摘要：模塊支墩是海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）中連接上部模塊與主甲板的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，必須有效保證其焊接接頭的韌度以防裂防斷。按照國際通用規(guī)范BS7448和DNV-OS-C401的要求，對我國渤海PL19-3油田30萬噸FPSO的模塊支墩焊縫和熔合區(qū)進(jìn)行低溫（-180C）裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗。結(jié)果表明：按擬用焊接工藝所焊接的模塊支墩焊接接頭，其焊縫和熔合區(qū)的CTOD試驗值都滿足DNV-OS-C401規(guī)定的要求（不小于0.15mm）。因此，該焊接工藝可應(yīng)用于模塊支墩的焊接施工，并且可以免除模塊支墩的焊后退火處理。
關(guān)鍵詞： CTOD 焊接接頭 FPSO 模塊支墩
1. 引言
渤海灣PL19-3油田是我國最大的海上油田，該油田將使用一艘30萬噸FPSO(floating production, storage and off-loading),為目前世界上在淺水中使用的最大的FPSO[1]，由上海外高橋造船有限公司承建。這艘FPSO的上部模塊與主甲板通過模塊支墩相連接。模塊支墩不僅承受上部模塊巨大的重量（單個模塊重達(dá)3000噸），還要承受由于FPSO搖擺、升降等引起的巨大慣性力。在這種動載荷的長期作用下，且由于模塊支墩所用鋼板很厚（面板厚度達(dá)70mm）,因此，模塊支墩的焊接接頭比較容易產(chǎn)生裂紋進(jìn)而造成破壞事故。
為避免模塊支墩焊接接頭在FPSO服役期間產(chǎn)生裂紋，必須要求焊接接頭材料（包括母材、焊縫中心和熔合區(qū)）具有足夠的抵抗開裂的能力，即韌性（韌度）。所謂韌度，是指材料在外載荷作用下抵抗開裂和裂紋擴展的能力，也就是材料在斷裂前所經(jīng)歷的彈塑性變形過程中吸收能量的能力。一般用沖擊韌性（沖擊功）衡量韌度。由于模塊支墩鋼板很厚（面板厚70mm），而沖擊韌性試樣較小（10mm×10mm×55mm），按有關(guān)規(guī)范如GB2649-1989 [2]，對厚度為60mm～100mm的焊接接頭，要沿厚度方向取三個試樣來測量。從力學(xué)上看，這是把厚板材料原本所處的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為平面應(yīng)力狀態(tài)后，再測量沖擊韌性，結(jié)果會有較大誤差，并且是偏于危險的。一個典型的例子是，“船體上的厚鋼板會發(fā)生90%以上結(jié)晶斷口的脆斷，而從這種船板上取下的小試樣在整體屈服之后發(fā)生完全纖維斷口的韌斷” [3]。另一個典型的例子是1950年，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體在實驗發(fā)射時發(fā)生爆炸，所用的材料是屈服極限為1400MPa的超高強度鋼，按V型夏比沖擊試驗的結(jié)果卻是合格的[4]。因此，有必要取模塊支墩焊接接頭整個厚度來制備試樣（全厚度試樣），進(jìn)行韌度測定，以保證所制備試樣能夠反映真實焊接接頭的情況。這必須借助于CTOD韌度試驗。
所謂CTOD，即裂紋尖端張開位移，是其英文名稱Crack Tip Opening Displacement 的首字母縮寫，指的是裂紋體受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開的相對距離[5]（如圖1）。 CTOD值的大小，反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力。在試驗中，把待測材料做成帶有預(yù)制裂紋的試樣，加上外載以后，裂紋尖端處有一個張開位移CTOD值，可以被測定。CTOD值越大，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越好，即韌性越好；反之，CTOD值越小，表示裂紋尖端材料的抗開裂性能越差，即韌性越差。
為有效控制模塊支墩焊接接頭的韌度，確保建造質(zhì)量，上海外高橋造船有限公司對焊接工藝進(jìn)行了深入研究，焊接成CTOD試樣，在武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，進(jìn)行了全厚度低溫（-180C）CTOD韌度試驗。本文是部分試驗工作的總結(jié)。
2. 材料與焊接工藝
2.1母材
母材是日本產(chǎn)的F36高強鋼，生產(chǎn)所依據(jù)的規(guī)范為EN133-001。其主要化學(xué)成分如表1，最大碳當(dāng)量為0.34%,板厚為80mm。主要力學(xué)性能σs=422MPa,σb=501MPa，δ5=34%。
表1 F36鋼化學(xué)成分（%）
