直接埋藏法修補(bǔ)疲勞裂紋缺陷的研究

程方杰，孔康騫，歐陽(yáng)忠宇

直接埋藏法修補(bǔ)疲勞裂紋缺陷的研究

程方杰1, 2，孔康騫1，歐陽(yáng)忠宇1

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

在海洋平臺(tái)的安全維護(hù)中，挖除原始疲勞裂紋缺陷并準(zhǔn)備坡口是水下焊接修復(fù)工程中一項(xiàng)十分困難的作業(yè)步驟．為此，提出一種不挖除原始裂紋缺陷的直接埋藏法來(lái)修復(fù)疲勞裂紋缺陷．為了探索該技術(shù)的可行性，在陸地上制備了模擬補(bǔ)焊試樣，通過(guò)對(duì)試樣補(bǔ)焊前后的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，分析研究了直接埋藏法修復(fù)后疲勞裂紋出現(xiàn)的位置、試樣的疲勞循環(huán)周次以及打磨對(duì)補(bǔ)焊后試樣疲勞循環(huán)周次的影響規(guī)律．使用Abaqus軟件模擬計(jì)算了補(bǔ)焊所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和補(bǔ)焊后試樣在不同外部載荷作用下原始裂紋尖端的應(yīng)力情況．試驗(yàn)結(jié)果表明，新的疲勞裂紋主要出現(xiàn)在補(bǔ)焊焊趾處和補(bǔ)焊焊道上；補(bǔ)焊后接頭的平均疲勞循環(huán)周次比原始試樣并沒(méi)有下降，反而提高了36%；對(duì)補(bǔ)焊焊趾進(jìn)行打磨處理，接頭的平均疲勞循環(huán)周次比補(bǔ)焊焊趾未打磨的接頭提升了16%．?dāng)?shù)值模擬結(jié)果顯示，補(bǔ)焊焊道收縮在裂紋最深處產(chǎn)生了-157MPa的殘余應(yīng)力．三點(diǎn)彎曲加載時(shí)，裂紋最深處的應(yīng)力由補(bǔ)焊前的508MPa降為補(bǔ)焊后的94MPa；單軸拉伸時(shí)，裂紋最深處的應(yīng)力由補(bǔ)焊前的480MPa降為補(bǔ)焊后的320MPa．該結(jié)果表明直接埋藏法補(bǔ)焊所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力是延緩或阻止原始裂紋繼續(xù)向母材擴(kuò)展的主要原因．綜合試驗(yàn)和模擬結(jié)果，可以認(rèn)為直接埋藏法修補(bǔ)疲勞裂紋在水下焊接修復(fù)工程中有著很強(qiáng)的可行性．

疲勞裂紋；埋藏法；補(bǔ)焊；有限元法

海洋平臺(tái)等大型結(jié)構(gòu)物因其所服役的環(huán)境特殊、受力情況復(fù)雜，長(zhǎng)期遭受疲勞載荷作用，其應(yīng)力集中的部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋[1]．疲勞裂紋的修補(bǔ)主要有鉆孔止裂法[2]、挖除補(bǔ)焊法[3]、加強(qiáng)板屏蔽法等．如果疲勞裂紋的尺寸較小，一般直接打磨去除；如果裂紋很深或所處位置復(fù)雜，則打磨去除既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力；若裂紋穿透構(gòu)件，只能尋求其他解決方法，例如采用機(jī)械緊固等方式．

焊接修補(bǔ)比鉆孔和機(jī)械緊固的方法更高效便捷，但焊接修補(bǔ)導(dǎo)致的殘余應(yīng)力可能會(huì)對(duì)接頭疲勞壽命產(chǎn)生影響．關(guān)于補(bǔ)焊對(duì)接頭壽命的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)多次補(bǔ)焊對(duì)接頭的疲勞壽命幾乎沒(méi)有影響[4-8]；國(guó)外研究人員也得到相似的結(jié)論[1,9-10]．以上學(xué)者在進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)，都先將原始裂紋挖除了，而對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的維護(hù)來(lái)說(shuō)，采用上述的修補(bǔ)方式其施工效率都是低下的．因此為了提高疲勞裂紋修補(bǔ)的效率，即減少裂紋修補(bǔ)工作的一系列準(zhǔn)備工作，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)物的安全維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

