CTOD試驗方法在海上風(fēng)電導(dǎo)管架制作上的應(yīng)用

劉華欣

宏華海洋油氣裝備（江蘇）有限公司 江蘇南通 226259

1 序言

隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣黾樱Ｉ巷L(fēng)電作為一種高效且可持續(xù)的能源解決方案，正迅速發(fā)展。海上風(fēng)電導(dǎo)管架是支撐風(fēng)塔、風(fēng)機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，承受著巨大的靜態(tài)和動態(tài)風(fēng)力、波浪和海流力等多種荷載作用，同時面對著海洋環(huán)境的極端條件，如海洋鹽霧、氧化腐蝕和水動力效應(yīng)等，一旦導(dǎo)管架某一部位出現(xiàn)裂紋，整套海上風(fēng)塔很容易發(fā)生斷裂倒塌的災(zāi)難性事故。有研究表明，許多破壞事故是在低溫條件、焊接處或高應(yīng)力集中處等情況下發(fā)生的，而直接的破壞原因是結(jié)構(gòu)中存在的裂紋，因裂紋的擴展而引起的機構(gòu)脆性斷裂。因此，為了確保海上風(fēng)電導(dǎo)管架的可靠性和安全性，斷裂行為的研究就顯得至關(guān)重要[1]。

從斷裂的研究進展可以知道，宏觀裂紋與鋼材的斷裂關(guān)系很大，對于含有裂紋的結(jié)構(gòu)還有待于進行全面的安全評定。沖擊韌度指標(biāo)雖然能夠反映鋼材韌性的好壞，卻無法對構(gòu)件是否會發(fā)生脆性斷裂進行分析。對鋼結(jié)構(gòu)件的斷裂設(shè)計最為關(guān)鍵的是確定裂紋開始擴展時的臨界條件，必須通過斷裂力學(xué)的理論進行分析才有可能達到[2]。

裂紋尖端張開位移（CTOD）作為一種斷裂韌度評估指標(biāo)，能夠更準(zhǔn)確地描述材料在斷裂前的裂紋擴展行為。王志堅等[3]依據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7448-1：1991《斷裂韌度試驗 部分1：金屬材料KIC值、特征CTOD值和特征J值的測定方法》和DNV-OS-C 401：2007《DNV船級社規(guī)范制造和測試 離岸結(jié)構(gòu)物組裝和實驗標(biāo)準(zhǔn)》，采用埋弧焊和CO2氣體保護焊對板厚80mm的海洋石油平臺導(dǎo)管架對接接頭試樣進行低溫CTOD試驗，探討了這種大厚板焊接接頭在埋弧焊和CO2氣體保護焊工藝下免除焊后熱處理的可能性。華中科技大學(xué)楊秀芝等[4]對高強船體鋼雙絲埋弧焊焊接接頭進行低溫CTOD測定，試驗采用16mm試樣，裂紋預(yù)制于焊縫中心，在－40℃條件下測定，發(fā)現(xiàn)CTOD值＞0.15mm，符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

本文分別從CTOD的概念和試驗方法介紹焊接接頭斷裂韌度評定方法，列舉了CTOD在海上風(fēng)電導(dǎo)管架制作過程中的應(yīng)用實例及經(jīng)濟性，為海上風(fēng)電行業(yè)提供一種新型的設(shè)計和評估方法，以提高海上風(fēng)電導(dǎo)管架的性能和可持續(xù)發(fā)展能力。

2 CTOD簡介

CTOD是一種用于評估材料斷裂韌度的關(guān)鍵參數(shù)，是構(gòu)件受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面張開的相對距離[5]，即裂紋尖端在斷裂前的最大位移或開口大小，可以用來描述材料在承受應(yīng)力時裂紋的擴展行為（見圖1）。CTOD值越大，表示材料抗開裂性能越好，即韌性越好，反之韌性越差。

圖1 CTOD定義

2.1 CTOD測量方法

（1）傳統(tǒng)方法 傳統(tǒng)的CTOD測量方法包括使用傳感器、擴展計和位移計等設(shè)備來監(jiān)測裂紋尖端的位移或開口大小的變化。這些方法通常需要在試樣上安裝傳感器，并對試樣施加一定的加載或應(yīng)力。通過測量裂紋尖端處的位移或開口大小，可以得到CTOD值。

（2）光學(xué)方法 近年來，光學(xué)方法在CTOD測量中得到了廣泛應(yīng)用。其中，數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation，DIC）和全場光測量法（Full-field Optical Measurement，F(xiàn)OM）是常見的技術(shù)。這些方法利用高速相機和圖像處理算法，可以實時測量裂紋尖端的位移和形變，并計算出CTOD值。

