苗 张 木1） 吴 华 方2）
（1．武汉理工大学 交通学院，武汉， 430063；
2.中国船级社武汉分社，武汉， 430022）
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。
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·基兰德”号（Alexander Keilland）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
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
受载前(原始)裂纹 受载后裂纹
图2 裂纹尖端张开位移
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所谓CTOD（Crack Tip Opening Displacement），即裂纹尖端张开位移，系指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处两表面所张开的相对距离[8]（如图2）。CTOD的量纲为长度，常用单位是毫米或英寸。 CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。在试验中，把待测材料做成带有预制裂纹的试样，加上外载后，裂纹尖端处有一个可以被测定的张开位移CTOD值。CTOD值越大，表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越好，即韧性越好；反之，CTOD值越小，表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越差，即韧性越差。
3. CTOD试验主要规范
目前使用较多的CTOD试验规范，在英国有BS7448。 BS7448分三个不同部分。BS7448：Part1:1991 [9]是用来测金属材料 CTOD特征值的，而BS7448：Part2:1997 [10]是用来测金属材料焊接接头 CTOD特征值的，BS7448：Part4:1997 [11]则是用来测金属材料 CTOD阻力曲线的。在美国CTOD试验规范有好几个，最新版本是ASTM E1290-2002 [12]。在我国国内，国家标准GB/T2358-1994[8]用来测金属材料 CTOD特征值和CTOD阻力曲线。
4. 海洋钢结构涉及CTOD的主要规范举例
4.1海洋钢结构设计规范
主要规范有DNV-OS-C101[13](规范名称为“Design of offshore steel structures, general (LRFD method)”和DNV-OS-C201[14](规范名称为“Structural design of offshore units (WSD method)” 。它们规定符合以下情况的焊接接头的工艺评定中要做CTOD试验：对于要在同一地点服役5年以上的海洋结构物，当设计温度在+10OC以下、特殊的连接部位、连接部件中至少有一个部件的屈服极限≥420MPa。
4.2海洋钢结构建造规范
主要规范有DNV-OS-C401[15]，规范名称为“Fabrication and Testing of Offshore Structures”。它规定屈服强度超过350MPa的钢板，其焊接接头（焊缝中心和熔合线）必须做CTOD试验。它对熔合线试样的疲劳裂纹位置作了严格要求，以严格保证有效试样的疲劳裂纹准确位于试样熔合线上。
对焊缝和熔合线各做三个有效试样，共计6个试样的特征CTOD值都不小于0.15mm为合格。
对三个有效的焊缝试样或熔合线试样中，若有特征CTOD值小于0.15mm，则应当补做试验。在这种情况下，下表所定义的特征CTOD值，不小于0.15mm为合格。
表1 特征CTOD值表
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有效试验的数目
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特征值
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3～5
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最低值
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6～10
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次低值
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11～15
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第三位最低值
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注：所有所进行的有效试验都应当包含在结果中，不允许丢弃任何有效试验的结果。
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还有一个海洋管线系统建造规范，DNV-OS-F101 [16]（“Submarine Pipeline Systems”）。它规定管线钢母材纵向横向都应进行CTOD试验；焊缝和热影响区均应进行CTOD试验。
4.3通用钢结构建造规范
挪威规范NORSK STANDARD M101 [17] （“Structural Steel Fabrication”）。它规定钢板厚度超过50mm的焊接接头必须做CTOD试验；若屈服强度超过500MPa时，则钢板厚度大于30mm，其焊接接头就必须做CTOD试验。还包括其他情况，可总结成表2。需要特别强调的是，该规范指出：如果CTOD值足够，则焊接接头可以免除焊后热处理。
这是一个一般的钢结构建造规范，但它被应用于海洋钢结构建造中[18]。
表2 焊接接头是否做CTOD试验的规定
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序号
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焊接接头的母材的状况
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是否做CTOD试验
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屈服强度σs(MPa）
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钢板厚度t(mm)
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钢材等级
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1
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σs＜500
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t＞50
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Ⅰ级Ⅱ级
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做
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2
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400＜σs＜500
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t＞50
