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FPSO模塊支墩焊接接頭低溫CTOD韌度試驗(yàn)研究(下)

[加入收藏][字號(hào):大中小] [時(shí)間:2009-12-24 全球石油網(wǎng) 關(guān)注度:0]

摘要:　　3.3試驗(yàn)結(jié)果　　試樣的主要尺寸和特征CTOD值分見表3（CTOD值單位均為mm）。δu是脆性失穩(wěn)CTOD值，即穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量脆性失穩(wěn)斷裂點(diǎn)或突進(jìn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值。δm是最大載荷CTOD值，即最大載荷點(diǎn)或最大載荷平臺(tái)開始點(diǎn)...

　　3.3試驗(yàn)結(jié)果

　　試樣的主要尺寸和特征CTOD值分見表3（CTOD值單位均為mm）。δu是脆性失穩(wěn)CTOD值，即穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量脆性失穩(wěn)斷裂點(diǎn)或突進(jìn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值。δm是最大載荷CTOD值，即最大載荷點(diǎn)或最大載荷平臺(tái)開始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值[9]。

表3 試樣主要參數(shù)及特征CTOD值（-18⁰C）

試樣號(hào)	裂紋位置	B/mm	W/mm	a_o/mm	δ_u/mm	δ_m/mm	有效性
FH1	熔合線 Fusion Line （FL）	72.09	72.09	38.160		0.870	有效
FH3		72.05	72.09	39.406	0.427		有效
FH9		72.02	72.02	38.860		0.838	有效
FH11		72.10	72.09	36.785	0.064		無效
FH5	焊縫 Weld Position (WP)	72.03	72.10	36.920	0.188		有效
FH6		70.08	70.07	37.483	0.149		有效
FH13		72.04	72.09	37.351		0.976	有效

　　3.4有效性檢驗(yàn)

　　BS7448-1 [9] 第十一章列出了有效性檢驗(yàn)項(xiàng)目，主要包括原始裂紋長(zhǎng)度ao的有效性、疲勞預(yù)制裂紋的有效性（長(zhǎng)度和方向及其平直度 [12]）等等。BS7448-2[10] 針對(duì)焊接接頭的特殊情況，放寬了一些要求，也補(bǔ)充了一些要求，特別是關(guān)于試樣切口加工前的金相學(xué)定位和試驗(yàn)后裂紋位置的金相學(xué)評(píng)價(jià)，是重要的有效性檢驗(yàn)內(nèi)容。FPSO是重要的海洋浮式結(jié)構(gòu)物，還必須滿足規(guī)范的DNV-OS-C401[11] 要求。因此FPSO模塊支墩焊接接頭的CTOD試驗(yàn)及其結(jié)果的有效性檢驗(yàn)，必須同時(shí)滿足上述三個(gè)規(guī)范的要求。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 焊縫試樣斷口照片

　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 熔合線試樣斷口照片
　　圖4和圖5分別是焊縫試樣和熔合線試樣的宏觀斷口照片。表4是試樣的有效性檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目表。表中表示斷口上測(cè)得的疲勞預(yù)制裂紋擴(kuò)展量數(shù)據(jù)的最小值，它不能小于2.5%W=2.5%×72=1.8mm。
　　　　　　　　　　　　　　　　　表4 試樣有效性檢驗(yàn)主要項(xiàng)目

試樣	a_o/W	(mm)	（mm）	有效性
FH1	0.45＜0.53＜0.75	4.726＞1.8	4.2%＜20%	34.1＞ 10.8	有效
FH3	0.45＜0.55＜0.75	4.726＞1.8	5.6%＜20%	39.2 ＞10.8	有效
FH9	0.45＜0.54＜0.75	5.140＞1.8	4.4%＜20%	26.8＞ 10.8	有效
FH11	0.45＜0.51＜0.75	4.001＞1.8	4.2%＜20%	7.4 ＜10.8	無效
FH5	0.45＜0.51＜0.75	4.330＞1.8	4.9%＜20%		有效
FH6	0.45＜0.53＜0.75	4.540＞1.8	3.6%＜20%		有效
FH13	0.45＜0.52＜0.75	4.435＞1.8	3.9%＜20%		有效

