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技术百科:海洋钢结构的断裂韧性CTOD试验

admin

8 月 17, 2023

海洋钢结构包括海上风机、海洋采油平台、跨海大桥和海港码头等等,这些钢结构普遍采用厚钢板焊接而成。海洋钢结构服役环境恶劣,钢板厚度大强度高。它们不仅承受巨大的静载荷,还要承受波浪、海流、台风等引起的动载荷,容易疲劳破坏。而钢板厚度大焊接缺陷(例如微裂纹、气孔、夹渣、未熔合等等)更容易发生。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(抗开裂性能)。这样,尽管存在缺陷(类裂纹),这些缺陷也不会扩展或扩展很缓慢,钢结构在服役期间仍然是安全的。CTOD断裂韧性试验提供了一种材料存在缺陷的情况下,阻止变形及裂纹扩展能力的评价方式。

用传统的冲击试验来考核韧性指标,对于大型结构偏于危险,且忽略焊接缺陷的影响。标准冲击试样尺寸10mm*10mm*55mm,对于海洋钢结构大多是厚钢板焊接结构,存在取样限制,不够科学合理,无法进行焊接接头的全厚度韧性测定。

CTOD(Crack Tip Opening Displacement) 裂纹尖端张开位移试验,是一种评价材料和焊接接头抗断裂性能的有效方法。工业发达国家已经在制造业广泛应用CTOD试验作为焊接接头的评定方法,尤其是板厚超过50mm按规范必须做CTOD试验,近年来国内海工行业也呈现这一趋势。

CTOD评价方式是采用与钢结构相同厚度的板材焊接一块试板,在厚度方向开一个机械缺口,然后通过疲劳的方式制造一个人工裂纹缺陷,通过施加外部载荷来观察裂纹的扩展及断裂情况。考虑焊接接头不同区域的性能会有所差别,一般需要分别在焊缝和热影响区进行试验。

CTOD突破了只考核强度、塑性、冲击韧性的传统做法,将客观存在的缺陷纳入考量,对结构整体的断裂韧性进行全面评估,大大降低了安全隐患;一些钢结构设计规范(如EN 10225)及船舶设计规范(各船级社)已经将CTOD断裂韧性,作为一项必要的考核数据,尤其是针对厚度50mm以上的结构。部分船级社规范(例如挪威DNV)或设计方规定,当CTOD测试结果达到一定值,表明焊接具有良好的韧性,可以免除焊后热处理,大大提高经济效益。

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