技術(shù)百科：海洋鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性CTOD試驗(yàn)

背景

海洋鋼結(jié)構(gòu)包括海上風(fēng)機(jī)、海洋采油平臺(tái)、跨海大橋和海港碼頭等等，這些鋼結(jié)構(gòu)普遍采用厚鋼板焊接而成。海洋鋼結(jié)構(gòu)服役環(huán)境惡劣，鋼板厚度大強(qiáng)度高。它們不僅承受巨大的靜載荷，還要承受波浪、海流、臺(tái)風(fēng)等引起的動(dòng)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(fā)生。因此，在海洋鋼結(jié)構(gòu)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(huì)擴(kuò)展或擴(kuò)展很緩慢，鋼結(jié)構(gòu)在服役期間仍然是安全的。CTOD斷裂韌性試驗(yàn)提供了一種材料存在缺陷的情況下，阻止變形及裂紋擴(kuò)展能力的評(píng)價(jià)方式。

CTOD斷裂韌性評(píng)價(jià)是什么

用傳統(tǒng)的沖擊試驗(yàn)來(lái)考核韌性指標(biāo)，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)偏于危險(xiǎn)，且忽略焊接缺陷的影響。標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣尺寸10mm*10mm*55mm，對(duì)于海洋鋼結(jié)構(gòu)大多是厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)，存在取樣限制，不夠科學(xué)合理，無(wú)法進(jìn)行焊接接頭的全厚度韌性測(cè)定。

CTOD（Crack Tip Opening Displacement） 裂紋尖端張開位移試驗(yàn)，是一種評(píng)價(jià)材料和焊接接頭抗斷裂性能的有效方法。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用CTOD試驗(yàn)作為焊接接頭的評(píng)定方法，尤其是板厚超過(guò)50mm按規(guī)范必須做CTOD試驗(yàn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)海工行業(yè)也呈現(xiàn)這一趨勢(shì)。

CTOD評(píng)價(jià)方式是采用與鋼結(jié)構(gòu)相同厚度的板材焊接一塊試板，在厚度方向開一個(gè)機(jī)械缺口，然后通過(guò)疲勞的方式制造一個(gè)人工裂紋缺陷，通過(guò)施加外部載荷來(lái)觀察裂紋的擴(kuò)展及斷裂情況。考慮焊接接頭不同區(qū)域的性能會(huì)有所差別，一般需要分別在焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

CTOD斷裂韌性評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)

CTOD突破了只考核強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性的傳統(tǒng)做法，將客觀存在的缺陷納入考量，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的斷裂韌性進(jìn)行全面評(píng)估，大大降低了安全隱患；一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（如EN 10225）及船舶設(shè)計(jì)規(guī)范（各船級(jí)社）已經(jīng)將CTOD斷裂韌性，作為一項(xiàng)必要的考核數(shù)據(jù)，尤其是針對(duì)厚度50mm以上的結(jié)構(gòu)。部分船級(jí)社規(guī)范（例如挪威DNV）或設(shè)計(jì)方規(guī)定，當(dāng)CTOD測(cè)試結(jié)果達(dá)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(jīng)濟(jì)效益。

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常用規(guī)范：

GB/T 21143 金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法

ISO 12135 金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法

ASTM E1820 斷裂韌度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法

GB/T 28896 金屬材料 焊接接頭準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度測(cè)定的試驗(yàn)方法

ISO 15653 金屬材料 焊接接頭準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度測(cè)定的試驗(yàn)方法

CCS中國(guó)船級(jí)社材料與焊接規(guī)范