核電設(shè)備中的一次回路系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)從管道內(nèi)部往外形成的腐蝕開(kāi)裂缺陷，缺陷挖除會(huì)形成很大的空洞，會(huì)導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)的外泄．因此，一種被稱為“overlay”的修復(fù)方法應(yīng)運(yùn)而生，即直接在發(fā)生泄露的位置補(bǔ)焊一層焊道，從而將裂紋缺陷埋藏在內(nèi)部，阻止進(jìn)一步泄露，同時(shí)焊縫收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力可以改善裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)，阻止或延緩裂紋的再次擴(kuò)?展[11-12]．這種修補(bǔ)方法在實(shí)踐中得到了較好的效果，也得到了美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)的認(rèn)可[13]．本研究借鑒這種思路，探究采用直接埋藏法來(lái)修復(fù)大型結(jié)構(gòu)物復(fù)雜部位疲勞裂紋的可行性．大型結(jié)構(gòu)物的接頭受力情況復(fù)雜，考慮到這種復(fù)雜的受力狀態(tài)，本文采用T型接頭來(lái)模擬實(shí)際的情況．

1?試驗(yàn)方法

1.1?試驗(yàn)路線與材料

試驗(yàn)路線如圖1所示．①首先制備T型接頭試板，然后切割成三點(diǎn)彎曲疲勞試樣，試板和三點(diǎn)彎曲疲勞試樣尺寸如圖2所示；②在疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制出疲勞裂紋，記錄下疲勞循環(huán)周次，并利用著色探傷確定裂紋所在位置，如圖3(a)所示；③使用直接埋藏法對(duì)含裂紋試樣進(jìn)行補(bǔ)焊，并對(duì)其中一部分試樣焊趾進(jìn)行打磨處理，圖3(b)是補(bǔ)焊后的試樣照片；④將補(bǔ)焊后的試樣再次進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，記錄疲勞循環(huán)周次并統(tǒng)計(jì)疲勞裂紋的開(kāi)裂位置信息；⑤最后，切取接頭制得宏觀金相試樣，觀察裂紋擴(kuò)展情況．

圖1?試驗(yàn)路線

圖2?T型焊接試板及疲勞試樣尺寸(單位：mm)

圖3?補(bǔ)焊前后試樣

試板材料選用海洋工程結(jié)構(gòu)用EH36鋼，配套焊材為GFL-71Ni藥芯焊絲，焊絲直徑1.2mm．采用GMAW焊接工藝，焊接電流為240A，焊接電壓為28V，焊接速度35cm/min，CO2保護(hù)氣流量為14L/min．補(bǔ)焊工序采用焊條電弧焊，選用的焊材為AWS A5.1 E7018-1 H4R，焊條直徑4.0mm．焊接電流為125A，焊接電壓為20V，焊接速度約5mm/s．三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中采用的加載參數(shù)如下：應(yīng)力比＝0.1，均載為33kN，動(dòng)載為27kN，跨距為110mm．

1.2?數(shù)值模擬

為了對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析研究，對(duì)補(bǔ)焊過(guò)程以及補(bǔ)焊后的接頭在不同外載荷條件下裂紋附近的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算．采用商用有限元軟件Abaqus建模，通過(guò)生死單元技術(shù)分段加載熱源來(lái)模擬焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律．EH36鋼的熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參見(jiàn)文獻(xiàn)[14-17]所公開(kāi)的數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示．裂紋采用的是半橢圓形裂紋，裂紋的形狀和尺寸如圖4所示．通過(guò)提取裂紋尖端在補(bǔ)焊后的殘余應(yīng)力分布以及在外載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)，用于分析裂紋尖端的擴(kuò)展趨勢(shì)．

表1?EH36鋼的物理參數(shù)

Tab.1?Physical property of EH36 steel

圖4?裂紋形狀和尺寸(單位：mm)

2?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?補(bǔ)焊后疲勞開(kāi)裂的位置

與文獻(xiàn)[18]的規(guī)律類(lèi)似，預(yù)制的疲勞裂紋都位于底板側(cè)的焊趾處．補(bǔ)焊后試樣的疲勞裂紋則出現(xiàn)在以下4個(gè)不同的位置：補(bǔ)焊焊道內(nèi)裂紋1；補(bǔ)焊焊道兩側(cè)焊趾2和3；未補(bǔ)焊?jìng)?cè)焊趾4，如圖5所示．圖6給出了以上4個(gè)位置出現(xiàn)的疲勞裂紋的宏觀照片．其中補(bǔ)焊焊道內(nèi)裂紋1是由原始裂紋繼續(xù)向外擴(kuò)展至補(bǔ)焊焊道表面．開(kāi)裂位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最容易發(fā)生開(kāi)裂的位置是補(bǔ)焊?jìng)?cè)焊趾2，其次是未補(bǔ)焊?jìng)?cè)焊趾4，補(bǔ)焊?jìng)?cè)焊趾3的開(kāi)裂傾向最小.