　　　　　　　　　　　　　　　圖6 熔合線試樣的有效性檢驗(yàn)
　　ao/W 是原始裂紋長(zhǎng)度與試樣寬度之比，必須滿足0.45＜ao/W＜0.75。aomax和aomin分別是試樣斷口裂紋長(zhǎng)度的九個(gè)測(cè)量值中的最大值和最小值，必須滿足。是熔合線上與疲勞裂紋平面的距離不超過0.5mm的區(qū)域的長(zhǎng)度的總和[11]（圖6），如試樣FH1的 =32.3＋1.8=34.1mm。按規(guī)范DNV-OS-C401[11]對(duì)厚度為72mm的熔合線試樣，的值應(yīng)該不小于72×15%=10.8mm，而焊縫試樣無需作此項(xiàng)檢驗(yàn)。表4中四個(gè)熔合線試樣，F(xiàn)H11的小于10.8mm，不滿足DNV-OS-C401 的要求[11]，該試樣無效。其他三個(gè)試樣都有效。

　　4. 結(jié)論與討論

　　4.1結(jié)論

　　按照國(guó)際通用的海洋結(jié)構(gòu)物建造和試驗(yàn)規(guī)范DNV-OS-C401 [11] 規(guī)定，三個(gè)有效試樣的CTOD值都不小于0.15mm即為合格。從表3可見，三個(gè)有效熔合線試樣的CTOD值都遠(yuǎn)大于0.15mm，符合規(guī)范要求。三個(gè)有效焊縫試樣中，F(xiàn)H6的CTOD值是0.149mm, 比0.15mm小0.001mm,偏小的百分?jǐn)?shù)為0.67%,這在工程上可以看作相等。因此三個(gè)焊縫試樣也都符合規(guī)范要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：所評(píng)定的焊接工藝可以用于FPSO模塊支墩的建造施工中，并且由于試板未經(jīng)過任何焊后熱處理，因此模塊支墩可以免除焊后熱處理。

　　4.2討論

　　國(guó)際上對(duì)FPSO斷裂與安全性評(píng)估中，應(yīng)用了CTOD試驗(yàn)技術(shù)「13」。實(shí)際上，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在制造業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了CTOD試驗(yàn)。例如NORSOK Standard“Structural Steel fabrication”[14]對(duì)厚度超過50毫米的鋼板焊接接頭，要求進(jìn)行CTOD試驗(yàn)評(píng)定。又如DNV-OS-C401[11] 規(guī)定對(duì)屈服強(qiáng)度超過350MPa鋼板的焊接接頭，也要做CTOD試驗(yàn)。特別是海洋結(jié)構(gòu)物，厚鋼板焊接接頭的韌性要求都比較高。但迄今為止，在國(guó)內(nèi)FPSO的設(shè)計(jì)、建造領(lǐng)域，未見該類文獻(xiàn)報(bào)道。由于FPSO模塊支墩上所用鋼板厚度達(dá)60mm、80mm甚至更厚，焊接缺欠（如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等等）比較容易發(fā)生。如果焊接接頭韌性較低（即抗開裂的能力較差），其中的焊接缺欠（類裂紋）在交變應(yīng)力（由風(fēng)載、慣性載荷等引起）作用下比較容易擴(kuò)展，模塊支墩的疲勞壽命就比較短。如果焊接接頭韌性較高，抵抗開裂的能力較強(qiáng)，焊接缺欠（類裂紋）就不容易擴(kuò)展，模塊支墩就比較安全。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)模塊支墩焊接接頭CTOD韌性設(shè)定一個(gè)合理的允許值，建造中應(yīng)對(duì)模塊支墩的焊接工藝進(jìn)行CTOD試驗(yàn)評(píng)定。本文的工作，為國(guó)內(nèi)同行提供了可供參考的經(jīng)驗(yàn)。

