超高強鋼焊接接頭CTOD評定的概率方法＊

冷曉暢 陳 剛 馬 濤 劉占國 苗張木

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （上海外高橋造船有限公司2） 上海 200137）

0 引 言

從20世紀40年代起，世界多個國家先后發生大型焊接結構的脆性破壞事故.焊接結構的韌度問題引起世界各國的高度重視.近年來，海洋石油開發的重點不斷向深海轉移，跨海大橋也不斷向深水區域延伸，跨度越來越大.海洋平臺與跨海大橋等海洋結構趨于大型化和高強化.大尺寸高強鋼的焊接對焊接技術提出了更高的要求.大尺寸高強鋼焊接接頭的韌度問題更加突出［1］.

本文對某大型結構的焊接接頭進行了低溫（－10℃）CTOD韌度試驗，并對其進行了韌度評定.評定中，針對超高強鋼焊接接頭CTOD值離散性大的特點，提出了CTOD韌度評定的概率方法.同時，還綜合考慮了CTOD試驗結果與焊接接頭的金相組織特征，對超高強鋼焊接接頭的CTOD允許值提出了新的觀點和建議.為超高強鋼焊接接頭的CTOD韌度評定開拓了新的思路.

1 焊接接頭的CTOD試驗

1.1 焊接材料與焊接工藝

母材為EQ70，板厚60mm.由日本住友金屬工業株式會社鹿島制鐵所提供，供貨狀態為調質態.焊材是由美國Lincoln Smitweld B.V.公司提供的Conarc 80焊條，等級為AWS A5.5：E11018M－H4.母材及焊條的化學成分見表1.

表1 母材與焊條的化學成分（質量分數）

焊接接頭的形式為對接焊縫，等角K形坡口.K形坡口的直角邊垂直于試板平面.采用手工電弧焊進行多層多道焊接.預熱溫度70℃，焊后保溫（210～230℃）／1h.分別采用2種不同焊接工藝參數（A，B）焊成2批焊接接頭，焊接工藝參數A、B均見表2.

表2 焊接工藝參數A，B

CTOD試樣包括熔合線試樣與焊縫中心試樣兩種類型.其中，工藝參數A下熔合線試樣及焊縫中心試樣均為3個，工藝參數B下熔合線試樣及焊縫中心試樣分別為7個和6個.

1.2 試驗過程與試驗結果

CTOD試驗采用直三點彎曲試樣.試樣截面采用2B×B型.切口取向為NP方向.其中，N為垂直于焊縫方向，P為平行于焊縫方向.機械加工后，標準試樣的實際厚度為52mm.熔合線與焊縫中心處的屈服強度σs、彈性模量E及泊松比μ均按照規范《金屬材料室溫拉伸試驗方法》［2］由試驗測得.試驗結果見表3.

表3 熔合線與焊縫中心處的屈服強度與彈性常數

試樣制備、疲勞裂紋預制及試驗過程均嚴格按照規范 BS7448Part1［3］與 BS7448Part2［4］進行.CTOD值δ按照下式計算

式中：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；a0為預制疲勞裂紋長度；f為三點彎曲試樣a0／W 的函數；μ為泊松比；E為彈性模量；σs為材料的屈服強度；VP由F－V曲線圖測得；Z為刀口厚度（本文試驗取Z＝0）.

CTOD試驗結果見表4.

按照規范BS7448Part2與Offshore Standard DNV－OS－C401對CTOD試樣進行有效性檢驗.檢驗結果為全部有效.

表4 焊接工藝A，B焊接接頭試樣的CTOD值

2 焊接接頭CTOD值的離散性

表4中最大的CTOD值為0.248mm，最小值僅為0.049mm.整體來看，CTOD值具有明顯的離散性.為了對其離散性進行量化并便于比較，分別計算了各組試樣的均值、標準差及離散系數.其中離散系數為標準差與均值的比值，表征了離散性的大小.統計結果見表5.

表5 各組試樣CTOD值的統計結果

本試驗所依據的規范中只對焊接接頭CTOD試樣取樣數量作了一般規定，而沒有對熔合線試樣與焊縫中心試樣作分別的討論.由表5知，熔合線試樣與焊縫中心試樣CTOD值的離散系數明顯不同，前者約是后者的2倍.因此，兩種試樣取相同數量的做法是不科學的.對于離散性更大的熔合線試樣，取樣數量應比焊縫中心試樣的更多.

