海洋工程用钢需求现状及未来发展趋势

1、Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室王东坡 教授天津大学材料科学与工程学院2014.9海洋工程用钢需求现状及未来发海洋工程用钢需求现状及未来发展趋势展趋势Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室2 2主要内容Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室一一 需求背景需求背景 1. 根据有关资料，全球累计探明石油可采储

2、量 3880 亿吨，天然气储量 266 万亿立方米，其中海洋石油天然气储量占 45%左右。随着陆上油气资源逐渐减少，海洋石油已成为世界各国争相追逐的主要战略资源。目前已发现的油气田1600多个，有100多个国家和地区在海上开发油气，有 200 多个油气田投产。 Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室一一 需求背景需求背景 2. 国际上海洋油气开发主要呈现两个重要发展趋势: 1. 向深冷区域发展，北冰洋海域蕴藏约2000亿吨油气资源，已成为某些周边国家竞相研究开发的热点区域之一，主要有挪威/俄罗斯/美

3、国/加拿大等国参与争夺。 3. 更重要的发展领域是深海油气开发，最为著名深海油气开发区域就是墨西哥湾，另外南美巴西部分海域和我国南海成为深海油气资源丰富的两个区域。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室一一 需求背景需求背景 3 . 我国南海所蕴藏油气储量约300亿吨当量，其中60-80%埋藏于深海区域，大部分水深约1500米以上，且该海域台风频次多，海浪高，海流复杂，开发难度极大。由于菲律宾和越南等国在南海部分海域与我国存在主权争议，因此谁能率先成功进军深海，必将是最大赢家。 有鉴于此，南海深水油

4、气资源开发利用已上升为国家能源发展战略。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 4. 海洋油气资源开发和利用促使海洋工程装备制造业蓬勃兴起，海洋工程装备市场具有广阔发展前景和巨大的发展潜力。 近十年，海洋石油勘探开发的投资持续大幅增长，据Douglas-Westwood 统计，08 年全球海工装备资本性投资为 1570 亿美元，09 年约 1520 亿美元，占海洋油气勘探开发总投资 60%左右。 当前，全球共有各类海洋钻井装备 650 多座，其中自升式钻井平台超过 430 座，占有总规模的 2/3；

5、半潜式钻井平台 180 多座，钻井船近 50 艘，合计占 1/3。一一 需求背景需求背景Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 5. 截至 2009 年底，国内在生产油气田 77 个，平台 150座，在建 10 座，海外油田管理 140 余座，海管 4,813km（在建 173km），海底电缆 380km，FPSO17 艘，水下井口已建成 6 套，陆上终端已建成 11 座、2 座在建设中（海外终端管理 1 座），这些海上工程装备和设施使中国海油具备5,000 万吨油当量的生产能力。一一 需求背景需求

6、背景Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 6. 从目前掌握的数据看，在2011-2015 年间，我国海洋石油增加 5,000万吨的海洋石油产量的预期可以实现。这 5 年间，建造 70 多座平台，新建 10 多艘 FPSO，其中中海油需建造 55 座海洋平台，6 艘 FPSO，4 个陆地终端、铺设海底管线 1,000 多公里，投资总量每年将以数百亿元以上递增。 未来十三五，我国南海大开发及东海大开发，及国际市场的开拓，中国海工市场还将快速发展。 国际油价稳定在100美元左右，使得国际海工市场年投资将

7、达到2000亿美金左右。 一一 需求背景需求背景Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 7. 2008年，席卷全球的金融危机对我国造船工业的发展造成强烈冲击，船舶工业产能过剩/重复投资/高端产品竞争力不强的问题日益凸显。 为应对我国造船工业面临的危机，振兴行业发展，国家明确提出要大力发展海洋工程装备制造业，强化海洋工程产品自主研发及生产能力。 目前，海洋工程装备制造行业正成为造船工业新的利润增长点 ，众多船企开始向海洋工程产品转型。一一 需求背景需求背景Tianjin Key Laboratory

8、of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 8. 从全球角度看，据统计正在开发中的水深200m以上的海洋项目共有100余个，潜在项目达近千个，未来海洋生产装备用钢的需求依然保持较高水平。因此，海洋工程用钢的需求和开发将成为钢铁行业新的增长点。一一 需求背景需求背景Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 海工用钢主要可以分为海洋平台用钢，海底油气管线用钢，油气储运舰船用钢和海洋能源设备用钢等，主要以低合金高性能结构钢为主。 国内生产管线钢整体上已经达到世界

