上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司
（注：接上一篇《全焊接閥體管線球閥焊接接頭安全評估（影響閥體焊縫安全性的因素）》）
三、CTOD（Crack Tip opening Displacement）試驗(yàn)
如前所述，全焊接閥體管線球閥閥體焊接接頭是閥門壓力邊界完整的最大隱患，然而評價焊接接頭韌性的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法夏比（Charpy）沖擊試驗(yàn)實(shí)際上是個衡量焊接接頭抗沖擊能力的指標(biāo)，它不能全面反映焊接接頭的真實(shí)韌性，也不能解釋焊接接頭的失效機(jī)制，更不能反映焊接殘留應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響。因此，用夏比沖擊韌度值來評價焊接接頭的韌性，有明顯的局限性。
隨著英國焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2，《斷裂韌度試驗(yàn)·第 2 部分：金屬材料焊接的 KIC 值、臨界 CTOD 值和臨界 J 值的測定方法》，針對焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻性和存在殘留應(yīng)力等特征，對 BS7448 Part1 進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定，這是目前國際上被工程界認(rèn)可的測定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。例如 API 1104 附錄 A，DNV-OS-401，BS7910 都是根據(jù) BS7448 Part2 斷裂韌度 CTOD 值的測試規(guī)范來評定焊接結(jié)構(gòu)的完整性。
1. 試驗(yàn)方法
圖 2 CTOO 測試試驗(yàn)
在此根據(jù) BS7448 Part2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并參照 API 1104 及 DNV-OS-401 相關(guān)規(guī)范要求，以 CTOD 斷裂韌度值來評價全焊接閥體焊接接頭免焊后熱處理的安全性。如圖 2 所示根據(jù) BS7448 Part2，試樣取厚度 B=18，寬度 W=36，長度 L=4×36＋20，裂紋長度 a≈(0.04~0.55)W 。用疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制裂紋．在美國 500KN 級 MTS 試驗(yàn)機(jī)上采用原裝配套的 CTOD 試驗(yàn)硬件系統(tǒng)和控制程序進(jìn)行試驗(yàn)，采用 6 位（0.00001mm）高精度數(shù)字讀數(shù)顯微鏡測定裂紋的擴(kuò)展量。按標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)的最佳方法——多試樣法求得臨界開裂的缺口張開位移量 δc（或 δ0.05）。
2. 試驗(yàn)結(jié)果
CTOD 試驗(yàn)系統(tǒng)及完成加載試驗(yàn)后得焊縫 CTOD 試樣。試驗(yàn)中出現(xiàn) pop-in（并進(jìn)/突進(jìn)）的 HAZ 試樣，試驗(yàn)所獲得的焊縫區(qū)有效試樣 8 個，HAZ 有效試樣 8 個，達(dá)到 CTOD 多試樣法的要求。
其中 HAZ 的起裂點(diǎn) CTOD 值占 δc 直接測量獲得，臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗(yàn)回歸線與裂紋擴(kuò)展量 0.05mm 垂直線的交點(diǎn)確定，突進(jìn)點(diǎn)的 CTOD 值石 δm 由試驗(yàn)直接測覺獲得。焊縫的起裂點(diǎn) CTOD 值 δc 和臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗(yàn)回歸線與裂紋擴(kuò)展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直線的交點(diǎn)確定，突進(jìn)點(diǎn)的 CTOD 值 δm 由試驗(yàn)直接測量獲得。焊縫與 HAZ 的 CTOD 計算結(jié)果見《表 1》。
| δc / mm | δc / mm | δc / mm | |
|---|---|---|---|
| 熱影響區(qū) | 0.197 | 0.24 | 0.53 |
| 焊縫 | 0.196 | 0.23 | 0.91 |
3. 安全評價
參照 DNV-OS-C401（挪威船級社）標(biāo)準(zhǔn)，CTOD 值大于 0.15mm 為合格。開發(fā)工藝接頭的實(shí)測 δc 皆大于 0.15mm，表明接頭可以在不進(jìn)行熱時效處理的情況下使用。
圖 3 不同 CTOD 值的允許缺陷尺寸與最大許用應(yīng)變的關(guān)系
參照 API 1104《管道與相關(guān)設(shè)施的焊接》標(biāo)準(zhǔn)附錄 A，其給出 TCTOD 值分別為 0.005in（0.1225mm）和 0.01in（0.245mm）時允許缺陷尺寸與許用應(yīng)變的關(guān)系圖，如圖 3 所示。從圖中可知，CTOD 值越大，焊縫斷裂韌度越好，所允許缺陷尺寸可增大。根據(jù)全焊接閥體焊接接頭最小 CTOD 值等于 0.197mm（0.0078in）時最大許用軸向應(yīng)變與允許缺陷尺寸之間的曲線。
20in 600Lb 全焊接閥體球閥按額定工作壓強(qiáng)的 1.5 倍計算，最大主應(yīng)力為 15MPa，通過有限元計算可得最大軸向應(yīng)變?yōu)?728με（即 0.000728ε），如按 API 1104 附錄 A 所給出的最小可接受 CTOD=0.005in（0.1225mm）考慮，最大缺陷尺寸限為 0.3in，相當(dāng)于 7.6mm。實(shí)測 CTOD=0.008in（0.196mm）其對應(yīng)的缺陷允許尺寸為 0.45in（11.4mm），按 JB4730-94 1 級壓力容器要求執(zhí)行，允許缺陷尺寸為低于 0.15in（3.765mm），因此實(shí)際接頭仍具有相當(dāng)高的安全裕度。
全焊接閥體焊縫無損探傷按 JB4730-1994 的 1 級壓力容器要求執(zhí)行，其要求焊縫缺陷尺寸小于 0.15in（3.675mm）。因此，當(dāng)全焊接閥體焊接接頭滿足 CTOD 斷裂韌度值大于 0.005in（0.1225mm），焊縫無損探傷滿足 JB4730-94 的 1 級壓力容器要求，即可認(rèn)定免焊后熱處理工藝是安全可靠的。
四、結(jié)論
1）焊接接頭根部結(jié)構(gòu)上裝配隙縫存在應(yīng)力集中，進(jìn)行 CTOD 試驗(yàn)，考察接頭的斷裂韌度是必要的。
2）試驗(yàn)結(jié)果表明焊縫，熱影響區(qū)的最小 CTOD 值為 0.196mm，大于 API 1104 附錄 A 0.125mm 和 DNV-OS-C401 0.15mm 的要求，焊縫本身經(jīng)無損探傷滿足 JB4730-94 的 1 級壓力容器要求，因此可以認(rèn)定焊接接頭具有足夠的斷裂韌度值，作為免焊后熱處理的依據(jù)是充分的。
（全文完）