圖5?裂紋位置示意

圖6?補(bǔ)焊后的疲勞裂紋形貌

從開(kāi)裂位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，原始裂紋擴(kuò)展至焊道表面并不是發(fā)生概率最高的，而補(bǔ)焊形成的焊趾其實(shí)更容易萌生出新的疲勞裂紋．未經(jīng)打磨處理的焊趾的幾何形狀不連續(xù)，存在很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且局部位置還可能存在缺陷，所以很容易萌生疲勞裂紋．位置1～4都是應(yīng)力集中的部位，任何一個(gè)位置可能發(fā)生開(kāi)裂或者裂紋擴(kuò)展，在復(fù)雜的外部載荷作用下補(bǔ)焊后具體的開(kāi)裂位置以及擴(kuò)展情況是不確定的，是相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果．

表2?裂紋位置統(tǒng)計(jì)

Tab.2?Statistics of crack position

2.2?疲勞循環(huán)周次統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3給出了采用直接埋藏法補(bǔ)焊試樣的疲勞循環(huán)周次．由表3可以看出，在同樣的加載情況下，與原始接頭相比，補(bǔ)焊后接頭的平均疲勞循環(huán)周次并沒(méi)有下降，還有近36%的提升，只有一個(gè)試樣的補(bǔ)焊后絕對(duì)值比補(bǔ)焊前的低．焊趾經(jīng)打磨處理的試樣的平均疲勞循環(huán)周次要比未打磨的高出16%，循環(huán)周次的極差也減少為原來(lái)的18%．

表3?補(bǔ)焊前后疲勞循環(huán)周次

Tab.3?Fatigue cycles before and after welding repair

補(bǔ)焊后試樣的疲勞循環(huán)周次取決于焊趾處的應(yīng)力集中情況和原始裂紋擴(kuò)展的傾向．一方面，補(bǔ)焊焊道對(duì)原始焊紋起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用，使得焊趾附近承載的彎曲應(yīng)力水平得到降低．另一方面，補(bǔ)焊焊道的收縮可能會(huì)改善裂紋最深處的應(yīng)力狀態(tài)，裂紋因而更容易向焊道內(nèi)部擴(kuò)展．裂紋向焊道內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)需要完全穿透補(bǔ)焊焊道，這個(gè)過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因而疲勞循環(huán)周次得到提高．

另外，對(duì)補(bǔ)焊焊趾進(jìn)行打磨處理，降低了焊趾處的應(yīng)力集中情況，提高了裂紋萌生階段的循環(huán)周次，從而提高總的循環(huán)周次，所以打磨處理可以進(jìn)一步提高修補(bǔ)的質(zhì)量[9-10]．

3?模擬結(jié)果與分析

如圖7所示，原始開(kāi)口裂紋經(jīng)補(bǔ)焊后被埋藏在補(bǔ)焊焊道下方，為了下文論述方便，將段記為路徑1，裂紋尖端段記為路徑2．

圖8給出了補(bǔ)焊前后不同外載荷下兩條路徑上的應(yīng)力分布．

圖8(a)是路徑1上補(bǔ)焊前后三點(diǎn)彎曲加載時(shí)的橫向應(yīng)力對(duì)比結(jié)果．可以看出，由于補(bǔ)焊焊道凝固的橫向收縮作用，補(bǔ)焊后其橫向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)兩端受壓而中間受拉的特點(diǎn)．加載時(shí)，、段的應(yīng)力比補(bǔ)焊前明顯降低，因此裂紋向兩端擴(kuò)展的趨勢(shì)會(huì)受到抑制；而段(裂紋處)則存在很大的拉伸應(yīng)力，可達(dá)400MPa左右，所以被埋藏的原始裂紋有很強(qiáng)的向補(bǔ)焊焊道內(nèi)擴(kuò)展的趨勢(shì)．

圖7?裂紋尖端示意

路徑2補(bǔ)焊前后的應(yīng)力分布如圖8(b)所示．補(bǔ)焊后該路徑上、兩點(diǎn)之間出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力，其中最深處殘余應(yīng)力為－157MPa．這是由補(bǔ)焊焊道的凝固收縮造成的，使得裂紋尖端向母材內(nèi)部擴(kuò)展的傾向得到抑制，這正好解釋了裂紋尖端向母材內(nèi)部擴(kuò)展不明顯的現(xiàn)象．補(bǔ)焊前三點(diǎn)彎曲加載時(shí)，路徑2上兩端出現(xiàn)最大應(yīng)力630MPa，裂紋最深處的應(yīng)力也有508MPa，應(yīng)力集中大，如果不進(jìn)行修補(bǔ)，則裂紋向母材擴(kuò)展的傾向非常大．補(bǔ)焊后三點(diǎn)彎曲加載下裂紋兩端的應(yīng)力降為400MPa左右；裂紋最深處的應(yīng)力降為94MPa，只有補(bǔ)焊前的18.5%，應(yīng)力狀態(tài)得到大幅度改善．這一方面是因?yàn)檠a(bǔ)焊焊道的承載作用，另一方面是由于補(bǔ)焊焊道的收縮在路徑2的一定深度處形成了壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力抵消了一部分外部載荷．因此原始裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力大幅下降．