9、水平，但特大管径和超厚管壁管线钢品种尚需进口，高强管线管品质需要提高，如抗HIC(氢致开裂)和抗SSC(硫化物应力腐蚀)高强度管线钢等。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 不仅如此，国产管线用钢在高低温止裂韧性，焊接性，抗大应变性能与国外存在一定差距。 随着水深增加，国产管线钢在低温断裂韧性，尺寸精度方面与国外存在更明显差距，甚至尚属空白领域，需进口解决。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 由于海

10、洋平台（包括固定式平台和移动式平台）服役期长（甚至超过30年），安全性要求高，因此：要求所采用钢材必须具有高强度,高韧性,抗疲劳,抗层状撕裂和良好焊接性及耐蚀性等特点。 固定式平台结构主要采用屈服强度为355MP a、420MP a、460MP a的/及级钢材；在自升式钻井平台结构中可能钢材的强度级别会达到500MPa及550MPa。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实

11、验室 我国海洋平台用钢板的抗腐蚀性能和大线能量焊接热影响区（HAZ）断裂性能与国外有一定的差距。 同时以铁素体-珠光体微观组织为主的低合金钢的抗层状撕裂性能依然是困然企业生产的难题。 厚度在以上高强度钢板，屈服强度在以上齿条钢只有极少数厂家能生产。 多数厂家所生产的海洋平台用钢没有通过EN10225 ，ISO19902, API 2Z 等欧美标准的认证，开拓海外市场困难。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 双相不锈钢的优点是强度高于奥氏体不锈钢 （屈 服强 度提 高1 倍,抗拉强度提高25 %

12、）,而韧性 优于铁 素体不 锈钢,且抗点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的性能与两者相差不大。 双相不锈钢在海洋平台上部组块工艺管线，立管，水下生产系统管汇，井口采油树及 隔水套 管 中应 用。 国产双相钢存在焊接后点蚀性能不达标，材料韧性不足等缺点，主要原因是热处理工艺不过关。 国际上最新的第四代超级双相不锈钢尚无产品（主要在采油树上使用）。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室试样尺寸(mm)试验温度试验部位试样编号冲击吸收功Ak(J)10555室温母材119217315母材130210310母材128.

13、5248346距熔合线+5mm114Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室双相钢31803 金相组织 AusteniteFerrite25mTianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 LNG项目在陆地的表现形式主要是处理工厂及储罐建造，在海洋中主要表现方式是LNG船舶的建造。 随着工业的迅猛发展低 温 钢 的 研究和 开 发 热 度 持 续 升 温 。 近几年，涉海LNG项目很多，中海油承包的澳大利亚LNG项

14、目以及刚承接的俄罗斯的亚马LNG项目，项目规模巨大。 亚马项目，仅中海油的份额近200亿人民币，蓬莱巨涛也获得40多亿的份额。涉及钢种主要为各种类型的低温钢和不锈钢。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 储 存 温 度 为，要求储罐所采用的钢具有较高强度及优异的低 温 韧 性。此外，由于无论是LNG储罐还是LNG船或管道，均需要焊接，因此对9Ni钢焊接性要求很高，主要是热裂纹（液化裂纹）敏感性提出极高要求。 近几年，我国多家钢企已能生产9Ni钢板，但产品质量与国外尚存明显差距，主要表现在热影响区断

15、裂韧性及抗焊接热裂纹性能两方面上。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 关键钢铁品种不能自给已瓶颈，

16、致使重大海洋工程及装备关键技术长期大量依赖进口，尤其在深海领域。 深海工程需要高强/高韧 /耐海洋环境腐蚀钢管/板，这类钢材必须满足复杂环境,复合载荷长寿命等十分苛刻的服役要求,随着我国海洋工程从近海向深海进军，适应新需求，自主研发高性能钢材已迫在眉睫。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 借鉴国外几十年海洋深水开发的经验和教训，中海油今后重要技术发展路线之一就是采用水下生产系统开采技术。 这种采油气的方式主要特点是在海底实施油气采集之后，不是采用通常通过深水柔性立管将油气送入位于深水采油平台的生

