技術百科：海洋鋼結構的斷裂韌性CTOD試驗

背景

海洋鋼結構包括海上風機、海洋采油平臺、跨海大橋和海港碼頭等等，這些鋼結構普遍采用厚鋼板焊接而成。海洋鋼結構服役環境惡劣，鋼板厚度大強度高。它們不僅承受巨大的靜載荷，還要承受波浪、海流、臺風等引起的動載荷，容易疲勞破壞。而鋼板厚度大焊接缺陷（例如微裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等等）更容易發生。因此，在海洋鋼結構建造中，必須保證焊接接頭具有足夠的韌性（抗開裂性能）。這樣，盡管存在缺陷（類裂紋），這些缺陷也不會擴展或擴展很緩慢，鋼結構在服役期間仍然是安全的。CTOD斷裂韌性試驗提供了一種材料存在缺陷的情況下，阻止變形及裂紋擴展能力的評價方式。

CTOD斷裂韌性評價是什么

用傳統的沖擊試驗來考核韌性指標，對于大型結構偏于危險，且忽略焊接缺陷的影響。標準沖擊試樣尺寸10mm*10mm*55mm，對于海洋鋼結構大多是厚鋼板焊接結構，存在取樣限制，不夠科學合理，無法進行焊接接頭的全厚度韌性測定。

CTOD（Crack Tip Opening Displacement） 裂紋尖端張開位移試驗，是一種評價材料和焊接接頭抗斷裂性能的有效方法。工業發達國家已經在制造業廣泛應用CTOD試驗作為焊接接頭的評定方法，尤其是板厚超過50mm按規范必須做CTOD試驗，近年來國內海工行業也呈現這一趨勢。

CTOD評價方式是采用與鋼結構相同厚度的板材焊接一塊試板，在厚度方向開一個機械缺口，然后通過疲勞的方式制造一個人工裂紋缺陷，通過施加外部載荷來觀察裂紋的擴展及斷裂情況。考慮焊接接頭不同區域的性能會有所差別，一般需要分別在焊縫和熱影響區進行試驗。

CTOD斷裂韌性評價的優勢

CTOD突破了只考核強度、塑性、沖擊韌性的傳統做法，將客觀存在的缺陷納入考量，對結構整體的斷裂韌性進行全面評估，大大降低了安全隱患；一些鋼結構設計規范（如EN 10225）及船舶設計規范（各船級社）已經將CTOD斷裂韌性，作為一項必要的考核數據，尤其是針對厚度50mm以上的結構。部分船級社規范（例如挪威DNV）或設計方規定，當CTOD測試結果達到一定值，表明焊接具有良好的韌性，可以免除焊后熱處理，大大提高經濟效益。

我們能夠提供的服務

SGS作為全球領先的第三方檢驗檢測認證公司，具備依據國內外不同的規范進行檢測的能力及資質，幫助您進行斷裂韌性的評估。

常用規范：

GB/T 21143 金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法

ISO 12135 金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法

ASTM E1820 斷裂韌度的標準測試方法

GB/T 28896 金屬材料 焊接接頭準靜態斷裂韌度測定的試驗方法

ISO 15653 金屬材料 焊接接頭準靜態斷裂韌度測定的試驗方法

CCS中國船級社材料與焊接規范