馮硯廳，代小號(hào)，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(yùn)行或者新更換一段時(shí)間后，有時(shí)會(huì)突然出現(xiàn)焊口的大面積開裂，觀察發(fā)現(xiàn)該裂紋只與某特定批次的材料有關(guān)。金相顯微鏡下裂紋呈現(xiàn)沿晶開裂的特征，多發(fā)生在焊接的熱影響區(qū)中，用常規(guī)機(jī)械性能和化學(xué)分析方法無法找到開裂的根本原因，此時(shí)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(jìn)行插銷試驗(yàn)，而電廠小徑管壁厚3～8 mm，無法切取標(biāo)準(zhǔn)插銷試樣進(jìn)行試驗(yàn)，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(nèi)套中切下直徑一個(gè)3 mm的小試樣進(jìn)行插銷試驗(yàn)。

1 試樣缺口的評(píng)價(jià)

直徑3 mm的棒料試樣夾持位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)加載時(shí)極易從夾持位置斷裂，達(dá)不到試驗(yàn)的目的，因此需要在試樣上設(shè)計(jì)缺口。缺口設(shè)計(jì)的原則是保證在材料的敏感區(qū)域存在應(yīng)力集中，確保沒有再熱裂紋傾向的材料不因缺口因素發(fā)生斷裂。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)的理論，裂紋尖端附近存在應(yīng)力場，取應(yīng)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(yīng)力場微元受力模型

根據(jù)Westergard導(dǎo)出的裂紋尖端應(yīng)力場有：

(1)

根據(jù)莫樂圓主應(yīng)力可表示為：

(2)

(3)

對(duì)式(3)求導(dǎo)數(shù)取極值可得：

(4)

如果取泊松比v=0.3，則θ≈±87°時(shí)r有極大值。

由推導(dǎo)結(jié)果可知裂紋尖端正前方塑性變形區(qū)尺寸并不是最大。對(duì)材料再熱裂紋的敏感性測試主要是測試材料敏感區(qū)域的抗變形能力，因此適當(dāng)旋轉(zhuǎn)缺口的角度增加敏感斷面的塑性變形區(qū)是有必要的，見圖2。

圖2 試樣中單邊V形缺口尖端應(yīng)力場方向示意

單邊斜裂紋受拉時(shí)，裂紋與受力方向的夾角越小，裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度越小，因此旋轉(zhuǎn)缺口后缺口裂紋的強(qiáng)度因子會(huì)減小。

焊接再熱裂紋主要出現(xiàn)在母材焊接熱影響區(qū)中，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置的缺口位置必須位于焊接熱影響區(qū)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(biāo)準(zhǔn)插銷試驗(yàn)采用的單一環(huán)形缺口很難將缺口完全對(duì)準(zhǔn)焊接熱影響區(qū)，因此試驗(yàn)結(jié)果分散度較大。而采用螺栓缺口在焊接所有的熱影響區(qū)域均設(shè)置了缺口，在一定的拉力作用下，對(duì)再熱裂紋不敏感的區(qū)域不會(huì)因?yàn)槿笨诘拇嬖诙霈F(xiàn)開裂，而對(duì)再熱裂紋敏感的區(qū)域則會(huì)因?yàn)槿笨诘拇嬖诙霈F(xiàn)開裂現(xiàn)象，這樣斷裂的位置一定是再熱裂紋敏感區(qū)域，試驗(yàn)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(duì)多缺口應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明多缺口的存在可以緩和集中應(yīng)力，從而降低應(yīng)力集中系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中的V形缺口前沿塑性變形區(qū)范圍較小，而缺口與拉伸應(yīng)力相垂直，缺口應(yīng)力強(qiáng)度因子較高，缺口因素對(duì)開裂影響較大，而敏感區(qū)內(nèi)塑性影響又較小，這與試驗(yàn)?zāi)覆暮附訜嵊绊憛^(qū)再熱裂紋的目的不相符。根據(jù)斷裂力學(xué)裂紋尖端塑性變形區(qū)的概念，結(jié)合機(jī)械加工的可行性，將普通的V形缺口旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(yàn)初始拉應(yīng)力分析