2.2 CTOD計算模型

（1）單純剪切法 單純剪切法是一種常用的CTOD計算模型，它基于剪切模態(tài)下的裂紋擴展行為。該方法通過測量裂紋尖端處的位移和應(yīng)力場分布，結(jié)合彈塑性力學(xué)理論和裂紋力學(xué)參數(shù)，計算出CTOD值。

（2）位移控制法 位移控制法是另一種常見的CTOD計算模型，它基于位移模態(tài)下的裂紋擴展行為。該方法通過施加一定的位移或加載，監(jiān)測裂紋尖端的位移和應(yīng)力變化，并計算出CTOD值。位移控制法可以通過試驗和數(shù)值模擬來獲得CTOD的估值。

（3）應(yīng)力分析法 應(yīng)力分析法是一種基于有限元分析的CTOD計算模型。它通過建立裂紋尖端附近的有限元模型，考慮材料的力學(xué)性能和邊界條件，模擬裂紋擴展行為，并計算出CTOD值。應(yīng)力分析法可以提供更準(zhǔn)確的CTOD估值，但需要考慮材料的本構(gòu)模型和邊界條件等因素。

3 某海上風(fēng)電導(dǎo)管架產(chǎn)品試驗方法

我公司承接的某海上風(fēng)電導(dǎo)管架產(chǎn)品施工技術(shù)要求：“產(chǎn)品焊后應(yīng)按CCS 2021《材料與焊接規(guī)范》中的規(guī)定，做好焊后熱處理，其焊后熱處理的溫度為550～620℃。根據(jù)規(guī)范要求，若有資料證明（如CTOD試驗）焊后接頭具有良好的斷裂韌度，可免作焊后熱處理?！笨紤]到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場熱處理難度非常大，且熱處理周期較長，特參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》和CCS 2021《材料與焊接規(guī)范》要求實施CTOD試驗，用來免除焊后熱處理。

3.1 試驗取樣加工

（1）焊接試板的制作 根據(jù)客戶某產(chǎn)品規(guī)格型號要求，本次焊接試板采用85mm的Q355NE Z35和85mm的EH36 Z35兩種規(guī)格鋼板，焊接試板清單見表1，坡口形式如圖2所示。

表1 焊接試板清單

圖2 坡口形式

（2）試樣制備 焊接試板焊后經(jīng)無損檢測合格后，對焊縫及熱影響區(qū)粗晶區(qū)進行CTOD測試樣品制備，試樣制備尺寸要求如圖3所示，具體分以下幾步。

圖3 試樣制備尺寸要求

1）按照W＝B＝85mm，S＝340mm的樣品尺寸對試板進行截取，同時避開局部缺陷區(qū)域。

2）為更科學(xué)地反映試板的抗裂性能，每塊試板上取3組試樣，對試板進行機械加工處理，得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求的未開口測試樣品毛坯，分別編好試樣編號。

3）對焊縫進行腐蝕，精確找到機械加工開口位置，之后沿貫穿厚度方向進行機械加工開口，開口長度設(shè)置為0.6W＝51mm。

4）對機械加工開口前端裂紋擴展延長線區(qū)域進行殘余應(yīng)力的消除。

5）預(yù)制疲勞裂紋。使用高頻疲勞試驗機對試樣機械加工開口進行預(yù)制裂紋，疲勞頻率設(shè)置為60Hz，裂紋長度為0.05W＝4.25mm。

（3）試樣檢查 試樣加工完成后，應(yīng)對試樣的符合性進行檢查，記錄有效厚度、寬度和機械加工開口長度，試樣數(shù)據(jù)見表2。部分試樣如圖4所示。若確認(rèn)無誤后，則可上機進行測試。

表2 試樣加工尺寸（mm）

圖4 加工后試樣

（4）試驗儀器 試驗使用的設(shè)備高頻疲勞試驗機和高低溫環(huán)境箱，設(shè)備需進行計量校正，允許誤差滿足試驗要求。設(shè)備清單及型號見表3。

表3 設(shè)備清單及型號

（5）試驗前狀態(tài) 將試樣放置環(huán)境箱內(nèi)降溫至－20℃并保溫1h以上，取出后放置在高頻疲勞試驗機上，試樣開口處放置COD規(guī)，試驗準(zhǔn)備就緒。試樣試驗前狀態(tài)如圖5所示。

圖5 試樣試驗前狀態(tài)

3.2 試驗過程

設(shè)置壓頭下壓速率為1.55mm/min，開始施加壓力，設(shè)備達到試樣承受的最大載荷后，試樣裂紋尖端處開裂，根據(jù)載荷-位移（F-V）曲線記錄最大載荷量和缺口張開位移的塑性分量Vp。部分試樣試驗過程及F-V曲線如圖6所示。

圖6 試驗過程及F-V曲線

3.3 試驗結(jié)果

將壓斷的試樣使用標(biāo)準(zhǔn)要求的9點法測量預(yù)制裂紋長度，即沿試樣厚度方向取9個位置分別測量，其中最外側(cè)的兩個點位于距試樣表面0.005W處（即0.425mm處），然后在這兩個點之間等間距取7個測量位置。9點測量法如圖7所示。

