低溫鋼焊接接頭CTOD斷裂韌性試驗(yàn)研究

方總濤，孫 勃

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

低溫鋼焊接接頭CTOD斷裂韌性試驗(yàn)研究

方總濤1，2，孫 勃1，2

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

與傳統(tǒng)的夏比V型缺口沖擊韌性試驗(yàn)比較，CTOD更能有效準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鋼材的抗脆斷能力。文章按照BS 7448-1991（1997）斷裂韌度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)海洋平臺(tái)工藝管道用ASTM A333-2005 Gr.6低溫鋼焊接接頭的低溫 （0℃，-29℃）裂紋尖端張開位移 （CTOD）進(jìn)行了測(cè)試。取尺寸為B×2B（B為試樣厚度）、缺口方向?yàn)镹P的試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，然后由得到的焊縫和熱影響區(qū) （HAZ）的P-V曲線來計(jì)算CTOD值，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

低溫鋼；CTOD；斷裂韌度；評(píng)價(jià)

0 引言

海洋平臺(tái)上部組塊重要的工藝管道主要有油氣工藝管道和制冷工藝管道兩類。其中，制冷工藝管道由于輸送的介質(zhì)處于低溫狀態(tài)，必須保證有足夠的低溫韌性，防止發(fā)生低溫脆性斷裂，國(guó)內(nèi)外普遍采用低溫鋼等管材來解決此問題。另外，由于在管道的連接過程中，焊接過程常常使焊接接頭的組織性能劣化及產(chǎn)生缺陷，使焊接缺陷處成為整個(gè)壓力管道中最薄弱的部位，易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，對(duì)此類管道的焊接質(zhì)量要求很高。因此，有必要對(duì)低溫鋼焊接接頭的低溫韌性進(jìn)行研究。

大量試驗(yàn)研究表明，CTOD（Crack Tip Opening Displacement，裂紋尖端張開位移）斷裂韌度是評(píng)價(jià)鋼材及焊接接頭抗脆斷特性的重要參量，與傳統(tǒng)的夏比V型缺口沖擊韌性比較，CTOD更能有效準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鋼材的抗脆斷能力[1]。通過CTOD試驗(yàn)不僅可以進(jìn)行材料韌度選擇，還可以為評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全可靠性提供試驗(yàn)依據(jù)。目前在國(guó)內(nèi)低溫鋼的設(shè)計(jì)、建造領(lǐng)域，尚未見到有關(guān)低溫鋼焊接接頭韌性試驗(yàn)方面的文獻(xiàn)報(bào)道，本文針對(duì)低溫鋼焊接接頭CTOD斷裂韌性開展的試驗(yàn)研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)概述

國(guó)際上由英國(guó)焊接研究所提出的測(cè)試斷裂韌度KIC、CTOD（δ）和JIC的統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)BS7448-1991（1997），受到國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的重視并予以推廣應(yīng)用[2]。目前已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)局 （ISO）采納，編號(hào)為 ISO／TC164／SC4-N400。 其中 BS7448-1-1991PartⅠ 《確定金屬材料KIC、臨界CTOD和J積分的方法》與BS 7448-2-1997 PartⅡ 《確定焊縫KIC、臨界CTOD和J積分的方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已在工程界得到了普遍采用[3-4]。本文依據(jù)該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)低溫鋼焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行低溫特征CTOD的測(cè)試。

為確保CTOD試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，要求試驗(yàn)結(jié)果不但要滿足國(guó)際上通行的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7448-1991（1997）標(biāo)準(zhǔn)，而且要符合挪威船級(jí)社DNV-OS-C401-2001標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

2 試樣制備

試驗(yàn)所用材料為ASTM A333-2005 Gr.6低溫鋼，開60°V型坡口，6G位置焊接，采用的焊接材料為昆山京雷的GTR-80Ni1，直徑為2.4 mm，層間溫度控制在186℃以下，焊接方法為GTAW手工上向焊打底、填充、蓋面，多層焊焊道為7層。制備帶預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲 （TPB）標(biāo)準(zhǔn)試樣。

2.1 截取試樣

根據(jù)試樣尺寸為B×2B（B為試樣厚度）、缺口方向?yàn)镹P的要求，在線切割機(jī)上從外徑為114.3 mm、壁厚為8.56 mm的管材上截取，然后對(duì)試樣進(jìn)行分組編號(hào)登記。CTOD試樣的位置如圖1所示。試樣應(yīng)當(dāng)定向，使其長(zhǎng)度平行于管道軸線而且寬度位于圓周方向；因此，裂縫尖端線位于厚度方向。試樣厚度應(yīng)等于管壁厚度。與管壁有關(guān)的CTOD試樣的機(jī)加工如圖2所示。

