張力腿筋腱焊接接頭的斷裂韌性

李 森,李澤邦,張 寧,劉 曉,張紅巖,洪曉莉

(1.青島海洋工程水下設備檢測有限公司,山東 青島 266000;2.青島海檢集團有限公司,山東 青島 266000)

1 引 言

張力腿平臺是深海油氣開采的主流平臺形式之一,國外在建及服役的張力腿平臺超過30座。在我國,張力腿平臺在深海油氣行業(yè)內(nèi)也有著廣闊的應用前景[1-3]。張力腿筋腱是張力腿平臺的系泊系統(tǒng),服役時承受深海惡劣的工況條件,并要保證平臺橫搖、縱搖和垂蕩等外運動性能,這對張力腿筋腱材料的強度、韌性有極高的設計、生產(chǎn)要求。一般情況下,張力腿筋腱要占到平臺造價的25%～40%。當前,張力腿筋腱產(chǎn)品的生產(chǎn)主要集中在歐美中的幾個廠家[4-6]。

張力腿筋腱與連接器、張力腿管段等結構之間主要通過焊接形式連接,焊接質(zhì)量成為張力腿平臺建造的重點和關鍵點之一。然而,在焊接過程中,焊縫容易出現(xiàn)缺陷和組織變化[7,8]。由于長期處于海洋環(huán)境中,焊接缺陷容易成為張力腿最薄弱的部位。在寒冷海水、地震、海嘯等惡劣環(huán)境的影響下,這些缺陷易導致裂紋萌生、擴展甚至不穩(wěn)定斷裂。因此,除了張力腿筋腱母材斷裂韌性研究外,對焊縫斷裂韌性的研究也十分重要。

裂紋尖端張開位移(CTOD,crack tip opening displacement)試驗是評定張力腿筋腱焊接接頭斷裂韌性的一種有效方法。CTOD值越大,表明裂紋尖端處材料抵抗開裂的性能越好。由于焊接接頭是非均質(zhì)體,CTOD值能夠直接反映出裂紋尖端處材料組織的韌性[9-12]。

2 試驗方法和過程

2.1 試驗材料

張力腿筋腱的材質(zhì)是X70,張力腿筋腱材料的化學成分實測值見表1,主要力學性能實測值:屈服強度為548MPa,抗拉強度為632MPa,伸長率為45%。

表1 張力腿筋腱化學成分

張力腿筋腱采用的管道直徑914mm,壁厚38.1mm;焊接方法為氬弧焊(GTAW)+埋弧焊(SAW)復合焊接工藝,焊接位置為5G(GTAW)+1G(SAW)。焊接材料選用Pipeliner 80Ni1(Lincoln)+LA-84(Lincoln)。

2.2 試驗方案和流程

本試驗采用單邊切口彎曲試樣,根據(jù)BS 7448-2:1997和BS 7448-1:1991預制疲勞裂紋,并依據(jù)BS 7448-2:1997判定焊接接頭斷裂韌性測試數(shù)據(jù)的有效性[13,14]。

測試設備包括高頻疲勞試驗機(GPS-300)、微機控制電液伺服萬能試驗機(SHT5106-P)、電子引伸計(YYU-4/10)。其中,高頻疲勞試驗機用于預制裂紋,微機控制電液伺服萬能試驗機用于CTOD試驗,電子引伸計用于在試驗過程中記錄試樣張開位移數(shù)據(jù)。為了模擬深海環(huán)境溫度,試驗時采用溫度為4℃。

焊縫金屬試樣的缺口位置是在一個名義上的中心線,熱影響區(qū)試樣切口位置位于熔合線。本次試驗計劃采用9個試樣,分別是焊縫試樣3個、熱影響區(qū)試樣3個、母材試樣3個,試樣編號分別為W1、W2、W3,H1、H2、H3,B1、B2、B3。如果有單個試樣未滿足要求,需選同位置的3個試樣進行試驗,且結果皆滿足要求。

在加工之前,所有試樣編號都明確標記在試樣兩端。通過電火花線切割預制貫穿厚度的裂紋,其在機械缺口前端形成一個不大于60°的尖角,尖角的名義半徑不大于0.12mm。機械缺口深度近似為0.33W(W為試樣寬度)。每個試樣在預制疲勞裂紋之前,通過局部壓縮法釋放殘余應力,壓塊直徑為25mm,試驗機為液壓試驗機SHT5106-P。試樣每個面的壓痕深度為0.10mm～0.15mm。在高頻疲勞試驗機GPS-300上預制疲勞裂紋,試驗頻率為80Hz,應力比為0.1,試驗溫度為室溫, 最大載荷為15kN。裂紋擴展長度通過視像觀察測量,預制過程中控制兩邊裂紋長度差小于1mm。

