1. 成果特点
1．CTOD检测评定厚钢板焊接质量时，可以按整个焊接接头的厚度取样，来制作检测试样。这样，能够保存结构原始尺寸的影响，真实模拟实际结构的焊接条件。其检测得到的质量指标能反映整个焊接接头的质量，具有整体性，准确、安全、可靠。夏比冲击试验检测评定厚钢板焊接质量时，所得结果偏于危险，会在结构中留下安全隐患。
2. 本项技术在制备检测试样时，采用新的制备方法 “高K 比法”。这种方法不需要对焊缝进行常规的预先处理。因此，比国际上现有的CTOD检测技术具有更高的精度，更快的检测速度。
3. 本项技术提出了“双引伸计检测法”，可以在一个检测试样上同时进行CTOD检测和J积分检测，即在一个试样上同时进行两项检测，同时得到焊接质量的两个指标值，可以互相比较验证，使检测结果更准确、可靠。
2. 主要应用领域
1. 船舶、海洋工程制造业
1）高强船板、海洋平台板的焊接性能检测评定。
2）各种焊接工艺评定：指导选用焊接材料，调整、优化焊接工艺。
3）大型海上浮式生产储油卸油船（FPSO）的断裂与安全性评估。
2. 军事工业
坦克、舰艇、航空母舰等所用厚钢板焊接质量检测与评定。
3. 桥梁建造业、建筑业、水电核电等工程所用厚钢板焊接质量检测评定。
4. 压力容器、空分设备（低温钢）等焊接质量检测。
3. 研究单位及成果联系人
研究单位：武汉理工大学
联系人：苗张木
电话/传真：027 86550094
手 机： 13545053579
厚钢板焊接质量的CTOD检测评定技术
成 果 简 介
一.前言
焊接结构破坏大部分是从焊接接头开始的。薄钢板焊接质量检测，国内已经有成熟方法和有关规范，如GB2649-2655（1989）等。但是，厚钢板焊接接头内部，比薄钢板容易产生更多的夹杂、气孔等焊接缺陷，成为结构安全的隐患。国际上，工业发达国家在制造业中广泛应用CTOD检测评定技术，来检验厚钢板焊接质量。例如 “钢结构建造「1」”规范要求钢板厚度超过50毫米的焊接接头，必须做CTOD检测试验。“海洋结构物建造和试验「2」”规范规定屈服强度超过350MPa的钢板，其焊接接头必须做CTOD检测试验。欧洲标准“固定式海洋结构物焊接结构钢(交货技术条件)「3」”规定对厚度为100-150mm的钢板母材，也要做CTOD检测试验。
CTOD是英文名称Crack Tip Opening Displacement的首字母缩写，中文称为裂纹尖端张开位移「4」,指的是裂纹尖端处受张开型载荷后两表面所张开的相对距离（如图1），往往用δ表示，常用单位是毫米。CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力，也就是材料的韧性。把要检测的材料制成带有人为预制裂纹的试样，加上外力后，可以检测到裂纹尖端的张开位移δ值。δ值越大，表示裂纹尖端材料抵抗开裂的性能越好，即韧性越好；反之，δ值越小，韧性越差。由于CTOD韧性能很好反映焊接接头的质量，因此CTOD检测评定技术能够有效检测焊接质量。
武汉理工大学CTOD项目组通过引进、消化、吸收国际上先进的CTOD试验技术，再进行技术创新，研究开发了厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术，已经成功应用于国家重点工程 港深西部通道后海湾大桥钢箱梁的建造，应用于海洋平台导管架的建造，保证了钢箱梁和导管架的建造质量，确保安全性和可靠性，并且可以免除焊后热处理。
二.研究背景与应用效果
