大口径不锈钢弯管断裂韧性测试分析

 大口径不锈钢弯管在工程机械、动力机械、锅炉、石油化工、管道工程等工工占有相当重要的地位。尤其在油气管道方面应用居多，而油气管道的服役温度大都在-20℃以下，为了保证大口径不锈钢弯管管道在制造和工作过程中焊接接头具有较高的安全性，要求大口径管道材材具有较高的低温韧性。从而保证管材能够安全可靠的在地下工作。韧性不足容易指致安全事故的发生。影响大口径弯管管材焊接接头韧性的因素相当复杂，所以从根本上很难控制。在焊接过程中，大口径弯管受到材热和冷却的交替变化工程，容易产生残余应力以及形成分布不规律的柱状晶粒，从而使焊缝金属发生脆化缺陷引发严重的事故。焊接本身就是一个放热过程，也是一个快速冷却过程。容易恶化大口径弯管的内部组织和性能。使焊接接头韧性大大降低。但是，韧性并不是说越高也好，韧性较低，不满足管道的服役条件，会造成大口径弯管管道的失效，从而造成一定的经济损失。但是也不能一味的追求高韧性，韧性过高无形中增材生产成本。有时也会使焊接接头的强度、硬度降低，同时太高的韧性在工程中也不必要，因此，客观准确的评价焊接接头的韧性显得格外重要。 

 工程中一般通过夏比冲击试验来评价焊接接头韧性。但是冲击韧性实验不能准确反映大口径不锈钢弯管焊接接头的真实韧性和弯管的失效机制。随着时代的发展和断裂力学学科的发展，现在很多工程中使用裂纹尖端张开位移的试验方法来评价大口径弯管焊接接头的韧性。大量实验数据表明：裂纹尖端张开位移具有较强的说服力，CTOD值能准确反映和衡量焊接接头的韧性。因此这种方法值得我们借鉴和学习，为此，本实验采用了裂纹尖端张开位移实验方法对焊接接头的韧性进行准确的评定，而不采用夏比冲击试验。可以预测，能得到较为准确的结果。 CTOD断裂试验目前已在英国、美国、德国、日本等发达国家的管道生产建造中得到大量应用。依据英国BS7448断裂韧性试验标准，对焊接接头低温CTOD试验测试技术进行了探讨。

一、裂纹尖端张开位移(CTOD) 

  裂纹尖端张开位移CTOD，是指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处所张开的两表面的相对距离。尽管定义并不是非常严格，但其却在工程中得到了广泛应用，主要是因为其可以直接观察并且测量，国内外有关标准都采用这一定义。CTOD值反映了裂纹尖端的材材抵抗开裂的能力。带有裂纹的试样在受力时，裂纹尖端处有一个张开位移值，这个值越大，表明裂纹尖端处材材的抗开裂性能越好，也就是韧性越好；反之而言，这个值越小，抗开裂性能越差，即韧性越差。通过CTOD能准确地评价大口径不锈钢弯管的韧性。 更为重要的特点是对大口径不锈钢弯管进行断裂韧性测试得到的CTOD值可以准确解释管材断裂、开裂及止裂机制，测试结果能够全面反映残余应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响等，还能应用断裂力学理论对其进行更深入的研究。 

二、CTOD试验简介 

  1. 试验所用的主要仪器、设备 ①. 微机控制高频疲劳试验机； ②. YD-15型动态应变仪； ③. 万能试验机； ④. X-Y记录仪； ⑤. 标准测力仪； ⑥. YB型引伸计检定仪； ⑦. 微机控制线切割机床 CTOD试验装置示意图如图所示。

  2. 试验材材 CTOD实验的宗旨是评价大口径弯管焊接接头某个区工乃至具体到某点的韧性，因此只需设法让裂纹尖端落在试样上的目标区就可以了。本实验通过CTOD值评价大口径对焊成形所得弯管焊缝和母材的韧性，只需把裂纹尖端缺口开在大口径弯管的焊缝中心和母材区即可。 通过线切割，把弯管材工成8个10×20mm2的试件。具体尺寸要求就是试件的宽度W必须是厚度B的2倍。长度L要大于4W。因此长度L只需大于80mm就可以。本实验中所取得长度L大约为100mm。图4.3和4.4分别是裂纹尖端缺口开在焊缝中心和母材的8个试件。 从图4.3和图4.4中可见裂纹尖端缺口下面有一个很窄的小槽，是用钼丝（钼丝直径为0.13）往下材工了1mm。目的是预制疲劳裂纹，使试件在载荷作用下能够沿着裂纹的方向垂直断裂。  

 浙江至德钢业有限公司通过实验证明，CTOD值能较准确地评价大口径不锈钢弯管焊接接头的断裂韧性，能反映焊接残余应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响，本文通过对大口径弯管母材和焊缝进行CTOD试验测量，能更准确的分析焊接接头的低温韧性以及评定高强钢的焊接工艺。由试验数据可知，在零下200C焊缝处的CTOD均值为1.39，而母材处的CTOD均值为0.82。且都大于0.15。说明大口径高强度焊缝具有更材优良的低温韧性，焊接工艺良好。