技术百科：海洋钢结构的断裂韧性CTOD试验

背景

海洋钢结构包括海上风机、海洋采油平台、跨海大桥和海港码头等等，这些钢结构普遍采用厚钢板焊接而成。海洋钢结构服役环境恶劣，钢板厚度大强度高。它们不仅承受巨大的静载荷，还要承受波浪、海流、台风等引起的动载荷，容易疲劳破坏。而钢板厚度大焊接缺陷（例如微裂纹、气孔、夹渣、未熔合等等）更容易发生。因此，在海洋钢结构建造中，必须保证焊接接头具有足够的韧性（抗开裂性能）。这样，尽管存在缺陷（类裂纹），这些缺陷也不会扩展或扩展很缓慢，钢结构在服役期间仍然是安全的。CTOD断裂韧性试验提供了一种材料存在缺陷的情况下，阻止变形及裂纹扩展能力的评价方式。

CTOD断裂韧性评价是什么

用传统的冲击试验来考核韧性指标，对于大型结构偏于危险，且忽略焊接缺陷的影响。标准冲击试样尺寸10mm*10mm*55mm，对于海洋钢结构大多是厚钢板焊接结构，存在取样限制，不够科学合理，无法进行焊接接头的全厚度韧性测定。

CTOD（Crack Tip Opening Displacement） 裂纹尖端张开位移试验，是一种评价材料和焊接接头抗断裂性能的有效方法。工业发达国家已经在制造业广泛应用CTOD试验作为焊接接头的评定方法，尤其是板厚超过50mm按规范必须做CTOD试验，近年来国内海工行业也呈现这一趋势。

CTOD评价方式是采用与钢结构相同厚度的板材焊接一块试板，在厚度方向开一个机械缺口，然后通过疲劳的方式制造一个人工裂纹缺陷，通过施加外部载荷来观察裂纹的扩展及断裂情况。考虑焊接接头不同区域的性能会有所差别，一般需要分别在焊缝和热影响区进行试验。

CTOD断裂韧性评价的优势

CTOD突破了只考核强度、塑性、冲击韧性的传统做法，将客观存在的缺陷纳入考量，对结构整体的断裂韧性进行全面评估，大大降低了安全隐患；一些钢结构设计规范（如EN 10225）及船舶设计规范（各船级社）已经将CTOD断裂韧性，作为一项必要的考核数据，尤其是针对厚度50mm以上的结构。部分船级社规范（例如挪威DNV）或设计方规定，当CTOD测试结果达到一定值，表明焊接具有良好的韧性，可以免除焊后热处理，大大提高经济效益。

我们能够提供的服务

SGS作为全球领先的第三方检验检测认证公司，具备依据国内外不同的规范进行检测的能力及资质，帮助您进行断裂韧性的评估。

常用规范：

GB/T 21143 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法

ISO 12135 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法

ASTM E1820 断裂韧度的标准测试方法

GB/T 28896 金属材料 焊接接头准静态断裂韧度测定的试验方法

ISO 15653 金属材料 焊接接头准静态断裂韧度测定的试验方法

CCS中国船级社材料与焊接规范