圖7 9點測量法

測量后記錄，根據(jù)式（1）計算出平均長度a0，根據(jù)裂紋有效性判定參數(shù)計算出a0/W、最小裂紋長度、（amax－amin）/a0數(shù)值，進而判定裂紋是否有效。其中試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 裂紋測量數(shù)據(jù)及有效性判定

式中a01～a09——9點法測量的裂紋長度（mm）；

a——機械加工開口長度（mm）。

根據(jù)式（3）計算CTOD特征值

式中δ0——CTOD特征值（mm）；

S——跨距（mm）；

W——試樣寬度（mm）；

F——施加載荷（kN）；

B——試樣厚度（mm）；

BN——兩側(cè)槽之間的試樣凈厚度（mm）；

υ——泊松比，取值0.33；

RP0.2——在試驗溫度下材料在垂直于裂紋平面方向0.2%的規(guī)定塑性延伸強度（MPa）；

E——試驗溫度下的彈性模量（GPa）；

R——轉(zhuǎn)動半徑（mm）；

Z——用于測定缺口張開位移的引伸計裝夾位置距離試樣表面之間的距離（mm）；

a0——（初始裂）紋平均長度（mm）；

VP——V的塑性分量（mm）。

轉(zhuǎn)動半徑R由下式計算，即

3.4 試驗結(jié)論

匯總每組試樣的CTOD特征值，對照CCS 2021《材料與焊接規(guī)范》要求對其判斷結(jié)果的有效性。業(yè)主及監(jiān)理單位認(rèn)可試驗結(jié)果，認(rèn)為焊后接頭具有良好的斷裂韌度，可免除焊后熱處理。試驗數(shù)據(jù)有效性判定及結(jié)論見表5。

表5 試驗數(shù)據(jù)有效性判定及結(jié)論

4 CTOD的應(yīng)用

導(dǎo)管架（見圖8）是海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要分布在我國的渤海、黃海、東海和南海等海域。由于渤海冬季寒冷、有浮冰，所以必須考慮導(dǎo)管架冰載荷和低溫沖擊韌度，南海海域冬季溫度相對高些。因此，對于建造不同海域的海上風(fēng)電導(dǎo)管架對其結(jié)構(gòu)斷裂韌度的要求是不同的。通過CTOD試驗方法可以對不同溫度下的焊接接頭韌性進行評估[6]。

圖8 導(dǎo)管架

苗張木等[7]按照英國相關(guān)規(guī)范，用CTOD試驗技術(shù)測試了板厚為90mm的海洋平臺導(dǎo)管架焊接接頭的韌性，對3項焊接工藝進行了評定，結(jié)果表明，3項焊接工藝的所有焊接接頭（包括焊縫和熱影響區(qū)）試樣的CTOD特征值，都大于設(shè)計規(guī)格書的要求，所評定的3項焊接工藝可以直接用于海洋平臺導(dǎo)管架建造，焊后允許不進行熱處理。CTOD評定技術(shù)的應(yīng)用有效減少了焊縫質(zhì)量控制和焊后熱處理環(huán)節(jié)，極大地降低了建造施工成本。

以某海上風(fēng)電導(dǎo)管架項目為例，涉及需要熱處理的焊縫長度約563m（其中主管長約407m，過渡段長約156m），以每段焊縫焊后熱處理溫度為550～620℃計算，公司現(xiàn)有的12個溫度控制點智能溫控儀（DWK-D-240kw）5臺，一般熱處理所需時間15h，其中保溫時間3h，所需用電量84240kW·h，預(yù)估費用約8.4萬元，且部分合攏縫處于立體空間，高度差非常大，采用熱處理難度很大；而采用CTOD試驗替代焊后熱處理，所需要的試驗費用約6萬元，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，按年度產(chǎn)出10套該類型導(dǎo)管架計算，全年可節(jié)省成本約83萬元，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

綜上可知，CTOD試驗在海上風(fēng)電導(dǎo)管架平臺建造工程中發(fā)揮著重要的作用，具有很高的社會效益和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

隨著我國海上風(fēng)電向深海發(fā)展戰(zhàn)略和“雙30”目標(biāo)的實施，海上風(fēng)電導(dǎo)管架的工作環(huán)境將越加復(fù)雜惡劣。為保證海上風(fēng)電及其導(dǎo)管架的安全可靠，對結(jié)構(gòu)斷裂韌度的要求將會越來越高。目前，在工程中應(yīng)用最實用、最經(jīng)濟的測試方法是CTOD試驗技術(shù)。CTOD試驗作為一項材料斷裂韌度的重要評定技術(shù)，將在海上風(fēng)電導(dǎo)管架及其他海洋工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。