插銷試驗(yàn)的初始拉應(yīng)力應(yīng)保證試樣在一定時(shí)間內(nèi)，有再熱裂紋傾向的材料在再熱裂紋敏感性區(qū)域形成裂紋并擴(kuò)展發(fā)生斷裂，而沒有再熱裂紋傾向的材料不能發(fā)生斷裂?？刂埔c(diǎn)是在試驗(yàn)溫度下不發(fā)生試樣整體屈服，而是在一定范圍內(nèi)發(fā)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(fā)生強(qiáng)化，甚至達(dá)到光樣屈服強(qiáng)度的2.5～3倍[1]。此時(shí)試樣不應(yīng)因?yàn)槭芰^大發(fā)生斷裂。

2.1 缺口的應(yīng)力集中分析

為了方便計(jì)算小試樣的缺口應(yīng)力集中系數(shù)，首先簡化為圓柱桿件環(huán)形缺口計(jì)算[3]，見圖4。

圖4 圓柱試樣的環(huán)形缺口及描述參數(shù)

為了便于表達(dá)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算，定義一些切口參數(shù)：

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(duì)深度，x、z、w、u、q為切口參數(shù)。

雙曲形切口的應(yīng)力集中系數(shù)[3]：

(6)

深切口的應(yīng)力集中系數(shù)：

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

(7)

當(dāng)2t/D≥0.3，R/a≥0.1，屬于切口半徑為正常范圍的深切口，應(yīng)力集中系數(shù)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(duì)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(shí)應(yīng)力集中系數(shù)為3.3。小試樣為螺旋缺口相當(dāng)于多缺口，缺口間距為1 mm，由于缺口間距對(duì)缺口根部半徑的比值為10，其應(yīng)力集中系數(shù)減弱程度很小，而且由于缺口旋轉(zhuǎn)在缺口深度不變的情況下，引起的尖端應(yīng)力強(qiáng)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(zhuǎn)引起的應(yīng)力集中系數(shù)減弱因素。

2.2 初始加載應(yīng)力的確定

由計(jì)算得缺口的應(yīng)力集中系數(shù)為3.3。在試驗(yàn)溫度下如果拉應(yīng)力σ達(dá)到了屈服極限σsT，則缺口尖端應(yīng)力會(huì)達(dá)到3.3倍的屈服極限值，缺口的強(qiáng)化最高可達(dá)到3倍的屈服極限，不能滿足強(qiáng)度要求，缺口根部會(huì)發(fā)生塑性變形和開裂，造成試樣的斷裂，因此試驗(yàn)溫度下的屈服極限σsT為拉應(yīng)力取值的上限。

根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)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(yīng)力為σsT/3.3，因此試驗(yàn)過程中的應(yīng)力水平應(yīng)當(dāng)在這樣一個(gè)區(qū)間內(nèi)：σsT/3.3≤σ≤σsT。考慮到試驗(yàn)過程中應(yīng)力的松馳取初始應(yīng)力為0.8σsT，根據(jù)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(qiáng)度σsT。因此，初始加載應(yīng)力為：

(9)

2.3 缺口尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算

將試樣的缺口簡化為圓柱形周向裂紋，裂紋前緣之點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI可以通過下式計(jì)算：

(10)

3 實(shí)際試驗(yàn)

某電廠再熱器聯(lián)箱管接頭位置出現(xiàn)大面積連續(xù)泄漏，裂紋位于與聯(lián)箱焊接的管接頭兩端的焊接熔合線上，如圖5所示，發(fā)生再熱裂紋的管接頭及連接管的材料為12Cr1MoV，規(guī)格為φ60 mm×4.5 mm。對(duì)管接頭材料進(jìn)行了成分分析、金相檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)以及對(duì)比沖擊試驗(yàn)、有害成分分析、電鏡掃描及能譜等都沒有發(fā)現(xiàn)不符合要求的指標(biāo)和異常現(xiàn)象。為此按照所設(shè)計(jì)的試樣進(jìn)行了小試樣插銷試驗(yàn)。

圖5 裂紋出現(xiàn)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(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3組均存在嚴(yán)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(nèi)。第2組試樣取自與其相連接的連接管，該組沒有發(fā)現(xiàn)有再熱裂紋傾向，這與鍋爐實(shí)際泄漏情況相吻合，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 12Cr1MoV管再熱裂紋敏感性“C”曲線

4 結(jié)論

參考文獻(xiàn)：

[1] 張俊善. 材料的高溫變形與斷裂[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 郁大照，陳躍良，段成美. 多缺口應(yīng)力集中系數(shù)有限元研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境，2002，(29)4：18-22.

[3] 馬 平. 拉伸載荷下環(huán)形切口試件的應(yīng)力集中系數(shù)[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(30)4：49-52.

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