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cu |
Ni |
Cr |
M0 |
V |
Nb |
N |
Ti |
|
0.05 |
0.17 |
1.31 |
0.004 |
0.001 |
0.3 |
0.67 |
0.02 |
0.01 |
0 |
0.012 |
0.0048 |
0.013 |
2.2焊接工藝
采用對接焊縫，等角K型坡口（角度為45o）,無鈍邊，對口間隙0-1mm。K型坡口的直邊垂直于試板平面。采用焊條電弧焊（SMAW）進(jìn)行多層多道焊接，預(yù)熱溫度為112oC,最高層間溫度為173oC。主要工藝參數(shù)見表2。
表2 手工電弧焊（SMAW）工藝參數(shù)
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焊道 序號 |
焊條 |
焊條直徑 （mm） |
電流 （A） |
電壓 （V） |
極性 |
行走速度 （mm/min） |
線能量 (KJ/mm） |
|
1 |
Kryol |
3.2 |
125-135 |
19-23 |
DCRP |
66 |
2.83 |
|
其他 |
4.0 |
175-185 |
21-27 |
54-99 |
2.26-5.79 |
按該工藝所焊接得到的接頭，焊縫中心（WP）的力學(xué)性能為：бs=563.33MPa，
бb=627.20MPa，E=206GPa，μ=0.287；熔合線（FL）力學(xué)性能為：бs=595.75MPa，
бb=630.96MPa，E=210GPa ，μ=0.287。力學(xué)性能試驗按國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5178[6] 并參考國家規(guī)范 GB2652-1989[7] 、GB2649-1989[2] 和GB/T228-2002[8]進(jìn)行。
3. CTOD韌度試驗
3.1 試樣制備
試樣取樣和制備按規(guī)范BS7448-1 [9]、BS7448-2[10] 和Offshore Standard DNV-OS-C401[11]進(jìn)行。試樣縱向垂直于焊道。采用三點彎曲試樣，試樣橫截面采用B×B型，切口取向為 NP方向[10]。
按規(guī)范[10]的要求，必須制成全厚度試樣。因為同一種材料不同厚度試樣CTOD值是不相同的。通常，鋼板厚度增大，其焊接接頭綜合機械性能會下降，尤其是CTOD值會降低。為使試驗所得的CTOD能夠準(zhǔn)確地反映厚鋼板焊接接頭的斷裂韌度，試樣厚度應(yīng)盡可能接近試板原始厚度。但是，由于焊接角變形等原因，往往要留出加工余量。本項研究中板厚為80mm，加工后試樣厚度為72mm（其中一個是70mm）。
試樣的平行度、垂直度和表面光潔度都必須滿足規(guī)范BS7448-2。在試樣六個面（包括兩個端面）完成切削加工后，必須再在磨床上進(jìn)行磨削。磨完后要保護(hù)試樣表面沒有劃痕。切口用電火花線切割加工，裂紋尖端部分用直徑為0.12mm的細(xì)鉬絲，以防止預(yù)制疲勞裂紋時裂紋發(fā)生分叉。
圖2 線切割制成的切口
按規(guī)范BS7448-2和DNV-OS-C401的要求，模塊支墩焊接接頭CTOD試驗必須包括焊縫中心部位（WP）和熔合線（FL）。因此，在用電火花線切割加工切口之前，先用一定濃度的硝酸酒精溶液腐蝕焊接接頭部位，以確定焊縫中心部位和熔合線，用劃針劃出切口中心位置。試樣切口照片如圖2所示。
在JXG-200型高頻疲勞試驗機上預(yù)制疲勞裂紋，預(yù)制過程按規(guī)范[9，10]的要求進(jìn)行。應(yīng)力比先取R=0.1預(yù)制到疲勞裂紋長度為1-2mm左右，然后將應(yīng)力比調(diào)整為R=0.7，再將疲勞裂紋預(yù)制到所需長度。
3.2試驗過程
試驗按規(guī)范[9，10]規(guī)定的程序和要求進(jìn)行。主要步驟如下：載荷、位移測量系統(tǒng)標(biāo)定（試驗前）；安放試樣、確定F-V曲線斜率；加載、記錄F-V曲線、卸載；載荷、位移測量系統(tǒng)標(biāo)定（試驗后）；二次疲勞、壓斷試樣；斷口讀數(shù)測量a0 及a；數(shù)據(jù)和斷口的有效性檢驗。采用酒精與干冰混合于低溫槽的方法制造所需的低溫環(huán)境，圖3 是試驗的照片。試驗平均溫度為-180C。根據(jù)試驗中測得的有關(guān)數(shù)據(jù)，按下式計算CTOD 值［9］：
圖3 低溫CTOD試驗照片
δ為裂紋尖端張開位移(CTOD)；F為施加載荷；S為試樣跨度；B為試樣厚度；W為試樣寬度；μ為泊松比；E為彈性模量；ao為原始裂紋長度；f為三點彎曲試樣(a0 /W)的函數(shù)；Vp為裂紋嘴張開位移的塑性分量；σs 為材料的屈服極限；Z為刀口厚度。
FPSO模塊支墩焊接接頭低溫CTOD韌度試驗研究(下)
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