17、产系统处理的方式，而是经过水下生产系统简单处理之后，通过海底管道输送到位于相对水深较浅海域的固定式采油平台上进一步加工处理，再通过海 底管线或油轮输送到陆地。 因此，水下生产系统制造/深水海底管线及其铺设/深水固定式采油平台制造成为该深海油气开发技术链条上的三个关键环节。水下生产系统开采技术Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 深海油气开发装备的核心问题是寿命，由于深海油气开发投入极大，具备开发价值的海域其油气储量必须非常丰富，否则很难收回成本。 因此，要求深海油气开发装备一定具有很长的安全使用寿

18、命，以满足长周期海上作业的设计要求，例如我国第一个深水项目荔湾3-1所采用的固定式深水平台设计寿命达30年，而以往同样位于南海的浅水区域平台设计寿命只有15年,甚至更短。水下生产系统开采技术Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 由于水下生产系统只是将油气简单处理，并没有对其进行脱水和脱硫/二氧化碳处理，因此管道内介质具有较强腐蚀性，采用碳钢管所制造海底管线很难满足长寿命安全服役要求。 一般采用耐蚀合金或复合管制造海底管道，因此，造价很高。水下生产系统开采技术Tianjin Key Laborato

19、ry of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 由于深海油气开发投入极大，具备开发价值的海域其油气储量必须非常丰富，要求深海深水固定式采油平台具有很长使用寿命，以满足长周期海上作业要求。由于深水固定式平台所处海域水很深，甚至可能达300米以上，导致平台不仅造价高，重量大而且建造周期长，海上运输和安装困难。因此深水固定式平台长寿命轻量化是当前国际海洋工程界的必然选择。 水下生产系统开采技术Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 国际上，一般通过结构制造材

20、料高强化和疲劳延寿技术满足轻量化长寿命深海固定式平台建造。 截止目前，我国相关海工企业采用大厚度高强钢板建造深水固定式平台的工程案例尚属空白，已启动的几个深海油气开发项目所涉及的固定式平台建造依然采用传统的EH/DH36钢制造，导致其重量过大。 如果采用EH/DH42及EH/DH46高强钢板取代EH/DH36建造深水固定式平台，预计减重20-30%，其经济意义十分重大。水下生产系统开采技术Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 1. 随着海洋油气资源开发向深水发展,立管系统在油气开发成本中所占的比重

21、越来越大. 2. 传统立管系统在技术上和经济上已经不适应深水发展的需要。 3. 柔性立管成本高,不适应深水油气田高温高压生产条件,同时大直径柔性立管的制造受到技术的限制,其发展空间微乎其微。 4. 顶张力立管不能顺应浮体较大的漂移运动,随着水深增加,顶张力和浮体垂荡运动的补偿也变得越来越困难,同时气动液压张紧装置占用较大平台空间,对于比较紧凑的平台空间来说是不经济的。 人们一直在寻求一种深水开发的有效解决方案。人们一直在寻求一种深水开发的有效解决方案。钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Caternary Riser, SCR)Tian

22、jin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 成本低 对浮体运动有较大的适应性 适用高温高压工作环境 应用： 国外-Golf of Mexico -Campos Basin -North Sea -West Africa 国内-空白钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 钢悬链线立管( Steel Caternary Riser,SCR)

23、是国外近年来发展起来的一种新型深水立管系统。 它成本低，对浮体运动有较大适应性，适用高温高压工作环境，已在国外有过多次成功应用的范例，取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水开发的首选立管形式，代表着国际上深海平台立管的技术发展方向。 钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Caternary Riser, SCR)Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Ca

24、ternary Riser, SCR) 适用于所有新型深水平台，如立柱式平台（适用于所有新型深水平台，如立柱式平台（SPAR）、张）、张力腿平台（力腿平台（TLP）、半潜式平台、浮式生产系统（）、半潜式平台、浮式生产系统（FPSO）和）和浮式生产储运系统等。浮式生产储运系统等。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 1. 自 1994 年 shell公司在墨西哥湾的张力腿平台 Auger上安装了世界第一条钢悬链线立管以来,在墨西哥湾( Golf of Mexico)、坎普斯盆地( Campos Ba

