摘要：模块支墩是海上浮式生产储油船（FPSO）中连接上部模块与主甲板的关键结构，必须有效保证其焊接接头的韧度以防裂防断。按照国际通用规范BS7448和DNV-OS-C401的要求，对我国渤海PL19-3油田30万吨FPSO的模块支墩焊缝和熔合区进行低温（-180C）裂纹尖端张开位移（CTOD）试验。结果表明：按拟用焊接工艺所焊接的模块支墩焊接接头，其焊缝和熔合区的CTOD试验值都满足DNV-OS-C401规定的要求（不小于0.15mm）。因此，该焊接工艺可应用于模块支墩的焊接施工，并且可以免除模块支墩的焊后退火处理。

关键词： CTOD 焊接接头 FPSO 模块支墩

　　1. 引言

　　渤海湾PL19-3油田是我国最大的海上油田，该油田将使用一艘30万吨FPSO(floating production, storage and off-loading),为目前世界上在浅水中使用的最大的FPSO[1]，由上海外高桥造船有限公司承建。这艘FPSO的上部模块与主甲板通过模块支墩相连接。模块支墩不仅承受上部模块巨大的重量（单个模块重达3000吨），还要承受由于FPSO摇摆、升降等引起的巨大惯性力。在这种动载荷的长期作用下，且由于模块支墩所用钢板很厚（面板厚度达70mm）,因此，模块支墩的焊接接头比较容易产生裂纹进而造成破坏事故。

　　为避免模块支墩焊接接头在FPSO服役期间产生裂纹，必须要求焊接接头材料（包括母材、焊缝中心和熔合区）具有足够的抵抗开裂的能力，即韧性（韧度）。所谓韧度，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。一般用冲击韧性（冲击功）衡量韧度。由于模块支墩钢板很厚（面板厚70mm），而冲击韧性试样较小（10mm×10mm×55mm），按有关规范如GB2649-1989 [2]，对厚度为60mm～100mm的焊接接头，要沿厚度方向取三个试样来测量。从力学上看，这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后，再测量冲击韧性，结果会有较大误差，并且是偏于危险的。一个典型的例子是，“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发生完全纤维断口的韧断” [3]。另一个典型的例子是1950年，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验发射时发生爆炸，所用的材料是屈服极限为1400MPa的超高强度钢，按V型夏比冲击试验的结果却是合格的[4]。因此，有必要取模块支墩焊接接头整个厚度来制备试样（全厚度试样），进行韧度测定，以保证所制备试样能够反映真实焊接接头的情况。这必须借助于CTOD韧度试验。

　　所谓CTOD，即裂纹尖端张开位移，是其英文名称Crack Tip Opening Displacement 的首字母缩写，指的是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[5]（如图1）。 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，加上外载以后，裂纹尖端处有一个张开位移CTOD值，可以被测定。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。
为有效控制模块支墩焊接接头的韧度，确保建造质量，上海外高桥造船有限公司对焊接工艺进行了深入研究，焊接成CTOD试样，在武汉理工大学交通学院，进行了全厚度低温（-180C）CTOD韧度试验。本文是部分试验工作的总结。 

　　2. 材料与焊接工艺 

　　2.1母材 

　　母材是日本产的F36高强钢，生产所依据的规范为EN133-001。其主要化学成分如表1，最大碳当量为0.34%,板厚为80mm。主要力学性能σs=422MPa,σb=501MPa，δ5=34%。 

表1 F36钢化学成分（%）

　　2.2焊接工艺 

　　采用对接焊缝，等角K型坡口（角度为45o）,无钝边，对口间隙0-1mm。K型坡口的直边垂直于试板平面。采用焊条电弧焊（SMAW）进行多层多道焊接，预热温度为112oC,最高层间温度为173oC。主要工艺参数见表2。 

表2   手工电弧焊（SMAW）工艺参数

　　按该工艺所焊接得到的接头，焊缝中心（WP）的力学性能为：бs=563.33MPa，
бb=627.20MPa，E=206GPa，μ=0.287；熔合线（FL）力学性能为：бs=595.75MPa，
бb=630.96MPa，E=210GPa ，μ=0.287。力学性能试验按国际标准ISO 5178[6] 并参考国家规范 GB2652-1989[7] 、GB2649-1989[2] 和GB/T228-2002[8]进行。 

　　3. CTOD韧度试验 

　　3.1　试样制备 

　　试样取样和制备按规范BS7448-1 [9]、BS7448-2[10] 和Offshore Standard DNV-OS-C401[11]进行。试样纵向垂直于焊道。采用三点弯曲试样，试样横截面采用B×B型，切口取向为 NP方向[10]。 

　　按规范[10]的要求，必须制成全厚度试样。因为同一种材料不同厚度试样CTOD值是不相同的。通常，钢板厚度增大，其焊接接头综合机械性能会下降，尤其是CTOD值会降低。为使试验所得的CTOD能够准确地反映厚钢板焊接接头的断裂韧度，试样厚度应尽可能接近试板原始厚度。但是，由于焊接角变形等原因，往往要留出加工余量。本项研究中板厚为80mm，加工后试样厚度为72mm（其中一个是70mm）。 

　　试样的平行度、垂直度和表面光洁度都必须满足规范BS7448-2。在试样六个面（包括两个端面）完成切削加工后，必须再在磨床上进行磨削。磨完后要保护试样表面没有划痕。切口用电火花线切割加工，裂纹尖端部分用直径为0.12mm的细钼丝，以防止预制疲劳裂纹时裂纹发生分叉。 

                                             图2 线切割制成的切口
　　按规范BS7448-2和DNV-OS-C401的要求，模块支墩焊接接头CTOD试验必须包括焊缝中心部位（WP）和熔合线（FL）。因此，在用电火花线切割加工切口之前，先用一定浓度的硝酸酒精溶液腐蚀焊接接头部位，以确定焊缝中心部位和熔合线，用划针划出切口中心位置。试样切口照片如图2所示。
在JXG-200型高频疲劳试验机上预制疲劳裂纹，预制过程按规范[9，10]的要求进行。应力比先取R=0.1预制到疲劳裂纹长度为1-2mm左右，然后将应力比调整为R=0.7，再将疲劳裂纹预制到所需长度。 

　　3.2试验过程 

　　试验按规范[9，10]规定的程序和要求进行。主要步骤如下：载荷、位移测量系统标定（试验前）；安放试样、确定F-V曲线斜率；加载、记录F-V曲线、卸载；载荷、位移测量系统标定（试验后）；二次疲劳、压断试样；断口读数测量a0 及a；数据和断口的有效性检验。采用酒精与干冰混合于低温槽的方法制造所需的低温环境，图3 是试验的照片。试验平均温度为-180C。根据试验中测得的有关数据，按下式计算CTOD 值［9］： 

                                        图3 低温CTOD试验照片
　　δ为裂纹尖端张开位移(CTOD)；F为施加载荷；S为试样跨度；B为试样厚度；W为试样宽度；μ为泊松比；E为弹性模量；ao为原始裂纹长度；f为三点弯曲试样(a0 /W)的函数；Vp为裂纹嘴张开位移的塑性分量；σs 为材料的屈服极限；Z为刀口厚度。

　　FPSO模块支墩焊接接头低温CTOD韧度试验研究(下)