CTOD試驗方法在海上風電導管架制作上的應用

劉華欣

宏華海洋油氣裝備（江蘇）有限公司 江蘇南通 226259

1 序言

隨著全球對可再生能源的需求不斷增加，海上風電作為一種高效且可持續的能源解決方案，正迅速發展。海上風電導管架是支撐風塔、風機的關鍵結構，承受著巨大的靜態和動態風力、波浪和海流力等多種荷載作用，同時面對著海洋環境的極端條件，如海洋鹽霧、氧化腐蝕和水動力效應等，一旦導管架某一部位出現裂紋，整套海上風塔很容易發生斷裂倒塌的災難性事故。有研究表明，許多破壞事故是在低溫條件、焊接處或高應力集中處等情況下發生的，而直接的破壞原因是結構中存在的裂紋，因裂紋的擴展而引起的機構脆性斷裂。因此，為了確保海上風電導管架的可靠性和安全性，斷裂行為的研究就顯得至關重要[1]。

從斷裂的研究進展可以知道，宏觀裂紋與鋼材的斷裂關系很大，對于含有裂紋的結構還有待于進行全面的安全評定。沖擊韌度指標雖然能夠反映鋼材韌性的好壞，卻無法對構件是否會發生脆性斷裂進行分析。對鋼結構件的斷裂設計最為關鍵的是確定裂紋開始擴展時的臨界條件，必須通過斷裂力學的理論進行分析才有可能達到[2]。

裂紋尖端張開位移（CTOD）作為一種斷裂韌度評估指標，能夠更準確地描述材料在斷裂前的裂紋擴展行為。王志堅等[3]依據英國標準BS 7448-1：1991《斷裂韌度試驗 部分1：金屬材料KIC值、特征CTOD值和特征J值的測定方法》和DNV-OS-C 401：2007《DNV船級社規范制造和測試 離岸結構物組裝和實驗標準》，采用埋弧焊和CO2氣體保護焊對板厚80mm的海洋石油平臺導管架對接接頭試樣進行低溫CTOD試驗，探討了這種大厚板焊接接頭在埋弧焊和CO2氣體保護焊工藝下免除焊后熱處理的可能性。華中科技大學楊秀芝等[4]對高強船體鋼雙絲埋弧焊焊接接頭進行低溫CTOD測定，試驗采用16mm試樣，裂紋預制于焊縫中心，在－40℃條件下測定，發現CTOD值＞0.15mm，符合驗收標準。

本文分別從CTOD的概念和試驗方法介紹焊接接頭斷裂韌度評定方法，列舉了CTOD在海上風電導管架制作過程中的應用實例及經濟性，為海上風電行業提供一種新型的設計和評估方法，以提高海上風電導管架的性能和可持續發展能力。

2 CTOD簡介

CTOD是一種用于評估材料斷裂韌度的關鍵參數，是構件受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面張開的相對距離[5]，即裂紋尖端在斷裂前的最大位移或開口大小，可以用來描述材料在承受應力時裂紋的擴展行為（見圖1）。CTOD值越大，表示材料抗開裂性能越好，即韌性越好，反之韌性越差。

圖1 CTOD定義

2.1 CTOD測量方法

（1）傳統方法 傳統的CTOD測量方法包括使用傳感器、擴展計和位移計等設備來監測裂紋尖端的位移或開口大小的變化。這些方法通常需要在試樣上安裝傳感器，并對試樣施加一定的加載或應力。通過測量裂紋尖端處的位移或開口大小，可以得到CTOD值。

（2）光學方法 近年來，光學方法在CTOD測量中得到了廣泛應用。其中，數字圖像相關法（Digital Image Correlation，DIC）和全場光測量法（Full-field Optical Measurement，FOM）是常見的技術。這些方法利用高速相機和圖像處理算法，可以實時測量裂紋尖端的位移和形變，并計算出CTOD值。

2.2 CTOD計算模型

（1）單純剪切法 單純剪切法是一種常用的CTOD計算模型，它基于剪切模態下的裂紋擴展行為。該方法通過測量裂紋尖端處的位移和應力場分布，結合彈塑性力學理論和裂紋力學參數，計算出CTOD值。