3 CTOD韌度評定的概率方法

CTOD韌度評定時，若實測的CTOD值不小于允許值，視為合格.但當CTOD值的離散性較大時，若用最小CTOD實測值和允許值比較，有可能造成焊接接頭的韌度儲備過高，雖然安全，卻不經濟；若用試驗測得的平均CTOD值和允許值比較，雖然經濟，但安全系數卻降低了.利用概率方法進行評定，可以更合理地協調安全性與經濟性［5］.

所謂CTOD韌度評定的概率方法，即將一組實測CTOD值的均值與允許值比較，當均值不小于允許值時，將允許值作為某個置信水平的置信區間下限值，在該置信水平下，視為合格.置信水平由設計生產的實際需要確定.

文獻［6］假設X65管線鋼焊接接頭的CTOD值近似服從正態分布，并通過柯爾莫哥洛夫－斯米爾諾夫檢驗方法，證明了假設是合理的.按照該檢驗方法，對本文中的CTOD值進行檢驗，發現EQ70海洋結構用鋼的焊接接頭CTOD值也服從正態分布.

對于本文試驗，假設取CTOD允許值為0.10 mm.按照上述概率方法進行評定.以工藝B熔合線試樣為例.其均值為0.126mm＞0.10mm.取允許值0.10mm為某置信水平的置信區間下限值，則置信區間為（0.100，0.152）.置信水平按照下式計算

式中：ˉX為樣本均值；σ為樣本標準差；n為樣本數量；α為標準正態分布的上分位點（在zα／2已知時，可查表求得）；為實測CTOD值的均值；δmin為CTOD允許值.

經計算得，α＝0.27.故實測CTOD值落在該置信區間的置信水平為1－α＝73%.根據標準正態分布的對稱性特點，該置信區間以外，有一半分布在該置信區間上限值以上區間.也即該置信區間以外的一半分布在允許值δmin以上.因此，CTOD實測值分布在允許值以上區間的置信水平為（1－α）＋α／2，即1－α／2.所以，在要求置信水平不低于1－α／2＝86.5%時，該組試樣為合格.CTOD韌度評定的概率方法見圖1.

圖1 概率方法評定原理

采用概率方法對表4中4組CTOD值進行評定，結果見表6.

表6 CTOD評定合格的置信水平

由于工藝A焊縫中心試樣CTOD值的均值小于允許值0.10mm，故不進行概率計算.為了評價焊接工藝，需綜合考慮焊接接頭的熔合線試樣與焊縫中心試樣.由此可見，按照概率方法對該焊接接頭進行CTOD韌度評定的結果為：工藝A焊接接頭的熔合線試樣在要求置信水平不高于94.6%時，為合格，工藝B焊接接頭的熔合線和焊縫中心試樣在要求置信水平分別不高于86.5%和98.9%時，為合格.

4 CTOD允許值的確定

用CTOD韌度指標評價焊接接頭時，首先要確定一個CTOD允許值，然后將試驗測得值與允許值進行比較.若實測值不小于允許值，則可視為合格，或認為具有足夠的韌度.國際上已較多運用CTOD試驗評定焊接接頭的韌度，并在有關規范中明確規定了焊接接頭CTOD允許值δmin.但各國規范給出的CTOD允許值并不一致.英國規范BS6235要求按BS6493方法計算焊接接頭的δmin.例如對板厚為50mm，屈服點強度值為360 MPa的鋼，若設計應力為屈服點強度值的1／2，應力集中系數為2時，計算得出焊態下的δmin為0.24mm.挪威規范Offshore Standard DNV－OSC401給出的焊接接頭δmin為0.15mm.甚至有些國際規范沒有明確給出δmin，國內有關規范也較少規定焊接接頭的δmin.

在工程應用中，首先確定焊接接頭的CTOD允許值δmin，對于CTOD韌度評定是十分重要的.以上試驗結果表明，不管是按照英國規范給出的δmin，還是按照挪威規范給出的δmin，對這2種焊接接頭進行CTOD韌度評價時，韌度都較低.

為了尋找這兩種焊接接頭韌度較低的原因，對這兩種焊接接頭進行了金相試驗.發現這兩種焊接接頭的正火區、過熱區及焊縫區組織均為韌塑性良好的回火索氏體、回火貝氏體或針狀鐵素體組織.金相照片見圖2.