上世纪末，我国经济摆脱周边东南亚金融危机的影响，开始高速发展。大型工程建设项目逐渐增多，海洋石油也加快了开发。海洋石油平台、大跨度桥梁等工程钢结构呈现出大型化、厚壁化趋势，并且所用的多为中高强度钢，因此，厚钢板焊接质量检测评定的方法和技术显得十分重要，但是国内这种技术却尚未有效开发。厚钢板焊接质量的CTOD检测需要到国外（挪威船级社新加坡试验中心或韩国）去进行。面对这一情况，武汉理工大学组建了CTOD项目组,采取引进、消化、吸收、再创新的研发思路，开展了“厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术”的研究开发。迄今为止，CTOD项目组先后发表了近20篇论文，其中6篇被美国工程索引（EI）收录，3篇参加国际学术会议，取得一项专利，研究成果达到国际先进水平，并成功应用于国家重点工程 港深西部通道后海湾大桥钢箱梁焊接质量检测评定，这在国内属于首次，产生了良好的国际影响；又首次成功地用于30万吨FPSO建造中，从而免除了100多个模块支墩的焊后退火处理，产生了较大的经济效益，这在国际上也未见文献报道；又用于海洋平台导管架的建造，取得了良好的经济效益。
港深西部通道是连接香港和深圳两地的跨海大桥，是国家计委在1997年12月批准的国家重点项目。其中位于香港段的后海湾大桥四跨连续钢箱梁，最大跨度210米，梁宽39米，梁高4.2米，建造难度为国内之最，焊接质量要求很高。CTOD项目组用厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术，通过对不同焊接材料、不同焊接工艺的焊接接头质量CTOD检测评定，帮助钢箱梁的建造企业选择焊接材料，调整优化了焊接工艺「5-6」，保证了钢箱梁的建造质量，受到英国奥雅纳工程顾问公司的高度评价。
渤海湾PL19-3油田是我国最大的海上油田。该油田使用一艘由上海外高桥造船有限公司承建的、目前世界上在浅水域中使用最大的300kt 的浮式生产储油船「7」（FPSO）。其上的模块支墩是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。CTOD项目组按照国际通用规范BS7448和DNV-OS-C401的要求，对模块支墩焊缝和熔合区进行了低温（-180C）裂纹尖端张开位移（CTOD）的试验研究。试验研究结果表明：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试验值都能满足国际通用规范DNV-OS-C401规定的要求（不小于0.15mm），因此，可以确认，该焊接工艺可应用于模块支墩的焊接施工，并且焊后的模块支墩可以免除退火处理「8」。
某海洋平台导管架建造企业，原来所建造的导管架，需要进行焊后热处理，耗费大量人力物力，工期长，成本高。CTOD项目组用所开发的“厚钢板焊接质量CTOD检测评定技术”，帮助该企业选择焊接材料、优化焊接工艺，使得所建造的导管架具有很好的焊接质量，可以免除焊后热处理工艺，节省了热处理成本，缩短了建造工期，使企业在国内外投标中具备了更大的优势「9-12」，取得了较大的经济效益。
CTOD项目组在国内五家轧钢厂新研发的高强船板的九国船级社认证中，成功进行了多个新高强钢种(最大厚度为100mm)的CTOD检测试验「13」。
三.主要应用领域
CTOD检测厚钢板焊接质量，具有其他检测方法所不能替代的优点，应用领域很广。下面列举几个主要应用领域。
1. 船舶、海洋工程制造业
1）船板、海洋平台板的焊接性能评定（国际上对高强船板、平台板进行可焊接性试验时，一般包括CTOD试验）。
2）各种焊接工艺评定
一般做法如下：先确定拟采用的焊接工艺PWPS(Preliminary Welding Procedure Specification)，然后按PWPS焊接CTOD试板，制成试样后，进行CTOD检测评定。如检测评定结果合格，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，就要修订PWPS，再进行新一轮CTOD检测评定。PWPS的合格与否，是将检测得到的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。
）大型海上浮式生产储油卸油船（FPSO）的断裂与安全性评估。
