港深西部通道钢箱梁低温CTOD试验.PDFVIP

港深西部通道钢箱梁低温CTOD试验 苗张木 吴卫国 李书学 郑自元 谢智华 李永信 （武汉理工大学 交通学院 武汉市 430063中铁大桥局集团第七工程公司 江西九江 332004） 摘要 为有效控制大型钢箱梁焊接接头质量，运用裂纹尖端张开位移 （CTOD）试验技术，按 o 英国BS7448标准，对焊接接头进行低温 （-20C）韧性测定。评定了两种拟用焊接工艺：自动 埋弧焊和手工电弧焊，解决了港深西部通道后海湾大桥钢箱梁焊接接头韧性控制这个关键技 术问题。介绍了CTOD的概念、试验方法、钢箱梁的低温CTOD试验过程及其结果。 关键词 裂纹尖端张开位移 CTOD韧性 焊接接头 1．引言 在建的港深西部通道香港后海湾大桥，是一座特大型桥梁，它的主桥为独斜 塔单索面斜拉桥，由英国奥雅纳香港公司设计，采用了74.58米+74.59米+99.00 米+210.00米四跨连续钢箱梁，最大跨度为210米，总重量约9500吨。钢箱梁宽 39米，高4.2米，总长为458米，材料采用进口S355M和S355ML钢板，最大厚度 达120毫米。在建造中，严格执行英国BS5400标准。按照该项目设计规格书要求， 钢箱梁的焊接接头除了进行常规的焊接工艺评定试验外，对于板厚超过50mm的钢 材，还必须进行焊缝金属及热影响区CTOD试验，以控制钢箱梁的焊接质量。 钢箱梁的焊接接头是强度和韧性的薄弱环节。一般说来，焊接接头的失效， 大部分是由于韧性不足。焊接接头韧性高低，由多种复杂因素决定，不易控制。 在后海湾大桥钢箱梁的建造中必须合理地控制焊接接头韧性。一方面因为所用的 钢板比较厚，焊接过程中焊缝金属在快速冷却时受局部约束应力较大，在凝固和 相变过程中形成粗大的柱状晶粒，并会产生偏析、夹杂、气孔和微裂纹等，使 焊态的焊缝金属脆化。另外，由于在焊接热源作用下，母材经历了多次特殊的 加热和冷却循环，其组织和性能会恶化 （粗晶脆化、析出脆化和组织转变脆化）， 甚至产生微裂纹，从而使韧性降低。焊缝和热影响区这种韧性降低会成为钢箱 梁正常服役的隐患。但是在另一方面，如果对韧性要求太高也会增加建造的难 度、延长建造工期并增加建造成本。 因而，为合理控制焊接接头韧性，验证拟用焊接工艺的合理性，在后海湾大 桥钢箱梁建造中，中铁大桥局集团第七工程公司编制了两种拟用焊接工艺 （自动 埋弧焊WPS017和手工电弧焊C-SB01-1A）,对母材施焊后，委托武汉理工大学交通 ［1］ 学院，在香港奥雅纳工程顾问的第三方见证下，按英国规范BS7448-1 （断裂韧 ［2］ 性试验--确定金属材料K 、临界CTOD和临界J积分的方法）和BS7448-2 （断 ⅠC 裂韧性试验--确定金属材料焊接接头K 、临界CTOD和临界J积分的方法），成 ⅠC 0 功地进行了低温（-20C）CTOD试验，用CTOD试验结果帮助确定焊接工艺规范（WPS）, 合理地控制了焊接接头韧性，保证了后海湾大桥钢箱梁的焊接质量。 2. CTOD的概念与试验方法 2．1 CTOD的概念 1 CTOD即裂纹尖端张开位移，是其英文名称Crack Tip Opening Displacement 的首字母缩写，指的是裂纹体受张开型载荷后原 始裂纹尖端处两表面所张开的相对距离 （如图 1）。 CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵 抗开裂的能力。在试验中，把待测材料或焊接接 头做成带有预制裂纹的试样，加外载后，裂纹尖 端处有一个张开位移CTOD值，可以被测定。CTOD CTOD 值越大，表示裂纹尖端材料的抗开裂性能越好， 即韧性越好；反之，CTOD值越小，表示裂纹尖端 受载前(原始)裂纹 受载后裂纹 材料的抗开裂性能越差