87-91.

2017-05-09；

2017-05-24

代緒成（1985—），男，工程師，學(xué)士，主要從事海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評(píng)定理化檢驗(yàn)工作。E-mail：daixc@mail.cooec.com.cn。