25、sin)、海(North Sea) 和西非( West Africa) 等几大海上油气田 ,已经有近百条钢悬链线立管投入使用。 2. 钢悬链线立管（SCR）的技术开发及工程应用在我国仍尚属空白领域。钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Caternary Riser, SCR)Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 1.钢悬链线立管SCR的疲劳性能基本取决于制造过程环缝焊接质量的控制水准以及是否恰当引入延寿措施等。 2.决定环缝焊接质量的主要因

26、素之一，就是错边量的控制，而错边量的大小基本取决于管线钢的圆度和壁厚均匀度及管径一致性等形状和尺寸精度。钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Caternary Riser, SCR)Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 1. 钢悬链线立管SCR的安全性能要求极高，因此，对环焊缝断裂韧性提出苛刻要求。要求所采用的管线钢必须在低温环境下，HAZ具有高断裂韧性。 2. 典型验收值是在服役温度-18oC的条件下CTOD值0.38mm。 3. 由于钢

27、悬链线立管内流通含硫化氢和二氧化碳的酸性气体，对管道内壁产生SSC或SCC等腐蚀，因此要求所采用的管线钢HAZ部位必须具有很高的抗腐蚀能力。钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Caternary Riser, SCR)Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 有鉴于此： 钢悬链线立管SCR所采用的管线钢要求极高，主要有以下几点： 1. 要求小管径与厚度之比 2. 管线钢HAZ高低温断裂韧性 3. 管线钢HAZ高抗腐蚀能力 4. 要求圆度和壁厚均

28、匀度及管径一致性等形状和尺寸精度极高。钢悬链线立管钢悬链线立管(Steel Caternary Riser, SCR)(Steel Caternary Riser, SCR)Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 TLP（张力腿平台）系索同样使用管线钢焊接制造，由于管内没有流通含硫化氢和二氧化碳的酸性气体，对管道腐蚀要求有所降低，但由于系索受到很大的预应力，是TLP平台主承力结构，因此对系索环焊缝提出更高疲劳性能及抗断裂性能要求。 同样要求TLP平台系索所用管线钢具有如下要求： 1. 要求小管径与壁

29、厚比 2. 管线钢HAZ高低温断裂韧性 3. 要求圆度/壁厚均匀度及管径一致性等形状和尺寸精度极高。TLPTLP（张力腿平台）系索（张力腿平台）系索Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室39Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室40 国外早已将复合管成功应用于水下管汇系统的制造过程。 崖城13-4项目开创我国海洋油气开发水下管汇使用金属复合管制造的先河。既具有耐蚀合金的高耐腐蚀性能又拥有外层碳钢高强度的特

30、点，适用于高温、高压环境下输送酸性介质，而且它又具有低成本的经济优势造价昂贵水下管汇防腐镍基合金或双相不锈钢双金属复合管Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室41Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室国外双金属复合管的应用较为活跃, 德国德国Butting公司生产的机械复合管已有上千公里应用于欧洲、北美以及亚洲等国的海底和陆上油气管道;英国英国PROCLAD 公司生产的冶金复合管也在全球许多国家得到应用。

31、美国美国墨西哥湾法尔韦油田早已有应用。日本日本NKK公司采用UOE工艺制造的Cu-Ni合金复合管（含Ni10%或30%）具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性，广泛用于海水淡化系统的海水引入管等。俄罗斯俄罗斯极北部和东部大陆架等油气田也都有应用。复合管的应用Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室国内，航天动力技术研究院所属西安向阳西安向阳航天材料股份有限公司生产制造双金属复合管。迄今为止，西安向阳航天材料股份有限公司已向石油、天然气、石化、炼化等行业提供了超过1000千米的双金属复合管， 用于各种流体的输送

32、。无锡西姆莱斯无锡西姆莱斯钢管厂正在研发双金属液压机械复合管。国外公司采用复合管的应用实例表明, 双金属复合管可应用于含硫酸性气田。这为中国高酸性气田(比如西南油气田分公司的罗家寨、渡口河及铁山坡等气田) 地面集输管线的防腐提供了新的思路。复合管的应用Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室国内双金属复合管已经应用于东部浅井的油井管上,特别是对旧的油管实施内衬后重新利用；在地面集输管道上的应用也日益广泛,例如塔里木油田分公司牙哈凝析气田地面集输管道采用20G/ 316L 复合管,长庆油田分公司靖安首站