3
国际上对FPSO断裂与安全性评估中，应用了CTOD检测技术「14」。按 “钢结构建造「1」”规范，钢板厚度达到或超过50mm的焊接接头，一般要做CTOD检测；按“海洋结构物建造和试验「2」”规范的规定，屈服强度超过350MPa的钢板，其焊接接头必须做CTOD检测试验。而国内在FPSO的设计建造中，往往回避CTOD检测的要求。例如在应当用厚度超过50mm的厚钢板的部位，改用厚度不足50mm的钢板，再采用焊接加强筋等方法，以避免进行CTOD检测评定。这样会留下安全隐患。事实上，减薄钢板会影响结构刚度；焊接加强筋后会使结构发生脆性破坏；而如果简单采用焊后热处理，会产生新的热应力和残余应力，甚至引发收缩裂纹，因为对于厚钢板焊接接头，热处理时间、温度、加热速率和冷却速率等难于选择和控制，容易使得焊接接头表面与内部之间温差过大。所以，FPSO的设计建造必须采用CTOD检测评定技术，检测厚钢板的焊接质量。
2. 军事工业
坦克、舰艇、特别是航空母舰「15」的建造中，较多使用厚钢板焊接结构。例如航空母舰的舰体水下部分为了防鱼雷与潜艇导弹的袭击，所用的钢板厚度可达150～203mm，远远超过国际上规定做CTOD检测的起始厚度（50mm）；舰上司令台用装甲板进行保护，板的厚度更是达330mm。这类军工产品的安全性、可靠性要求很高，无论焊后热处理与否，都应对焊接接头进行CTOD检测评定，仅仅用常规的冲击试验检测是不够全面的，会留下严重的安全隐患。
3. 桥梁建造业
大跨度钢箱梁所用板材较厚，有些超过了50mm。焊接钢桥主梁也有板厚超过50mm的部位。这些都应进行焊接质量的CTOD检测评定。
4. 建筑业
建筑业中，重型工业厂房、大跨度钢结构、高层建筑等钢结构，也呈现大型化、厚壁化趋势，许多钢板厚度超过了50mm，它们的焊接接头除了进行冲击试验外，应当进行CTOD检测评定，以避免发生事故。
5. 其他
压力容器、核反应压力容器（厚壁结构）、空分设备（低温钢）等等。
四.主要技术特点
1．CTOD检测评定厚钢板焊接质量时，可以按照整个焊接接头的厚度取样，来制作检测试样，这样保存了结构原始尺寸的影响，真实模拟了实际结构的焊接条件。因此，检测得到的质量指标能反映整个焊接接头的质量，安全、可靠。常用的夏比冲击试验等其他检测焊接质量的方法没有这个特点。
应当特别指出的是，检测评定厚钢板焊接质量时，用夏比冲击试验所得结果偏于危险，会在结构中留下安全隐患。因为在厚钢板焊接接头中切取夏比冲击试样，是在厚钢板中分层切取薄试样。例如对于厚度为60mm-100mm的焊接接头，国标GB2649 1989规定沿厚度方向取三个冲击试样（10mm×10mm×55mm），这相当于把原来厚钢板中材料原本所处的三轴应力状态转变为平面应力状态来测韧性了，所测得的韧性结果会偏高很多。
不仅如此，夏比冲击试验的韧性值，不能直接与构件（或结构）的设计应力联系，对结构设计及断裂力学分析没有直接的指导意义。而CTOD试验值δ可以直接与设计应力σ和裂纹（缺陷）尺寸a定量联系，可以用于计算构件（或结构）中已知尺寸的裂纹失稳扩展破坏时的应力。
2. 本项技术在制备检测试样时，采用新的制备方法「16，17，18，19」，即“高K 比法”。这种方法不需要对焊缝进行常规的预先处理，因此，比国际上现有的CTOD检测技术具有更高的精度，更快的检测速度。
3. 本项技术提出了“双引伸计检测法”。这种方法可以在一个检测试样上同时进行CTOD检测和J积分检测「20」，即在一个试样上同时进行两项检测，得到焊接质量的两个指标值，可以互相比较验证，使结果更准确、更可靠。“双引伸计检测法”能有效确定带裂纹构件（或结构）的约束因子「21」，能够在大型钢结构（如FPSO）的断裂分析与安全性评估中获得广泛应用「14」。
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