上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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(注:接上一篇《全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估(影响阀体焊缝安全性的因素)》)

三、CTOD(Crack Tip opening Displacement)试验

如前所述,全焊接阀体管线球阀阀体焊接接头是阀门压力边界完整的最大隐患,然而评价焊接接头韧性的传统试验方法夏比(Charpy)冲击试验实际上是个衡量焊接接头抗冲击能力的指标,它不能全面反映焊接接头的真实韧性,也不能解释焊接接头的失效机制,更不能反映焊接残留应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。因此,用夏比冲击韧度值来评价焊接接头的韧性,有明显的局限性。

随着英国焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2,《断裂韧度试验·第 2 部分:金属材料焊接的 KIC 值、临界 CTOD 值和临界 J 值的测定方法》,针对焊接接头中各区域性能不均匀性和存在残留应力等特征,对 BS7448 Part1 进行了补充规定,这是目前国际上被工程界认可的测定焊接接头 CTOD 断裂韧度值的试验标准。例如 API 1104 附录 A,DNV-OS-401,BS7910 都是根据 BS7448 Part2 断裂韧度 CTOD 值的测试规范来评定焊接结构的完整性。

1. 试验方法

CTOO 测试试验(图 2)
图 2 CTOO 测试试验

在此根据 BS7448 Part2 试验标准,并参照 API 1104 及 DNV-OS-401 相关规范要求,以 CTOD 断裂韧度值来评价全焊接阀体焊接接头免焊后热处理的安全性。如图 2 所示根据 BS7448 Part2,试样取厚度 B=18,宽度 W=36,长度 L=4×36+20,裂纹长度 a≈(0.04~0.55)W 。用疲劳试验机预制裂纹.在美国 500KN 级 MTS 试验机上采用原装配套的 CTOD 试验硬件系统和控制程序进行试验,采用 6 位(0.00001mm)高精度数字读数显微镜测定裂纹的扩展量。按标准确认的最佳方法——多试样法求得临界开裂的缺口张开位移量 δc(或 δ0.05)。

2. 试验结果

CTOD 试验系统及完成加载试验后得焊缝 CTOD 试样。试验中出现 pop-in(并进/突进)的 HAZ 试样,试验所获得的焊缝区有效试样 8 个,HAZ 有效试样 8 个,达到 CTOD 多试样法的要求。

其中 HAZ 的起裂点 CTOD 值占 δc 直接测量获得,临界 CTOD 值 δ=0.05 用多试样 CTOD 试验回归线与裂纹扩展量 0.05mm 垂直线的交点确定,突进点的 CTOD 值石 δm 由试验直接测觉获得。焊缝的起裂点 CTOD 值 δc 和临界 CTOD 值 δ=0.05 用多试样 CTOD 试验回归线与裂纹扩展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直线的交点确定,突进点的 CTOD 值 δm 由试验直接测量获得。焊缝与 HAZ 的 CTOD 计算结果见《表 1》。

《表 1》 CTOD 测试结果
  δc / mm δc / mm δc / mm
热影响区 0.197 0.24 0.53
焊缝 0.196 0.23 0.91

3. 安全评价

参照 DNV-OS-C401(挪威船级社)标准,CTOD 值大于 0.15mm 为合格。开发工艺接头的实测 δc 皆大于 0.15mm,表明接头可以在不进行热时效处理的情况下使用。

不同 CTOD 值的允许缺陷尺寸与最大许用应变的关系(图 3)
图 3 不同 CTOD 值的允许缺陷尺寸与最大许用应变的关系

参照 API 1104《管道与相关设施的焊接》标准附录 A,其给出 TCTOD 值分别为 0.005in(0.1225mm)和 0.01in(0.245mm)时允许缺陷尺寸与许用应变的关系图,如图 3 所示。从图中可知,CTOD 值越大,焊缝断裂韧度越好,所允许缺陷尺寸可增大。根据全焊接阀体焊接接头最小 CTOD 值等于 0.197mm(0.0078in)时最大许用轴向应变与允许缺陷尺寸之间的曲线。

20in 600Lb 全焊接阀体球阀按额定工作压强的 1.5 倍计算,最大主应力为 15MPa,通过有限元计算可得最大轴向应变为 728με(即 0.000728ε),如按 API 1104 附录 A 所给出的最小可接受 CTOD=0.005in(0.1225mm)考虑,最大缺陷尺寸限为 0.3in,相当于 7.6mm。实测 CTOD=0.008in(0.196mm)其对应的缺陷允许尺寸为 0.45in(11.4mm),按 JB4730-94 1 级压力容器要求执行,允许缺陷尺寸为低于 0.15in(3.765mm),因此实际接头仍具有相当高的安全裕度。

全焊接阀体焊缝无损探伤按 JB4730-1994 的 1 级压力容器要求执行,其要求焊缝缺陷尺寸小于 0.15in(3.675mm)。因此,当全焊接阀体焊接接头满足 CTOD 断裂韧度值大于 0.005in(0.1225mm),焊缝无损探伤满足 JB4730-94 的 1 级压力容器要求,即可认定免焊后热处理工艺是安全可靠的。

四、结论

1)焊接接头根部结构上装配隙缝存在应力集中,进行 CTOD 试验,考察接头的断裂韧度是必要的。

2)试验结果表明焊缝,热影响区的最小 CTOD 值为 0.196mm,大于 API 1104 附录 A 0.125mm 和 DNV-OS-C401 0.15mm 的要求,焊缝本身经无损探伤满足 JB4730-94 的 1 级压力容器要求,因此可以认定焊接接头具有足够的断裂韧度值,作为免焊后热处理的依据是充分的。

(全文完)


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