（2）位移控制法 位移控制法是另一種常見的CTOD計算模型，它基于位移模態下的裂紋擴展行為。該方法通過施加一定的位移或加載，監測裂紋尖端的位移和應力變化，并計算出CTOD值。位移控制法可以通過試驗和數值模擬來獲得CTOD的估值。

（3）應力分析法 應力分析法是一種基于有限元分析的CTOD計算模型。它通過建立裂紋尖端附近的有限元模型，考慮材料的力學性能和邊界條件，模擬裂紋擴展行為，并計算出CTOD值。應力分析法可以提供更準確的CTOD估值，但需要考慮材料的本構模型和邊界條件等因素。

3 某海上風電導管架產品試驗方法

我公司承接的某海上風電導管架產品施工技術要求：“產品焊后應按CCS 2021《材料與焊接規范》中的規定，做好焊后熱處理，其焊后熱處理的溫度為550～620℃。根據規范要求，若有資料證明（如CTOD試驗）焊后接頭具有良好的斷裂韌度，可免作焊后熱處理?！笨紤]到產品結構復雜、現場熱處理難度非常大，且熱處理周期較長，特參考標準GB/T 21143—2014《金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》和CCS 2021《材料與焊接規范》要求實施CTOD試驗，用來免除焊后熱處理。

3.1 試驗取樣加工

（1）焊接試板的制作 根據客戶某產品規格型號要求，本次焊接試板采用85mm的Q355NE Z35和85mm的EH36 Z35兩種規格鋼板，焊接試板清單見表1，坡口形式如圖2所示。

表1 焊接試板清單

圖2 坡口形式

（2）試樣制備 焊接試板焊后經無損檢測合格后，對焊縫及熱影響區粗晶區進行CTOD測試樣品制備，試樣制備尺寸要求如圖3所示，具體分以下幾步。

圖3 試樣制備尺寸要求

1）按照W＝B＝85mm，S＝340mm的樣品尺寸對試板進行截取，同時避開局部缺陷區域。

2）為更科學地反映試板的抗裂性能，每塊試板上取3組試樣，對試板進行機械加工處理，得到符合標準要求的未開口測試樣品毛坯，分別編好試樣編號。

3）對焊縫進行腐蝕，精確找到機械加工開口位置，之后沿貫穿厚度方向進行機械加工開口，開口長度設置為0.6W＝51mm。

4）對機械加工開口前端裂紋擴展延長線區域進行殘余應力的消除。

5）預制疲勞裂紋。使用高頻疲勞試驗機對試樣機械加工開口進行預制裂紋，疲勞頻率設置為60Hz，裂紋長度為0.05W＝4.25mm。

（3）試樣檢查 試樣加工完成后，應對試樣的符合性進行檢查，記錄有效厚度、寬度和機械加工開口長度，試樣數據見表2。部分試樣如圖4所示。若確認無誤后，則可上機進行測試。

表2 試樣加工尺寸（mm）

圖4 加工后試樣

（4）試驗儀器 試驗使用的設備高頻疲勞試驗機和高低溫環境箱，設備需進行計量校正，允許誤差滿足試驗要求。設備清單及型號見表3。

表3 設備清單及型號

（5）試驗前狀態 將試樣放置環境箱內降溫至－20℃并保溫1h以上，取出后放置在高頻疲勞試驗機上，試樣開口處放置COD規，試驗準備就緒。試樣試驗前狀態如圖5所示。

圖5 試樣試驗前狀態

3.2 試驗過程

設置壓頭下壓速率為1.55mm/min，開始施加壓力，設備達到試樣承受的最大載荷后，試樣裂紋尖端處開裂，根據載荷-位移（F-V）曲線記錄最大載荷量和缺口張開位移的塑性分量Vp。部分試樣試驗過程及F-V曲線如圖6所示。

圖6 試驗過程及F-V曲線

3.3 試驗結果

將壓斷的試樣使用標準要求的9點法測量預制裂紋長度，即沿試樣厚度方向取9個位置分別測量，其中最外側的兩個點位于距試樣表面0.005W處（即0.425mm處），然后在這兩個點之間等間距取7個測量位置。9點測量法如圖7所示。