為什么韌性良好的組織的CTOD值還是不能滿足以上兩種規范的要求呢？考慮到以上規范制定年代較早，一般以360～460MPa的普通高強鋼為對象.而本文中的鋼板及焊接接頭的屈服強度均超過了700MPa.建造企業及鋼板生產企業均表示，已有近30a沒有遇到對這種級別的超高強鋼進行CTOD韌度試驗和評定.因此，以上規范給出的CTOD允許值δmin，在對這種超高強鋼進行CTOD韌度評定時，可能存在一定的局限性.建議對這種屈服強度在700MPa以上的高強鋼進行CTOD韌度評定時，CTOD允許值δmin應適當降低.

文獻［7］利用結構應力集中區域產生脆性斷裂的研究結果，提出了CTOD允許值的計算公式，并指出冰冷海域使用的結構材料該值達到0.10mm以上即可.本試驗中絕大部分試樣的CTOD值都在0.10mm以上.參照本文的試驗結果及焊接接頭的金相組織特征，建議屈服強度在700MPa以上的超高強鋼厚板焊接接頭的CTOD允許值δmin可以取0.10mm.

圖2 焊接工藝A，B焊接接頭各區域金相組織

5 結 論

1）對CTOD試驗結果的統計分析表明，焊接接頭CTOD值存在明顯的離散性，且熔合線試樣CTOD值的離散系數約是焊縫中心試樣的2倍.建議熔合線試樣取樣數量應比焊縫中心的稍多.

2）提出CTOD韌度評定的概率方法.認為CTOD韌度評定單一依靠有限樣本CTOD值的方法，存在一定的局限性.通過有限樣本CTOD值服從的分布規律，利用置信水平評價整體樣本的合格程度更為科學.

3）結合高強鋼焊接接頭的組織特征及CTOD值的統計規律，提出了適用于700MPa以上超高強鋼焊接接頭的CTOD允許值.將CTOD允許值的確定與焊接接頭的強度級別聯系起來.不同強度級別焊接接頭的CTOD值應區別對待.這種觀點突破現有規范中統一取值的局限性.同時也是對CTOD韌度評定技術的一種細化.

4）運用概率方法對EQ70（60mm）焊接接頭進行CTOD韌度評定.評定結果為：工藝A焊接接頭的熔合線試樣在要求置信水平不高于94.6%時，為合格，工藝B焊接接頭的熔合線和焊縫中心試樣在要求置信水平分別不高于86.5%和98.9%時，為合格.

5）本文中超高強鋼焊接接頭CTOD試驗值的概率評定是基于正態分布的，而超高強鋼焊接接頭CTOD試驗值的分散性很大，試驗測得值并不僅僅服從正態分布，運用單一的正態分布不能全面的評定其試驗值，還需要考慮其他的分布規律.同時在評定試驗結果時存在一定的概率范圍，工程中多大概率滿足需求還需要進一步討論.

6）超高強鋼焊接接頭的韌度往往比普通高強鋼焊接接頭的韌度更低.但焊接接頭的韌度與屈服強度存在怎樣的數學關系，還不明確.那么對于700MPa以上等級的超高強鋼，CTOD允許值究竟應該取多大？本文只針對EQ70（60mm）焊接接頭的CTOD值與微觀組織特征，提出屈服強度在700MPa以上的超高強鋼厚板焊接接頭的CTOD允許值δmin可以取0.10mm.對于與本文中同強度等級的其他超高強鋼種，以及比本文更高強度等級的超高強鋼種，0.10mm是否還適用還需進行更多的試驗來確定.

［1］余 立，苗張木，馬 濤，冷曉暢.海洋工程用鋼疲勞壽命與CTOD值關系的研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2010，34（2）：323－327.

［2］中國國家質量監督檢驗總局.金屬材料室溫拉伸試驗方法GB／T228－2002［S］.北京：中國標準出版社，2002.

［3］ British Standard Institution.BS7448Part1：1991.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］.British Standard Institution，1991.

［4］British Standard Institution.BS7448Part2：1997.Method for determination of KIc，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials［S］.British Standard Institution，1997.

［5］ Det Norske Veritas.Offshore Standard DNV－OSC401：Fabrication and Testing of Offshore Structures［S］.Det Norske Veritas，2008.

［6］金曉軍，霍立興，張玉鳳，李曉巍，曹 軍.X65管線鋼焊縫金屬斷裂韌度的統計分布研究［J］.焊管，2003，26（1）：11－14.

［7］矢島浩，多田益男，梶本勝也，縄田卓生，野田俊介.大型構造物の損傷例とその教訓［J］.西部造船會會報，1986（72）：335－229.