2.2 機(jī)械加工缺口

確定缺口位置，參照英國(guó)BS 7448-1991（1997）標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記切割加工線，并且要求保證切割線所在平面與試樣切割面的垂直角度為90°±5°。焊縫試件劃在焊縫金屬區(qū)的正中間位置 （WCL）；對(duì)HAZ試件，由于采用V型坡口、多層焊接，加上實(shí)際接頭熔合線的不規(guī)則性，要保證疲勞裂紋尖端距熔合線的距離不超過0.5 mm非常困難。經(jīng)分析，最優(yōu)的方案是過B／2線與熔合線交點(diǎn)劃線。在線切割機(jī)上用0.08 mm的鉬絲加工機(jī)械缺口。

在確定缺口位置時(shí)，須采用金相腐蝕劑顯現(xiàn)出焊縫輪廓，以保證預(yù)制裂紋尖端分別位于焊縫金屬和熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)的位置。焊縫及熱影響區(qū)試件的缺口位置分別如圖3及圖4所示。

2.3 預(yù)制疲勞裂紋

采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下預(yù)制疲勞裂紋。在預(yù)制疲勞裂紋過程中，應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)、監(jiān)控疲勞裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度與方向，應(yīng)控制裂紋不要擴(kuò)展太快，在最后的1.3 mm內(nèi)，可以適當(dāng)增大疲勞載荷比，以避免使試件表面裂紋擴(kuò)展量大于試樣內(nèi)部擴(kuò)展量太多。同時(shí)應(yīng)保證最終的預(yù)制疲勞裂紋和線切割長(zhǎng)度之和在0.45～0.70 W （焊縫和HAZ）范圍內(nèi)，W為試樣寬度。0℃試樣最終尺寸見表1，-29℃試樣最終尺寸見表2。

表1 試樣尺寸 （0℃）

表2 試樣尺寸 （-29℃）

3 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)在300 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)程序遵循BS 7448-1991（1997）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與記錄。

3.1 試驗(yàn)步驟

（1）用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量每個(gè)試件的B、W和Z（刀口厚度），測(cè)量精度為0.02 mm。

（2）試驗(yàn)時(shí)先將試件浸在有珍珠巖填充物夾層的冷卻槽中進(jìn)行冷卻，槽內(nèi)盛有干冰、酒精低溫介質(zhì)。待溫度達(dá)到0℃及-29℃后進(jìn)行保溫，每個(gè)試件均保溫20 min以上。試驗(yàn)過程當(dāng)中，低溫介質(zhì)液面超過試件上表面2～3 mm，并用溫度計(jì)進(jìn)行溫度監(jiān)控測(cè)量，溫度變化控制在±2℃。

（3）采用一次加載方式直到試樣失穩(wěn)破壞，加載速率控制在0.5～1.0 mm/min范圍內(nèi)，并同時(shí)記錄試樣載荷—位移 （P-V）曲線。

（4）試樣失穩(wěn)破壞后，從低溫箱中取出，對(duì)斷口進(jìn)行烘干處理后在試驗(yàn)機(jī)上快速壓斷試樣。從斷裂試樣上取下斷口用工具顯微鏡測(cè)量試件的裂紋深度，具體方法為：沿試件厚度方向取9個(gè)測(cè)試位置分別測(cè)量，其中最外側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)位于距試件表面1%B處。然后在兩個(gè)點(diǎn)之間等間距取7個(gè)測(cè)試位置。采用下式計(jì)算平均裂紋深度a。

式中ai——第i測(cè)點(diǎn)的裂紋深度。

（5）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)P-V曲線上的最大載荷值F（N）得到對(duì)應(yīng)最大載荷時(shí)的塑性張開位移VP（mm），CTOD的計(jì)算公式為

式中E——彈性模量，取2.1×105MPa，

υ——泊松比，取0.3；

B——試樣厚度/mm；

W——試樣寬度/mm；

Z——刀口厚度/mm，取2 mm；

S——三點(diǎn)彎曲時(shí)的試樣的跨度/mm；

Vp——P-V曲線上對(duì)應(yīng)最大載荷時(shí)的夾式引伸計(jì)塑性張開位移/mm。

σys——屈服強(qiáng)度/MPa。

當(dāng)計(jì)算HAZ的CTOD時(shí)，裂紋尖端處材料的屈服強(qiáng)度σys取母材和焊縫金屬中較大者；其中焊縫的屈服強(qiáng)度σys=493 MPa，熱影響區(qū)的屈服強(qiáng)度σys=525 MPa。

3.2 有效性判別

BS 7448標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭斷裂韌度試樣有效性要求如下：

（1）試樣平均裂紋深度a0=0.45～0.70 W，機(jī)械缺口寬度最大為0.065 W。

（2）在斷口上測(cè)量初始裂紋深度a0時(shí)，要求任意兩個(gè)裂紋深度的差值均不大于20%a0。

（3）在斷口上預(yù)制疲勞裂紋的最小值應(yīng)不小于1.3 mm和2.5%W兩者中的較大值。

（4）預(yù)制疲勞裂紋擴(kuò)展方向與垂直試樣長(zhǎng)度方向的夾角應(yīng)不大于10°。

（5）對(duì)于熱影響區(qū)試件，還需對(duì)斷口晶粒進(jìn)行金相分析，從而確定裂紋尖端在粗晶區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果才為有效。