本次試驗由于曲率影響,加工試樣按照最大厚度原則,試樣厚度B=W=32mm。試樣加工如圖1所示(B是厚度,W是寬度,W=B,a=(0.45～0.7)W,缺口寬度=0.065W,表面粗糙度的單位為微米)。

圖1 試樣加工圖

含預制裂紋的試樣制備完成后進行主試驗。按照BS7448的要求,主要過程如下:在電液伺服萬能試驗機上進行試樣定位和調(diào)整;安裝好低溫槽,向其內(nèi)倒入冷卻介質(zhì),并加入干冰進行降溫;使用溫度計監(jiān)測溫度,直到溫度降至4℃。

試驗開始加載,待載荷-位移曲線開始下降后停止試驗,并迅速取下引伸計。試樣從低溫槽中取出后,迅速在萬能試驗機上利用三點彎曲壓頭快速加載,將其壓斷為兩半,做好標記后拍照。最后,測量裂紋長度,分別在兩個半段試樣厚度方向測量9個裂紋長度。

試驗結束后對測量數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)實測數(shù)據(jù),結合公式進行數(shù)據(jù)計算,得到CTOD值[15-17]。CTOD值計算公式:

3 結果與分析

3.1 CTOD試驗結果

CTOD測試結束后,根據(jù)原始數(shù)據(jù)和載荷-位移曲線,按照公式計算CTOD值,如表2所示。根據(jù)BS 7448-2∶1997的規(guī)定,每組3個試樣,有效試樣的平均CTOD值不應小于0.35mm,任何有效樣本的最低CTOD值不應小于0.30mm,據(jù)此對其有效性進行判定。

表2 CTOD試驗結果

根據(jù)表2的試驗結果可以看出,張力腿筋腱在各個區(qū)域的CTOD值都比較高。焊縫第一組檢測的3個試樣CTOD值分別為0.62mm、0.14mm、0.64mm,第2個試樣的CTOD值小于0.30mm,故選取臨接材料1組3個試樣進行重試,其編號分別為W4、W5、W6,CTOD值分別為0.55mm、0.48mm、0.61mm,符合標準要求。

熱影響區(qū)試樣CTOD值分別為0.75mm、0.67mm、1.01mm,均大于0.35mm,符合標準要求。母材處CTOD值分別為0.93mm、0.88mm、0.83mm,均大于0.35mm,符合標準要求。

CTOD值最大可達1.01mm(熱影響區(qū)),最小為0.48mm(焊縫),CTOD平均值從高到低依次為母材、熱影響區(qū)、焊縫。母材抗裂能力強,且數(shù)據(jù)較為均勻,具有良好的韌性。結果表明,母材的抗裂性能最好,熱影響區(qū)的抗裂性能略差,焊縫的抗裂性能最差。

3.2 宏觀斷口分析

試樣宏觀斷口形貌如圖2所示,焊縫宏觀斷裂處出現(xiàn)分層裂紋,其原因主要是由于材料中存在夾雜、氣孔、偏析和帶狀組織等缺陷。在試驗過程中,這些缺陷的尖端部分會產(chǎn)生較高的應力集中,對裂紋的萌生和擴展有一定的影響,從而使缺口根部出現(xiàn)分層裂紋,這也是焊縫CTOD韌性評價值較差的原因。

(a)母材 (b)熱影響區(qū) (c)焊縫

典型斷裂可分為脆性裂紋擴展斷裂和穩(wěn)定裂紋擴展斷裂兩種。脆性裂紋擴展斷裂由5個部分組成,由下至上依次為加工缺口、預裂紋、穩(wěn)定擴展區(qū)、不穩(wěn)定擴展區(qū)和破碎區(qū)。與脆性裂紋擴展斷裂相比,穩(wěn)定裂紋擴展斷裂不存在不穩(wěn)定擴展區(qū)。從圖2可以看出,母材的缺口破碎區(qū)域較為平整,這與塑性變形過程中裂紋尖端存在大量位錯滑移有關。熱影響區(qū)的缺口呈現(xiàn)塊狀和層狀裂紋,這主要是由于其組織較為復雜,晶粒大小不一,而且有部分應力集中所造成的。

4 結 論

張力腿筋腱焊接接頭各區(qū)域的CTOD值普遍較高,這表明該焊接接頭具有良好的斷裂韌性和抗開裂性能。各區(qū)域的CTOD值由高到低依次為:母材、熱影響區(qū)和焊縫,即母材韌性最好,熱影響區(qū)韌性稍差,焊縫韌性最差。

張力腿筋腱焊縫存在一定數(shù)量的孔隙和夾雜物,這些孔隙和夾雜物對裂紋萌生和擴展有一定的影響。這些缺陷容易在斷口表面產(chǎn)生分層裂紋,導致焊縫CTOD值相對較低。