33、采用20 号/ 0Cr18Ni9 复合管;大庆油田、长庆油田的注水管道也已开始采用双金属复合管。双金属复合管的技术和经济优势明显,应用前景广阔。复合管的应用Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室45复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 每一种工艺方法都有自身的技术特点和工艺限制。 机械结合的方式,生产工艺简单,工序较少,生产成本低,但结合层存在很大的应力集中甚至宏观间隙,结合强度不高

34、; 冶金结合的方式,具有较好的强度,但生产成本高,工艺复杂,制作难度大。 双金属复合管生产工艺的选择应综合考虑工程要求、经济效益、产品质量等多种因素。 复合板焊接法是冶金结合，具有良好的性能，同时成本在冶金法中相对较低，而且最具有选择自由度。复合板焊接法制作双金属复合管有着现实意义。复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室 (a) (b)图 Polysoude公司的装备与产品复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining T

35、echnology天津市现代连接技术重点实验室 (a) (b)图 ProClad公司的装备及产品复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室(a)(b)(c)图 Roc-Master公司的装备和产品(d)复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室(a)图 Fronius设备及产品(b)复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced J

36、oining Technology天津市现代连接技术重点实验室(a)(b)图 Soudokey（Bhler Welding）设备及产品(c)复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室(a) 90弯管内壁自动堆焊机图 哈尔滨威德焊接自动化系统工程有限公司设备及产品(b) 30弯管内壁自动堆焊机复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室设备根据管道的摆放不同可为立式立式堆焊设备

37、和卧式卧式堆焊设备；根据焊接方向不同分为环向环向堆焊、纵向纵向堆焊和螺旋螺旋堆焊，甚至不规则形状不规则形状堆焊；根据焊接方法还可以分为热丝热丝TIG堆焊堆焊设备，埋弧带埋弧带极堆焊极堆焊等；根据管道的长短分为伸缩悬臂式伸缩悬臂式设备和线缆导轨式线缆导轨式设备等。这些设备根据管道材质尺寸，及管道质量要求等的不同有各自的应用范围，同时效率高低也有差别。复合管的制造技术概况Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室54环向环向/ /不同堆焊技术性能对比Tianjin Key Laboratory of Adv

38、anced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室55Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室56Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室耐应力腐蚀性能测试技术SCC试验一般参照试验一般参照NACE TM 0177、ASTM G39 EF-16标准及标准及相应规格书进行。相应规格书进行。硫化氢应力腐蚀装置示意图硫化氢应力腐蚀装置示意图四点弯曲试样加载形式四点弯曲试样加载形式Tianj

39、in Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室弹塑性断裂力学1. 弹塑性断裂力学应用于描述与时间无关的非线性材料断裂行为，即塑性变形。 其中有两个重要断裂参量：2. 裂纹尖端张开位移 CTOD或 （Crack Tip Opening Displacement）; 3. J曲线积分 J contour integral;两个参数都用于近似描述弹塑性材料裂纹尖端区域因此，它们临界值都用作为材料断裂韧性表征量。Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现

40、代连接技术重点实验室CTOD 物理意义基于应变Force Force increasingincreasingVoids form ahead of Voids form ahead of crack tipcrack tipVoids link and crack Voids link and crack extendsextendsCTODCTODCTODCTODCrackCrackTianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室CTOD 定义Tianjin Key Laboratory of Advan

41、ced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室影响断裂韧性主要因素1. 厚度因素2. 温度及其他因素厚度断裂韧性韧性韧性上平台下平台转变温度增加： 应变率 缺口裂度Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室断裂力学试样（SENB）夹式引伸计试件尖端张开位移准确定位刀口刃边裂纹总长度Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室2022-6-1631. 设备名称：电液伺服万能试电液伺服万能试验

42、机验机2. 型号：YDL20003. 设备规格：2000kN 4. Device: Electrohydraulic Servo Universal Testing Machine5. Model: YDL20006. Capability: 2000kN断裂韧性测试设备-1-电液伺服试验机Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室2022-6-1641. 设备名称：高频疲劳试验机高频疲劳试验机2. 型号：PLG-200C3. 设备规格：200kN 4. Device: High-frequency F

