上海沪工阀门厂（集团）有限公司
（注：接上一篇《全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估（影响阀体焊缝安全性的因素）》）
三、CTOD（Crack Tip opening Displacement）试验
如前所述，全焊接阀体管线球阀阀体焊接接头是阀门压力边界完整的最大隐患，然而评价焊接接头韧性的传统试验方法夏比（Charpy）冲击试验实际上是个衡量焊接接头抗冲击能力的指标，它不能全面反映焊接接头的真实韧性，也不能解释焊接接头的失效机制，更不能反映焊接残留应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。因此，用夏比冲击韧度值来评价焊接接头的韧性，有明显的局限性。
随着英国焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2，《断裂韧度试验·第 2 部分：金属材料焊接的 KIC 值、临界 CTOD 值和临界 J 值的测定方法》，针对焊接接头中各区域性能不均匀性和存在残留应力等特征，对 BS7448 Part1 进行了补充规定，这是目前国际上被工程界认可的测定焊接接头 CTOD 断裂韧度值的试验标准。例如 API 1104 附录 A，DNV-OS-401，BS7910 都是根据 BS7448 Part2 断裂韧度 CTOD 值的测试规范来评定焊接结构的完整性。
1. 试验方法
图 2 CTOO 测试试验
在此根据 BS7448 Part2 试验标准，并参照 API 1104 及 DNV-OS-401 相关规范要求，以 CTOD 断裂韧度值来评价全焊接阀体焊接接头免焊后热处理的安全性。如图 2 所示根据 BS7448 Part2，试样取厚度 B=18，宽度 W=36，长度 L=4×36＋20，裂纹长度 a≈(0.04~0.55)W 。用疲劳试验机预制裂纹．在美国 500KN 级 MTS 试验机上采用原装配套的 CTOD 试验硬件系统和控制程序进行试验，采用 6 位（0.00001mm）高精度数字读数显微镜测定裂纹的扩展量。按标准确认的最佳方法——多试样法求得临界开裂的缺口张开位移量 δc（或 δ0.05）。
2. 试验结果
CTOD 试验系统及完成加载试验后得焊缝 CTOD 试样。试验中出现 pop-in（并进/突进）的 HAZ 试样，试验所获得的焊缝区有效试样 8 个，HAZ 有效试样 8 个，达到 CTOD 多试样法的要求。
其中 HAZ 的起裂点 CTOD 值占 δc 直接测量获得，临界 CTOD 值 δ=0.05 用多试样 CTOD 试验回归线与裂纹扩展量 0.05mm 垂直线的交点确定，突进点的 CTOD 值石 δm 由试验直接测觉获得。焊缝的起裂点 CTOD 值 δc 和临界 CTOD 值 δ=0.05 用多试样 CTOD 试验回归线与裂纹扩展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直线的交点确定，突进点的 CTOD 值 δm 由试验直接测量获得。焊缝与 HAZ 的 CTOD 计算结果见《表 1》。
| δc / mm | δc / mm | δc / mm | |
|---|---|---|---|
| 热影响区 | 0.197 | 0.24 | 0.53 |
| 焊缝 | 0.196 | 0.23 | 0.91 |
3. 安全评价
参照 DNV-OS-C401（挪威船级社）标准，CTOD 值大于 0.15mm 为合格。开发工艺接头的实测 δc 皆大于 0.15mm，表明接头可以在不进行热时效处理的情况下使用。
图 3 不同 CTOD 值的允许缺陷尺寸与最大许用应变的关系
参照 API 1104《管道与相关设施的焊接》标准附录 A，其给出 TCTOD 值分别为 0.005in（0.1225mm）和 0.01in（0.245mm）时允许缺陷尺寸与许用应变的关系图，如图 3 所示。从图中可知，CTOD 值越大，焊缝断裂韧度越好，所允许缺陷尺寸可增大。根据全焊接阀体焊接接头最小 CTOD 值等于 0.197mm（0.0078in）时最大许用轴向应变与允许缺陷尺寸之间的曲线。
20in 600Lb 全焊接阀体球阀按额定工作压强的 1.5 倍计算，最大主应力为 15MPa，通过有限元计算可得最大轴向应变为 728με（即 0.000728ε），如按 API 1104 附录 A 所给出的最小可接受 CTOD=0.005in（0.1225mm）考虑，最大缺陷尺寸限为 0.3in，相当于 7.6mm。实测 CTOD=0.008in（0.196mm）其对应的缺陷允许尺寸为 0.45in（11.4mm），按 JB4730-94 1 级压力容器要求执行，允许缺陷尺寸为低于 0.15in（3.765mm），因此实际接头仍具有相当高的安全裕度。
全焊接阀体焊缝无损探伤按 JB4730-1994 的 1 级压力容器要求执行，其要求焊缝缺陷尺寸小于 0.15in（3.675mm）。因此，当全焊接阀体焊接接头满足 CTOD 断裂韧度值大于 0.005in（0.1225mm），焊缝无损探伤满足 JB4730-94 的 1 级压力容器要求，即可认定免焊后热处理工艺是安全可靠的。
四、结论
1）焊接接头根部结构上装配隙缝存在应力集中，进行 CTOD 试验，考察接头的断裂韧度是必要的。
2）试验结果表明焊缝，热影响区的最小 CTOD 值为 0.196mm，大于 API 1104 附录 A 0.125mm 和 DNV-OS-C401 0.15mm 的要求，焊缝本身经无损探伤满足 JB4730-94 的 1 级压力容器要求，因此可以认定焊接接头具有足够的断裂韧度值，作为免焊后热处理的依据是充分的。
（全文完）