圖8(c)給出了補(bǔ)焊后試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載時(shí)，路徑1與路徑2上的應(yīng)力對(duì)比情況．可以看出在尖端處，路徑2上的應(yīng)力水平整體上要比路徑1的小得多，尤其是中部的位置．所以，原始裂紋更容易向補(bǔ)焊焊道側(cè)擴(kuò)展，而向母材內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)展的傾向則要低得多．

圖8(d)給出了T型接頭底板在受單軸(向)拉伸載荷時(shí)路徑2上的應(yīng)力分布情況．由于路徑2中間部位殘余壓應(yīng)力的存在，抵消了一部分外部拉應(yīng)力，使得該處的實(shí)際應(yīng)力大幅降低，可有效阻止裂紋向母材擴(kuò)展的趨勢(shì)，這與三點(diǎn)彎曲加載的結(jié)果是一致的．如裂紋最深處的應(yīng)力由補(bǔ)焊前的480MPa下降到補(bǔ)焊后的320MPa．因此，無(wú)論補(bǔ)焊后接頭承受三點(diǎn)彎曲還是拉伸載荷，裂紋向母材內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)展的可能性都大大降低．

圖8?不同載荷下裂紋尖端應(yīng)力分布

4?結(jié)?論

(1) 采用所提出的直接埋藏法補(bǔ)焊后的試樣再次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，新的疲勞裂紋主要出現(xiàn)在補(bǔ)焊焊道的兩側(cè)焊趾、補(bǔ)焊焊道內(nèi)部和未補(bǔ)焊?jìng)?cè)焊趾這4個(gè)位置．其中補(bǔ)焊焊道的外側(cè)焊趾處最容易再次發(fā)生開(kāi)裂．

(2) 疲勞裂紋缺陷被直接埋藏法修補(bǔ)后，接頭的疲勞壽命不但沒(méi)有下降反而有一定程度的提升，打磨補(bǔ)焊焊趾可以進(jìn)一步提升接頭的疲勞性能．

(3) 模擬結(jié)果表明補(bǔ)焊焊縫的冷卻收縮在被修補(bǔ)裂紋的尖端產(chǎn)生較大的壓縮應(yīng)力，它會(huì)抵消一部分外部載荷，有助于抑制或延緩裂紋進(jìn)一步向母材內(nèi)部擴(kuò)展．

(4) 補(bǔ)焊后接頭在三點(diǎn)彎曲載荷作用下，裂紋最深處的應(yīng)力由補(bǔ)焊前的508MPa降為補(bǔ)焊后的94MPa；單軸拉伸載荷時(shí)由補(bǔ)焊前的480MPa降為補(bǔ)焊后的320MPa，兩種情況下裂紋尖端的橫向應(yīng)力水平都得到顯著改善．

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Repair of Fatigue Crack Defects by Direct Burial Method

Cheng Fangjie1, 2，Kong Kangqian1，Ouyang Zhongyu1

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China)

The removal of an original fatigue crack defect and preparation of a groove are difficult steps in underwater welding repair projects during the safety maintenance of offshore platforms. Therefore, a direct burial method without direct removal of the original crack defects is proposed to repair fatigue crack defects. To explore the feasibility of this method, simulated welding repair specimens were prepared on land. The fatigue tests of the repaired specimens were adopted to analyze the initial positions of the fatigue cracks after direct burial method repair, fatigue cycles of specimens before and after welding repair and the effect of grinding them. Abaqus was used to calculate the residual stress generated by welding repair and the repaired specimens’ stress at the crack tip under different external loads. Results revealed that the new fatigue crack mainly initiates at the weld toe of a repaired weld and the repaired weld bead. The average fatigue cycles after welding repair did not decrease, and instead increased by 36%. The fatigue cycles of the repaired weld joint with polished toe improved by 16%. The numerical simulation results show that the shrinkage of the welding repair produced a residual stress of -157MPa at the deepest point of the crack. In the case of a three-point bending load, the stress at the deepest point of the crack was reduced from 508MPa before the welding repair to 94MPa after. When uniaxial tension was applied, the stress at the deepest point of the crack was reduced from 480MPa before welding repair to 320MPa after welding repair. The results indicate that residual compressive stress caused by welding repair using the direct burial method accounts for the delay or prevention of the original crack expanding to the base metal. Therefore, the direct burial method can repair a fatigue crack in underwater welding repair projects.

fatigue crack；burial method；welding repair；finite element method

TG405

A

0493-2137(2020)05-0502-06

10.11784/tdxbz201904064

2019-04-25；

2019-05-22.

程方杰（1971—??），男，博士，教授.

程方杰，chfj@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：田?軍)