　　這種參考價(jià)值體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是在FPSO的建造施工中，可以預(yù)先編制用于模塊支墩焊接的擬用焊接工藝PWPS（Preliminary Welding Procedure Specification），然后按PWPS焊接CTOD試板，進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。如試驗(yàn)結(jié)果合格，則擬用焊接工藝PWPS就成為正式焊接工藝規(guī)范WPS（Welding Procedure Specification)，直接用于模塊支墩的焊接；如試驗(yàn)結(jié)果不合格，就修訂PWPS，再進(jìn)行新一輪CTOD試驗(yàn)。所謂合格與否，是將試驗(yàn)得到的CTOD特征值δ與規(guī)定的焊接接頭CTOD允許值δmin進(jìn)行比較，若為合格，否則就不合格［15］。這樣不僅可以確保模塊支墩的焊接施工質(zhì)量，而且由于這些工作可以提前進(jìn)行，因此還可以縮短FPSO的建造工期。

　　另一方面，通過CTOD試驗(yàn)調(diào)整焊接工藝，使最終的焊接工藝所焊接的接頭具有規(guī)定的CTOD值，就可以免除模塊支墩的焊后熱處理。這可以節(jié)省建造成本。由于一艘FPSO有較多的模塊支墩，焊后熱處理是頗為耗資費(fèi)時(shí)的。

　　不僅如此，還應(yīng)當(dāng)指出，究竟焊后熱處理能否提高焊接接頭的韌性，并不能一概而論，應(yīng)作具體分析。著名焊接專家D.拉達(dá)伊[16]在論述焊后退火問題時(shí)曾經(jīng)指出：“為避免在構(gòu)件表面與內(nèi)部之間產(chǎn)生過大的溫度差，加熱與冷卻均須緩慢進(jìn)行，否則由此而生的熱應(yīng)力可能會(huì)引發(fā)裂紋，殘余應(yīng)力的預(yù)期下降也會(huì)因產(chǎn)生了新的殘余應(yīng)力及變形而受到影響”。可見，第一，若加熱與冷控制不當(dāng)，會(huì)在構(gòu)件表面與內(nèi)部之間產(chǎn)生較大的溫度差，從而會(huì)產(chǎn)生新的熱應(yīng)力，這種新的熱應(yīng)力可能會(huì)引發(fā)裂紋。第二，構(gòu)件表面與內(nèi)部之間的溫度差會(huì)產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力及變形。因此，對(duì)厚鋼板焊接接頭來說，由于鋼板厚度大，熱處理時(shí)間、溫度、加熱速率和冷卻速率等難于選擇和控制，這容易使得焊接接頭表面與內(nèi)部之間產(chǎn)生較大的溫差，會(huì)產(chǎn)生新的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，甚至引發(fā)裂紋。文獻(xiàn)「17」曾經(jīng)指出：高強(qiáng)度鋼焊后熱處理所得接頭的韌性值大多數(shù)是比未處理狀態(tài)要低。

　　因此，本文認(rèn)為，對(duì)模塊支墩焊接接頭來說，較之焊后熱處理更為可取的方法，是通過選擇恰當(dāng)?shù)暮附硬牧�、焊接方法，調(diào)整優(yōu)化焊接工藝，并運(yùn)用CTOD試驗(yàn)技術(shù)，來控制焊接接頭的韌性，而不進(jìn)行焊后熱處理。這樣，可以同時(shí)兼顧模塊支墩的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

　　5. 結(jié)束語

　　作為FPSO船建造大國(guó)和強(qiáng)國(guó)，我國(guó)是世界上建造FPSO船最多的國(guó)家之一[18]。確保模塊支墩的安全性和可靠性是建造FPSO船的關(guān)鍵之一，而要保證模塊支墩的安全性和可靠性，關(guān)鍵是要保證其焊縫和熔合區(qū)都具有足夠的韌性。在FPSO船建造實(shí)踐中，通過選擇恰當(dāng)?shù)暮附硬牧吓c焊接方法，調(diào)整優(yōu)化焊接工藝，然后運(yùn)用CTOD試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行韌性評(píng)定，合理控制模塊支墩焊接接頭的韌性以免除焊后熱處理。這樣，可以保證模塊支墩的質(zhì)量、縮短施工工期、降低建造成本。
　　FPSO模塊支墩焊接接頭低溫CTOD韌度試驗(yàn)研究(上)