上海滬工閥門廠(集團(tuán))有限公司
(注:接上一篇《全焊接閥體管線球閥焊接接頭安全評(píng)估(影響閥體焊縫安全性的因素)》)
三、CTOD(Crack Tip opening Displacement)試驗(yàn)
如前所述,全焊接閥體管線球閥閥體焊接接頭是閥門壓力邊界完整的最大隱患,然而評(píng)價(jià)焊接接頭韌性的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法夏比(Charpy)沖擊試驗(yàn)實(shí)際上是個(gè)衡量焊接接頭抗沖擊能力的指標(biāo),它不能全面反映焊接接頭的真實(shí)韌性,也不能解釋焊接接頭的失效機(jī)制,更不能反映焊接殘留應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對(duì)韌性的影響。因此,用夏比沖擊韌度值來評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性,有明顯的局限性。
隨著英國焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2,《斷裂韌度試驗(yàn)·第 2 部分:金屬材料焊接的 KIC 值、臨界 CTOD 值和臨界 J 值的測(cè)定方法》,針對(duì)焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻性和存在殘留應(yīng)力等特征,對(duì) BS7448 Part1 進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定,這是目前國際上被工程界認(rèn)可的測(cè)定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。例如 API 1104 附錄 A,DNV-OS-401,BS7910 都是根據(jù) BS7448 Part2 斷裂韌度 CTOD 值的測(cè)試規(guī)范來評(píng)定焊接結(jié)構(gòu)的完整性。
1. 試驗(yàn)方法
圖 2 CTOO 測(cè)試試驗(yàn)
在此根據(jù) BS7448 Part2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),并參照 API 1104 及 DNV-OS-401 相關(guān)規(guī)范要求,以 CTOD 斷裂韌度值來評(píng)價(jià)全焊接閥體焊接接頭免焊后熱處理的安全性。如圖 2 所示根據(jù) BS7448 Part2,試樣取厚度 B=18,寬度 W=36,長(zhǎng)度 L=4×36+20,裂紋長(zhǎng)度 a≈(0.04~0.55)W 。用疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制裂紋.在美國 500KN 級(jí) MTS 試驗(yàn)機(jī)上采用原裝配套的 CTOD 試驗(yàn)硬件系統(tǒng)和控制程序進(jìn)行試驗(yàn),采用 6 位(0.00001mm)高精度數(shù)字讀數(shù)顯微鏡測(cè)定裂紋的擴(kuò)展量。按標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)的最佳方法——多試樣法求得臨界開裂的缺口張開位移量 δc(或 δ0.05)。
2. 試驗(yàn)結(jié)果
CTOD 試驗(yàn)系統(tǒng)及完成加載試驗(yàn)后得焊縫 CTOD 試樣。試驗(yàn)中出現(xiàn) pop-in(并進(jìn)/突進(jìn))的 HAZ 試樣,試驗(yàn)所獲得的焊縫區(qū)有效試樣 8 個(gè),HAZ 有效試樣 8 個(gè),達(dá)到 CTOD 多試樣法的要求。
其中 HAZ 的起裂點(diǎn) CTOD 值占 δc 直接測(cè)量獲得,臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗(yàn)回歸線與裂紋擴(kuò)展量 0.05mm 垂直線的交點(diǎn)確定,突進(jìn)點(diǎn)的 CTOD 值石 δm 由試驗(yàn)直接測(cè)覺獲得。焊縫的起裂點(diǎn) CTOD 值 δc 和臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗(yàn)回歸線與裂紋擴(kuò)展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直線的交點(diǎn)確定,突進(jìn)點(diǎn)的 CTOD 值 δm 由試驗(yàn)直接測(cè)量獲得。焊縫與 HAZ 的 CTOD 計(jì)算結(jié)果見《表 1》。
δc / mm | δc / mm | δc / mm | |
---|---|---|---|
熱影響區(qū) | 0.197 | 0.24 | 0.53 |
焊縫 | 0.196 | 0.23 | 0.91 |
3. 安全評(píng)價(jià)
參照 DNV-OS-C401(挪威船級(jí)社)標(biāo)準(zhǔn),CTOD 值大于 0.15mm 為合格。開發(fā)工藝接頭的實(shí)測(cè) δc 皆大于 0.15mm,表明接頭可以在不進(jìn)行熱時(shí)效處理的情況下使用。
圖 3 不同 CTOD 值的允許缺陷尺寸與最大許用應(yīng)變的關(guān)系
參照 API 1104《管道與相關(guān)設(shè)施的焊接》標(biāo)準(zhǔn)附錄 A,其給出 TCTOD 值分別為 0.005in(0.1225mm)和 0.01in(0.245mm)時(shí)允許缺陷尺寸與許用應(yīng)變的關(guān)系圖,如圖 3 所示。從圖中可知,CTOD 值越大,焊縫斷裂韌度越好,所允許缺陷尺寸可增大。根據(jù)全焊接閥體焊接接頭最小 CTOD 值等于 0.197mm(0.0078in)時(shí)最大許用軸向應(yīng)變與允許缺陷尺寸之間的曲線。
20in 600Lb 全焊接閥體球閥按額定工作壓強(qiáng)的 1.5 倍計(jì)算,最大主應(yīng)力為 15MPa,通過有限元計(jì)算可得最大軸向應(yīng)變?yōu)?728με(即 0.000728ε),如按 API 1104 附錄 A 所給出的最小可接受 CTOD=0.005in(0.1225mm)考慮,最大缺陷尺寸限為 0.3in,相當(dāng)于 7.6mm。實(shí)測(cè) CTOD=0.008in(0.196mm)其對(duì)應(yīng)的缺陷允許尺寸為 0.45in(11.4mm),按 JB4730-94 1 級(jí)壓力容器要求執(zhí)行,允許缺陷尺寸為低于 0.15in(3.765mm),因此實(shí)際接頭仍具有相當(dāng)高的安全裕度。
全焊接閥體焊縫無損探傷按 JB4730-1994 的 1 級(jí)壓力容器要求執(zhí)行,其要求焊縫缺陷尺寸小于 0.15in(3.675mm)。因此,當(dāng)全焊接閥體焊接接頭滿足 CTOD 斷裂韌度值大于 0.005in(0.1225mm),焊縫無損探傷滿足 JB4730-94 的 1 級(jí)壓力容器要求,即可認(rèn)定免焊后熱處理工藝是安全可靠的。
四、結(jié)論
1)焊接接頭根部結(jié)構(gòu)上裝配隙縫存在應(yīng)力集中,進(jìn)行 CTOD 試驗(yàn),考察接頭的斷裂韌度是必要的。
2)試驗(yàn)結(jié)果表明焊縫,熱影響區(qū)的最小 CTOD 值為 0.196mm,大于 API 1104 附錄 A 0.125mm 和 DNV-OS-C401 0.15mm 的要求,焊縫本身經(jīng)無損探傷滿足 JB4730-94 的 1 級(jí)壓力容器要求,因此可以認(rèn)定焊接接頭具有足夠的斷裂韌度值,作為免焊后熱處理的依據(jù)是充分的。
(全文完)