43、atigue Machine5. Model: PLG-200C6. Capability: 200kN断裂韧性测试-2 - 疲劳裂纹预制设备Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室2022-6-1651. 设备名称：电子引伸计电子引伸计2. 型号：YYJ-4/103. Device: Electronic Extensometer4. Model: YYJ-4/10断裂韧性测试3 - 裂纹尖端张开位移测量设备Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Tec

44、hnology天津市现代连接技术重点实验室2022-6-1661. 数字测温仪数字测温仪2. Digital Thermodetector断裂韧性测试4 - 温度测量设备Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室断裂韧性（CTOD）试验1. 为了保证工程结构抗脆断能力，一般在设计时考虑采为了保证工程结构抗脆断能力，一般在设计时考虑采用焊后消应处理方法改善焊接接头部位的断裂韧性。用焊后消应处理方法改善焊接接头部位的断裂韧性。2. 焊后热处理焊后热处理缺点：缺点：1) 设备投入多设备投入多/能源消耗量大能源

45、消耗量大 /施工施工工期过长，大幅度地增加建造成本和周期。工期过长，大幅度地增加建造成本和周期。2)热处理热处理本身也是一种工艺方法，存在施工质量和控制问题。本身也是一种工艺方法，存在施工质量和控制问题。3. 依据依据API、LR、DNV相应建造规范的规定，如果焊接部相应建造规范的规定，如果焊接部位位(包括焊缝和热影响区包括焊缝和热影响区)有足够有足够CTOD值，构件厚度小值，构件厚度小于或等于试验厚度时就可于或等于试验厚度时就可免除焊后热处理（并要求进免除焊后热处理（并要求进行行ECA断裂疲劳分析）断裂疲劳分析）。Tianjin Key Laboratory of Advanced Join

46、ing Technology天津市现代连接技术重点实验室试验标准试验标准1. BS 7448: 金属材料金属材料 - 第第1部分部分: 金属材料金属材料 (1991 2002版版) - 第第2部分部分: 焊接接头（焊接接头（1997)2. ISO - BS EN ISO 15653: 焊缝断裂韧性试验焊缝断裂韧性试验 (2010) - BS EN ISO 12737: 断裂韧性平面应变断裂韧性平面应变 (2010) - ISO 12135: K、CTOD、J与与R曲线曲线 (2002)3. ASTM - ASTM E 1820:K、CTOD、J与与R曲线曲线 (2011) - ASTM E 1

47、290: CTOD试验试验 (1999 2008最终版最终版) 4. 国家标准国家标准 GB/T 21143-2007-金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法 由天津大学牵头制定由天津大学牵头制定金属材料金属材料焊接接头焊接接头准静态断裂韧度测定试验方法准静态断裂韧度测定试验方法Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室（BS EN 10225-2009BS EN 10225-2009固定近海结构焊接结构钢固定近海结构焊接结构钢 ）1. 试验温度 -10C02. 三点弯

48、曲加载方式3. 75毫米及以上板厚采用BB试样，75毫米以下B 2B试样4. CTOD 验收值：0.155.焊缝金属/GCHAZ（粗晶热影响区1400C0 T 1100C0）/SCHAZ(腐蚀不可见热影响区T AC1 ）与ICHAZ（不完全重结晶区AC1 T AC3 ）交接区域三个缺口位置Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室1. 焊缝试样要求整厚度截面疲劳缺口尖端至少90%位于焊缝金属之中，且距离熔合线2毫米之内。2. 粗晶热影响区GCHAZ试样要求整厚度截面75范围内疲劳缺口尖端至少一定比例位于

49、距离熔合线小于0.5毫米范围之内。3. SCHAZ(腐蚀不可见热影响区T AC1 ）与ICHAZ（不完全重结晶区AC1 T AC3 ）交接区域。（BS EN 10225-2009BS EN 10225-2009固定近海结构焊接结构钢固定近海结构焊接结构钢 ）Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室（BS EN 10225-2009固定近海结构焊接结构钢 ）1 柱状焊缝金属 2 亚过渡再加热粗晶热影响区（SRGCHAZ）3 过渡再加热粗晶热影响区（IRGCHAZ）4 Ac35 Ac16 未转变过渡热影响

50、区（ICHAZ） 7 未转变亚过渡热影响区（SCHAZ） 8 不可见热影响区边界 9 母材金属 10 未转变细晶热影响区（FGHAZ） 11 未转变粗晶热影响区（GCHAZ） 12 熔合线 多道焊热影响区 Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室（BS EN 10225-2009固定近海结构焊接结构钢 ）L 所测量粗晶区长度总和 t 板材厚度 粗晶热影响区百分比示意图Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室1

