基于小型插銷試樣的再熱裂紋敏感特性評價

馮硯廳，代小號，徐雪霞

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

在電廠鍋爐管道新投入運行或者新更換一段時間后，有時會突然出現焊口的大面積開裂，觀察發現該裂紋只與某特定批次的材料有關。金相顯微鏡下裂紋呈現沿晶開裂的特征，多發生在焊接的熱影響區中，用常規機械性能和化學分析方法無法找到開裂的根本原因，此時懷疑該缺陷為焊接再熱裂紋。研究再熱裂紋較好的方法是進行插銷試驗，而電廠小徑管壁厚3～8 mm，無法切取標準插銷試樣進行試驗，為此提出了試樣小型化的方案，即采用線切割的方法在薄壁管內套中切下直徑一個3 mm的小試樣進行插銷試驗。

1 試樣缺口的評價

直徑3 mm的棒料試樣夾持位置會產生應力集中，當加載時極易從夾持位置斷裂，達不到試驗的目的，因此需要在試樣上設計缺口。缺口設計的原則是保證在材料的敏感區域存在應力集中，確保沒有再熱裂紋傾向的材料不因缺口因素發生斷裂。根據線彈性斷裂力學的理論，裂紋尖端附近存在應力場，取應力場某微元的受力模型[1]，如圖1所示。

圖1 裂紋尖端附近應力場微元受力模型

根據Westergard導出的裂紋尖端應力場有：

(1)

根據莫樂圓主應力可表示為：

(2)

(3)

對式(3)求導數取極值可得：

(4)

如果取泊松比v=0.3，則θ≈±87°時r有極大值。

由推導結果可知裂紋尖端正前方塑性變形區尺寸并不是最大。對材料再熱裂紋的敏感性測試主要是測試材料敏感區域的抗變形能力，因此適當旋轉缺口的角度增加敏感斷面的塑性變形區是有必要的，見圖2。

圖2 試樣中單邊V形缺口尖端應力場方向示意

單邊斜裂紋受拉時，裂紋與受力方向的夾角越小，裂紋的應力強度越小，因此旋轉缺口后缺口裂紋的強度因子會減小。

焊接再熱裂紋主要出現在母材焊接熱影響區中，試驗時設置的缺口位置必須位于焊接熱影響區才具有意義，否則缺口位置的開裂不能代表再熱裂紋敏感性水平。標準插銷試驗采用的單一環形缺口很難將缺口完全對準焊接熱影響區，因此試驗結果分散度較大。而采用螺栓缺口在焊接所有的熱影響區域均設置了缺口，在一定的拉力作用下，對再熱裂紋不敏感的區域不會因為缺口的存在而出現開裂，而對再熱裂紋敏感的區域則會因為缺口的存在而出現開裂現象，這樣斷裂的位置一定是再熱裂紋敏感區域，試驗精度較高。另外螺旋缺口在縱剖面上即為多缺口試樣。郁大照等人[2]采用有限元的方法對多缺口應力集中系數進行了研究，研究結果表明多缺口的存在可以緩和集中應力，從而降低應力集中系數。標準試驗中的V形缺口前沿塑性變形區范圍較小，而缺口與拉伸應力相垂直，缺口應力強度因子較高，缺口因素對開裂影響較大，而敏感區內塑性影響又較小，這與試驗母材焊接熱影響區再熱裂紋的目的不相符。根據斷裂力學裂紋尖端塑性變形區的概念，結合機械加工的可行性，將普通的V形缺口旋轉一個角度，改為單V形缺口。因此最終確定為鋸齒螺旋缺口試樣，見圖3，試樣直徑為3 mm，缺口深度為0.5 mm，缺口根部曲率半徑為0.1 mm，單V形缺口角度為40°，螺距為1 mm。

圖3 試樣缺口示意(單位：mm)

2 插銷試驗初始拉應力分析

插銷試驗的初始拉應力應保證試樣在一定時間內，有再熱裂紋傾向的材料在再熱裂紋敏感性區域形成裂紋并擴展發生斷裂，而沒有再熱裂紋傾向的材料不能發生斷裂。控制要點是在試驗溫度下不發生試樣整體屈服，而是在一定范圍內發生局部屈服，如果材料的塑韌性較好，沒有再熱裂紋傾向，則缺口根部發生強化，甚至達到光樣屈服強度的2.5～3倍[1]。此時試樣不應因為受力過大發生斷裂。

