3.3試驗(yàn)結(jié)果 

　　試樣的主要尺寸和特征CTOD值分見(jiàn)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(kāi)始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值[9]。 

　　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

　　　　　　　　　　　　　　　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(guò)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(wú)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(wú)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(jiàn)，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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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(jiàn)，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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，較之焊后熱處理更為可取的方法，是通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)暮附硬牧稀⒑附臃椒ǎ�調(diào)整優(yōu)化焊接工藝，并運(yùn)用CTOD試驗(yàn)技術(shù)，來(lái)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(yǔ) 

　　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(guò)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)