51、. 三点弯曲加载方式2. 板厚超过75mm,BB试样，75mm以下,B 2B试样3. CTOD 验收值：PWHT状态0.2 /原始焊态0.254.熔合线+0.4mm -GCHAZ（粗晶热影响区）/熔合线+2mm - FGHAZ(细晶热影响区）/熔合线+5mm - SCHAZ（应变时效热影响区）三个缺口位置5.采用1G高热输入埋弧焊接方法制备试样6.试样采用K型坡口或单斜边坡口形式.（ISO 19902-2007 石油和天然气工业.固定式海上钢结构）Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室（ISO 19

52、902-2007 石油和天然气工业. 固定式海上钢结构）B specimen thicknessT plate thicknessW specimen widthCTOD specimen preparation Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室（ISO 19902-2007 石油和天然气工业. 固定式海上钢结构）A centre line of thickest weld passB fusion line + 0,4 mm coarse grain HAZC HAZ + 2 mm fine

53、 grain HAZD HAZ + 5 mm subcritically reheated base metaltp thickness of thickest weld pass in middle 2/3 of weldmentR reference line, see B.4 c) Notch locations for CTOD specimens Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室（ISO 19902-2007 石油和天然气工业. 固定式海上钢结构）Remove a full-thic

54、kness section from each side of the fracture. Polish and etch on the plane of examination. Examine fracture features In relation to the weld beads and other artefacts.Key1 fatigue crack front2 plane through specimen3 saw cut4 machined notcha Plane of examination. CTOD specimen sectioning and examina

55、tionTianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质海上结构钢板预制资质1. 三点弯曲加载方式2. 板厚超过63毫米可以采用BB试样，63毫米以下采用B 2B试样3. CTOD 验收值：最小0.13mm;Grade 50 76mm CTOD 0.25; Grade 50 76mm CTOD 0.38; Grade 60 76mm CTOD 0.30; Grade 60 76mm CTOD值需

56、要确认4. 熔合线-GCHAZ（粗晶热影响区）/腐蚀可见热影响区外轮廓- SCHAZ（应变时效热影响区）两个缺口位置5. 试验温度 -10C06. 试样采用K型坡口或单斜边坡口形式Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室1. 一般要求进行高低两个线能量施焊制备热影响区试样，小线能量为0.8kJ/mm；大线能量为4.5 kJ/mm或3.0kJ/mm.2. 试样数量：小线能量条件下最低有效试件数量为8件，其中熔合线试样6件，腐蚀可见热影响区外轮廓线位置试样数量为2件. 3. 大线能量条件下最低有效试件数量

57、为5件，其中熔合线试样3件，腐蚀可见热影响区外轮廓线位置试样数量为2件.API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质海上结构钢板预制资质Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室1. 所预制疲劳裂纹要求75%落在试样中间2/3厚度范围内的腐蚀可见热影响区(包括边界区域）2. 小线能量(0.8kJ/mm):情况1）GCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2/3厚度范围，15%以上落在距离熔合线0.3mm区域内；情况2）尽量落在GCH

58、AZ，不进行试验后剖面检查，但试样数量增多，至少10个试样。 情况1）SCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2/3厚度范围，50%以上落在距离腐蚀可见热影响区外轮廓线之外0.3mm区域内。API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室情况2）: 尽量落在SCHAZ，不进行试验后剖面检查，但试样数量增多，至少10个试样。3. 大线能量(3.0kJ/mm或4.5kJ/mm):GCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2/3厚度范围，

59、15%以上落在距离熔合线0.5mm区域内；SCHAZ试样要求所预制疲劳裂纹在试样中间2/3厚度范围，50%以上落在距离腐蚀可见热影响区外轮廓线之外0.5mm区域内。API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室Single-bevel and K-bevel Weld Preparations API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质Tianjin Key Laboratory of Advanc

60、ed Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质Various Regions of a Single-pass, Bead-on-plate Weld Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology天津市现代连接技术重点实验室API 2Z 海洋工程结构用钢板生产前资格确认推荐方法/海上结构钢板预制资质Identification of Some Altered and Unaltered Regions Tianjin Key Labo