2.1 缺口的應力集中分析

為了方便計算小試樣的缺口應力集中系數，首先簡化為圓柱桿件環形缺口計算[3]，見圖4。

圖4 圓柱試樣的環形缺口及描述參數

為了便于表達應力集中系數的計算，定義一些切口參數：

y=2t/D

z=t/R

(5)

w=R/t

u=a/R

q=R/a

以上各式中，y為切口相對深度，x、z、w、u、q為切口參數。

雙曲形切口的應力集中系數[3]：

(6)

深切口的應力集中系數：

Kt，d=(1.000 0-0.025 5x+0.015 8x2+0.006 5x3-0.004 7x4)Kt，H

(7)

當2t/D≥0.3，R/a≥0.1，屬于切口半徑為正常范圍的深切口，應力集中系數的擬合公式為：

Kt=[1.000 0-0.004 3y+0.009 2y2-0.004 7y3+(0.115 2-0.0464 4y+0.632 8y2-0.282 9y3)x+(0.010 6+0.347 5y-0.852 2y2+0.490 4y3)x2+(-0.067 1+0.061 2y+0.127 2y2-0.119 3y3)x3]Kt，d

(8)

對于該小試樣來說t=0.5 mm，a=1 mm，R=0.1 mm，D=3 mm，代入式(5)-(8)可求得Kt=3.3，即小型試樣在單缺口時應力集中系數為3.3。小試樣為螺旋缺口相當于多缺口，缺口間距為1 mm，由于缺口間距對缺口根部半徑的比值為10，其應力集中系數減弱程度很小，而且由于缺口旋轉在缺口深度不變的情況下，引起的尖端應力強度因子的減弱程度也較小。因此，可以忽略由于多缺口和缺口旋轉引起的應力集中系數減弱因素。

2.2 初始加載應力的確定

由計算得缺口的應力集中系數為3.3。在試驗溫度下如果拉應力σ達到了屈服極限σsT，則缺口尖端應力會達到3.3倍的屈服極限值，缺口的強化最高可達到3倍的屈服極限，不能滿足強度要求，缺口根部會發生塑性變形和開裂，造成試樣的斷裂，因此試驗溫度下的屈服極限σsT為拉應力取值的上限。

根據應力集中系數的計算和缺口根部需要一定范圍塑性變形的要求，則最低的維持應力為σsT/3.3，因此試驗過程中的應力水平應當在這樣一個區間內：σsT/3.3≤σ≤σsT。考慮到試驗過程中應力的松馳取初始應力為0.8σsT，根據室溫屈服極限σs和高溫彈性模量ET、室溫彈性模量E0，則可以推定高溫的屈服強度σsT。因此，初始加載應力為：

(9)

2.3 缺口尖端應力強度因子的計算

將試樣的缺口簡化為圓柱形周向裂紋，裂紋前緣之點的應力強度因子KI可以通過下式計算：

(10)

3 實際試驗

某電廠再熱器聯箱管接頭位置出現大面積連續泄漏，裂紋位于與聯箱焊接的管接頭兩端的焊接熔合線上，如圖5所示，發生再熱裂紋的管接頭及連接管的材料為12Cr1MoV，規格為φ60 mm×4.5 mm。對管接頭材料進行了成分分析、金相檢驗、拉伸試驗、彎曲試驗以及對比沖擊試驗、有害成分分析、電鏡掃描及能譜等都沒有發現不符合要求的指標和異常現象。為此按照所設計的試樣進行了小試樣插銷試驗。

圖5 裂紋出現的位置示意

管接頭位置母材取3組試樣分別為第1組、第3組和第4組。試驗結果發現這3組均存在嚴重的再熱裂紋傾向，而且其敏感溫度恰好在工作溫度范圍內。第2組試樣取自與其相連接的連接管，該組沒有發現有再熱裂紋傾向，這與鍋爐實際泄漏情況相吻合，試驗結果見圖6。

圖6 12Cr1MoV管再熱裂紋敏感性“C”曲線

4 結論

參考文獻：

[1] 張俊善. 材料的高溫變形與斷裂[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 郁大照，陳躍良，段成美. 多缺口應力集中系數有限元研究[J]. 強度與環境，2002，(29)4：18-22.

[3] 馬 平. 拉伸載荷下環形切口試件的應力集中系數[J]. 蘭州理工大學學報，2004，(30)4：49-52.

[4] 姜求志，王金瑞. 火力發電廠金屬材料手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2001.