（6） 當(dāng)出現(xiàn) “pop-in” （突躍） 現(xiàn)象時(shí)， 由載荷下降導(dǎo)致的位移增加小于1%時(shí)可忽略不計(jì)，大于l%而小于5%時(shí)，進(jìn)行斷口金相分析以確定裂紋起裂的有效區(qū)域，大于5%時(shí)確定為裂紋起裂，并以此時(shí)載荷計(jì)算CTOD值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

典型的載荷—位移曲線如圖5所示。

圖5 典型的載荷—位移曲線

0℃和-29℃兩種溫度下焊縫金屬和熱影響區(qū)的CTOD計(jì)算結(jié)果分別如表3及表4所示。

典型試樣的宏觀斷口形狀如圖6所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)中的12件試樣都獲得很好的裂紋前緣形狀，全部試樣裂紋前緣任意兩個(gè)裂紋深度的差值都小于20%a0，ai/W均小于0.7，完全符合BS 7448-1991（1997）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，全為有效試件。按照國(guó)際通用的海洋結(jié)構(gòu)物建造和試驗(yàn)規(guī)范DNV-OS-C401-2001的規(guī)定，若三個(gè)有效試樣的CTOD值都不小于0.15 mm為合格。由表3及表4可知，兩種試驗(yàn)溫度下，三個(gè)有效HAZ試樣的CTOD值都大于0.15 mm，故符合規(guī)范要求；三個(gè)有效焊縫試樣的CTOD值都大于0.15 mm，因此三個(gè)焊縫試樣也都符合規(guī)范要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明：低溫鋼焊接接頭的CTOD值較大，斷口呈現(xiàn)韌性斷裂。這表明低溫鋼焊接接頭具有良好的低溫韌性，能較好地滿足海洋平臺(tái)工藝管道的要求，選用的焊接工藝可用于工藝管道低溫鋼的建造施工。

低溫鋼焊接的關(guān)鍵是保證焊接接頭有足夠的低溫韌性。為了控制其韌性，必須合理地設(shè)計(jì)焊接工藝，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，以獲得具有良好韌性組織的焊縫。用CTOD試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭韌性，效果良好，CTOD試驗(yàn)可以指導(dǎo)焊接材料、母材的選擇及焊接工藝的制訂，為結(jié)構(gòu)安全可靠性的評(píng)定提供試驗(yàn)依據(jù)?？傊瑧?yīng)用CTOD試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭的韌度具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

表3 0℃下斷裂韌度結(jié)果

表4 -29℃下斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

（1）低溫鋼焊接接頭具有良好的低溫韌性，選用的焊接工藝可用于工藝管道低溫鋼的建造施工。

（2）從總體上看，熱影響區(qū)的CTOD值一般大于焊縫金屬區(qū)的值，即熱影響區(qū)的低溫?cái)嗔秧g性要好于焊縫，因此焊縫是結(jié)構(gòu)最薄弱的部位。

（3）應(yīng)用英國(guó)BS 7448-1991（1997）斷裂韌度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)ASTM A333-2005 Gr.6低溫鋼焊縫和HAZ的CTOD分別進(jìn)行了測(cè)試，該試驗(yàn)結(jié)果為焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)的選擇、ECA評(píng)估提供了重要依據(jù)。

[1]霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.46-77.

[2]鄧彩艷，張玉鳳，霍立興，等.X65管線鋼焊接接頭CTOD斷裂韌度[J].焊接學(xué)報(bào)，2003,24（3）：6，13-16.

[3]BS 7448-1991,Part 1：Fracture mechanics toughness tests.Part 1.Method for determination of KIC，critical CTOD and critical J values of metallic materials[S].

[4]BS 7448-1997,Part 2：Fracture mechanics toughness tests.Part 1.Method for determination of KIC，critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials[S].

[5]DNV-OS-C401-2001，F(xiàn)abrication and testing of offshore structures[S].

Test Research on CDOD Fracture Toughness of Low Temperature Steel

FANG Zhong-tao（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,SUN Bo

Compared with the traditional Charpy V notch toughness test,crack tip opening displacement method （CTOD）is more effective and accurate in assessing anti-fracture toughness of steel.According to BS 7448 fracture toughness test standard,CTOD was applied to test the welding joints of low temperature steel ASTM A333 Gr.6 at low temperatures （0℃,-29℃） which is used in offshore platform.Three point bending tests were conducted on the specimens with the dimension of B×2B（B is the thickness） and notch direction NP.The final value of CTOD was calculated by P-V curves of both the welds and the HAZ（heat affected zone）.And the test results were analyzed and discussed in the paper.

low temperature steel;CTOD;fracture toughness;assessment

TE973.3

B

1001－2206（2011）增刊－0027－04

方總濤 （1984-），男，遼寧大連人，助理工程師，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士，主要從事焊接結(jié)構(gòu)斷裂、數(shù)值模擬等方面的研究工作。

2011-08-10