圖7 9點測量法

測量后記錄，根據式（1）計算出平均長度a0，根據裂紋有效性判定參數計算出a0/W、最小裂紋長度、（amax－amin）/a0數值，進而判定裂紋是否有效。其中試驗數據見表4。

表4 裂紋測量數據及有效性判定

式中a01～a09——9點法測量的裂紋長度（mm）；

a——機械加工開口長度（mm）。

根據式（3）計算CTOD特征值

式中δ0——CTOD特征值（mm）；

S——跨距（mm）；

W——試樣寬度（mm）；

F——施加載荷（kN）；

B——試樣厚度（mm）；

BN——兩側槽之間的試樣凈厚度（mm）；

υ——泊松比，取值0.33；

RP0.2——在試驗溫度下材料在垂直于裂紋平面方向0.2%的規定塑性延伸強度（MPa）；

E——試驗溫度下的彈性模量（GPa）；

R——轉動半徑（mm）；

Z——用于測定缺口張開位移的引伸計裝夾位置距離試樣表面之間的距離（mm）；

a0——（初始裂）紋平均長度（mm）；

VP——V的塑性分量（mm）。

轉動半徑R由下式計算，即

3.4 試驗結論

匯總每組試樣的CTOD特征值，對照CCS 2021《材料與焊接規范》要求對其判斷結果的有效性。業主及監理單位認可試驗結果，認為焊后接頭具有良好的斷裂韌度，可免除焊后熱處理。試驗數據有效性判定及結論見表5。

表5 試驗數據有效性判定及結論

4 CTOD的應用

導管架（見圖8）是海上風電基礎結構，主要分布在我國的渤海、黃海、東海和南海等海域。由于渤海冬季寒冷、有浮冰，所以必須考慮導管架冰載荷和低溫沖擊韌度，南海海域冬季溫度相對高些。因此，對于建造不同海域的海上風電導管架對其結構斷裂韌度的要求是不同的。通過CTOD試驗方法可以對不同溫度下的焊接接頭韌性進行評估[6]。

圖8 導管架

苗張木等[7]按照英國相關規范，用CTOD試驗技術測試了板厚為90mm的海洋平臺導管架焊接接頭的韌性，對3項焊接工藝進行了評定，結果表明，3項焊接工藝的所有焊接接頭（包括焊縫和熱影響區）試樣的CTOD特征值，都大于設計規格書的要求，所評定的3項焊接工藝可以直接用于海洋平臺導管架建造，焊后允許不進行熱處理。CTOD評定技術的應用有效減少了焊縫質量控制和焊后熱處理環節，極大地降低了建造施工成本。

以某海上風電導管架項目為例，涉及需要熱處理的焊縫長度約563m（其中主管長約407m，過渡段長約156m），以每段焊縫焊后熱處理溫度為550～620℃計算，公司現有的12個溫度控制點智能溫控儀（DWK-D-240kw）5臺，一般熱處理所需時間15h，其中保溫時間3h，所需用電量84240kW·h，預估費用約8.4萬元，且部分合攏縫處于立體空間，高度差非常大，采用熱處理難度很大；而采用CTOD試驗替代焊后熱處理，所需要的試驗費用約6萬元，大大降低了生產成本，提高了生產效率，按年度產出10套該類型導管架計算，全年可節省成本約83萬元，創造了巨大的經濟效益。

綜上可知，CTOD試驗在海上風電導管架平臺建造工程中發揮著重要的作用，具有很高的社會效益和經濟效益。

5 結束語

隨著我國海上風電向深海發展戰略和“雙30”目標的實施，海上風電導管架的工作環境將越加復雜惡劣。為保證海上風電及其導管架的安全可靠，對結構斷裂韌度的要求將會越來越高。目前，在工程中應用最實用、最經濟的測試方法是CTOD試驗技術。CTOD試驗作為一項材料斷裂韌度的重要評定技術，將在海上風電導管架及其他海洋工程領域得到越來越廣泛的應用。