ctod试验技术-中文版

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1、海洋钢结构韧性问题与CTOD试验技术摘要论述了海洋钢结构韧性问题的本质及重要性。介绍了CTOD（裂纹尖端张开位移）概念、CTOD试验主要规范，也介绍了国外海洋钢结构中若干与CTOD有关的规范，介绍了CTOD试验技术在海洋钢结构中的三种主要用途：控制质量、提高生产效率、降低建造成本。关键词：韧性；裂纹尖端张开位移；CTOD；海洋钢结构1.海洋钢结构韧性问题1.1海洋钢结构韧性问题重要性海洋钢结构的强度、刚度、稳定性问题，已经得到人们的普遍重视。但是，韧性问题，却没有得到应有的重视，令人十分担忧！所谓韧性，是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩

2、展的能力，也就是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合体现。韧性好的材料（例如铝），在断裂破坏前会发生较大的塑性变形，吸收较多的能量，消耗较多的外力功，因而断裂过程延续时间较长，不容易断裂。韧性差的材料（例如铸铁），断裂破坏前塑性变形很少，吸收能量的能力较低，容易发生脆断。图1焊缝内部微裂纹（150倍）海洋钢结构服役环境恶劣、钢板厚度大、强度高，其焊接接头的韧性（抗开裂性能和止裂性能）至关重要。它们不仅承受巨大的静载荷，而且往往承受由波浪、海流、台风等引起的动载荷，容易疲劳破坏。由于钢板厚度大，焊接缺欠（如

3、微裂纹、夹渣、气孔、未熔合等等）更容易发生。图1所示为65毫米厚钢板焊缝断口电镜照片[1]（放大150倍）。图中凹坑是焊接过程中产生的气泡坑，气泡周边有两条裂纹，气泡坑底部还有一条小裂纹。如果焊缝材料韧性好，这种裂纹不会扩展或者扩展缓慢；反之，裂纹就很容易扩展，导致钢结构的破坏。例如，我国在1969年倒塌的渤海老2号三座海洋平台，用的是16Mn和Q235A，它们不具备低温韧性，在低温下韧性很差，对于焊接接头中存在夹杂物和未焊透的类裂纹的扩展，抵抗能力很差，最终造成平台导管脆性断裂[2]。再如1980年，在北海的一条半潜式平台“亚历山大·基兰

4、德”号（AlexanderKeilland）发生倾覆，122人葬身海底。其倾覆的原因起源于支持其腿的一条支管出现了疲劳裂纹[3]。因此，在海洋钢结构建造中，必须保证焊接接头具有足够的韧性。这样，尽管母材和焊接接头中有缺陷（类裂纹），这些缺陷（类裂纹）也不会扩展或者扩展很缓慢，结构在服役期内仍然是安全的。但是用什么样的指标来反映韧性？对于具体的海洋钢结构又需要多大的韧性？这种韧性如何测定？如何在设计中设定韧性指标、并在建造中得到保证？国外有一些成熟的规范和成功的经验，国内这方面的工作有待开展。1.2用冲击韧性表征海洋钢结构韧性，存在局限与危险

5、由冲击试验得到冲击韧性，可用来表征材料或焊接接头的韧性。这种方法已经普遍被接受。但是海洋钢结构中有许多厚钢板及其焊接接头，对于它们，用冲击韧性衡量韧性，局限性较大，并且是偏于危险的！这主要是由于冲击试验在试样取样时受到限制。就焊接接头而言，按有关规范［4］，试样标准尺寸是10mm×10mm×55mm。这样，对于厚度大于10mm的钢板的焊接接头，试验结果就不能代表整个焊接接头的韧性了。例如，按规范[4]，在后焊一侧的焊缝厚度为18～40mm时，只在其中取一个冲击试样进行冲击试验。按这种取样方式，这个试样的冲击韧性如果不合格，只代表取样部位的材

6、料的韧性不合格，显然不能够说明整个焊接接头韧性不合格；同样，如果所取试样的冲击韧性合格，也只能说明取样部位的材料的韧性是合格的，而不能说明整个焊接接头韧性合格。另外，材料表现为韧性断裂还是脆性断裂，还与材料所受应力状态有关。冲击试验局部取样的方法，改变了材料的应力状态。海洋钢结构壁厚往往较大（国内导管架壁厚已达90mm［5］）,而冲击韧性试样只有10mm×10mm×55mm，按规范「4」，对厚度为60mm～100mm的焊接接头，沿厚度方向不同位置，取三个试样来测量。这样，从力学上看，是把厚板材料原本所处的三向应力状态转变成为平面应力状态，然

7、后再测量冲击韧性，会导致较大误差，并且是偏于危险的。例如，“船体上的厚钢板会发生90%以上结晶断口的脆断，而从这种船板上取下的小试样在整体屈服之后却发生完全纤维断口的韧断”[6]。另一个典型的例子是，1950年美国北极星导弹实验发射时，固体燃料发动机壳体发生了爆炸。壳体材料是超高强度钢（屈服极限1400MPa），按V型夏比冲击试验，壳体材料的韧性是合格的[7]。由于海洋钢结构大多是厚钢板焊接结构，在用冲击试验来验收母材、评定焊接工艺时，存在取样限制，不够科学、不够合理。必须取整块钢板厚度、取整个焊接接头厚度来制备试样（全厚度试样），进行韧性

8、测定，才能够保证韧性测定的可靠性。这就必须借助于CTOD试验技术。2.CTOD的概念CTOD受载前(原始)裂纹受载后裂纹图2裂纹尖端张开位移所谓CTOD（CrackTipOpen