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Ⅲ级
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做
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3
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σs＜500
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t≤50
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——
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由设计者决定
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4
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σs＞500
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t＞30
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——
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做
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5
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σs＞500
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t＜25
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——
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不做
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6
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σs＜400
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t＜40
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——
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不做
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4.4海洋结构钢规范
主要规范是NS-EN 10225 [19]（“Weldable structural steels for offshore structures-Technical delivery conditions”，固定式海洋结构物焊接结构钢-交货技术条件）。它150mm厚度以下的海洋结构钢板，如果没有宽板试验的数据，就应当做CTOD试验，作为交货技术条件中的韧性数据。
在上述规范中，一般指明采用BS7448进行CTOD试验。
5. CTOD试验技术在海洋钢结构中的用法
海洋钢结构中，母材与焊接接头的韧性都必须保证。关于用CTOD试验检测船板、平台板的韧性问题，作者另有专文论述[20]。这里重点谈谈用CTOD试验控制海洋钢结构中焊接接头韧性的方法。
图3是用CTOD试验评定焊接工艺的一般程序。先编制拟采用的焊接工艺PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification),然后按PWPS焊接CTOD试板，制成试样后，进行CTOD评定试验。如评定结果合格，拟用焊接工艺PWPS就成为正式焊接工艺规范WPS（Welding Procedure Specification)；如评定结果不合格，就要调整修订PWPS，再进行新一轮CTOD评定试验。PWPS的合格与否，是将所测得的CTOD特征值δ与规定的焊接接头CTOD允许值δmin进行比较，若δ≥δmin为合格，否则就不合格。
下面从质量控制、提高生产效率、降低建造成本三个方面介绍CTOD试验在海洋钢结构中的用法。
5.1 在控制质量方面
就设计方而言，应该突破只要强度、刚度、稳定性足够就安全的观念，把结构韧性，作为一个重要指标，予以明确。鉴于国内有关规范没有明确的规定，可以借鉴国外的做法。对超过一定厚度的母材，设计中应要求用CTOD试验抽查检验其低温韧性，并给出验收值。对管节点等重要部位的焊接工艺，其评定试验须包含CTOD试验，也应给出验收值，或指定验收所用的（国际）规范。
应当指出，设计单位不宜采取变通的办法回避做CTOD试验，那样会留下安全隐患。例如按国际规范，板厚超过50mm的焊接接头，要做CTOD试验。如果为了回避做CTOD试验，在本来应该用大于50mm厚钢板的部位，改用厚度小于50mm的钢板，再焊接加强筋。这种方法不宜采用。事实上，减薄钢板会影响结构整体刚度；加强筋的焊接又加大了结构增加焊接缺陷的风险。
确定一个合理的韧性值作为验收指标并不容易。如果韧性过低，影响结构的安全性和使用寿命。韧性过高，将会加大成本。就母材而言，不少高韧性钢尚需从国外进口，成本较高。对焊接接头韧性要求过高，不仅造成材料的浪费，而且也增加结构焊接的技术难度，还会延长建造工期，这些都会增加成本。显然，合理控制钢板及焊接接头的韧性，是关系到海洋钢结构安全性与经济性的问题。一般来说，首先是要确保结构在服役期间安全可靠。在这个前提下，来确定较低的韧性要求，以便于在结构建造中比较容易实现，降低建造成本。关于确定合理韧性值的问题，可参见作者的另一篇论文[21]。
就建造企业而言，应按设计要求，根据指定规范进行CTOD试验。工艺评定试验报告中必须有第三方签字的CTOD试验报告。评定的钢板厚度、接头形式和尺寸应能涵盖即将进行施工建造的所有焊接接头。监理方应该做好现场鉴证工作。
值得一提的是，作为焊接接头韧性检测技术，CTOD试验能够为改善焊接工艺提供有价值的信息。例如，某焊接接头的CTOD试验[22]发现焊缝中心的特征CTOD小于国际通用值，为分析原因，进行了扫描电镜观察和能谱分析，发现焊缝中有气泡、夹杂物、微裂纹，并检测到了硫元素，这为调整焊接工艺、改选焊接材料从而提高韧性提供了方向和思路。
5.2 在提高生产效率方面
在挪威钢结构建造规范中[17]规定：若焊接接头韧性足够，可以免除焊后热处理。海洋钢结构尺寸较大，焊后热处理耗资费时。若能免除焊后热处理工序，则可节省大量人力物力，缩短建造工期，提高生产效率。
具体做法是在设计文件中对焊接接头韧性设定一个CTOD允许值（验收值）。施工方提前编制拟用焊接工艺PWPS，然后按PWPS焊接CTOD试板，进行CTOD试验。如试验合格，则PWPS就成为正式焊接工艺规范WPS，直接用于建造施工，并且不用焊后热处理；如试验不合格，就修订PWPS，再进行CTOD试验，直到合格。这种方法在海洋平台上已获多次应用[23] [18] [5],近期在FPSO建造中首次得到应用[24]。
提高生产效率的另一条思路，可以用文献「5」作为例子。文献「5」评定的三个焊接工艺中，其中有两个工艺是为了比较而设计的，一个是单丝自动埋弧焊（PWPS28号工艺），另一个是双丝自动埋弧焊（PWPS19号工艺），它们的焊接材料、其他工艺参数相同。CTOD试验结果表明：这两项工艺的焊接接头的特征CTOD值非常接近，也就是韧度基本相同。但是，PWPS19号工艺的焊接效率要比PWPS28号工艺高得多。因此，在导管架的建造中，选择采用PWPS19号工艺，提高了建造施工效率。
5.3
