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        輸電塔Q420鋼材角焊縫的疲勞性能試驗研究

        2019-04-11 11:10:16曾二賢葉愛民覃偉平吳海洋
        山東電力技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:鋼材壽命裂紋

        曾二賢,葉愛民,覃偉平,吳海洋,徐 彬

        (中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司,湖北 武漢 430071)

        0 引言

        隨著我國輸電線路技術(shù)水平的提升和經(jīng)濟發(fā)展對電力需求的增長,常規(guī)輸電塔鋼材(如Q235和Q345)已經(jīng)難以滿足工程實際的要求。目前,我國正積極開展特高壓輸電線路工程的建設(shè),為保證輸電線路安全穩(wěn)定的運行,同時又達到節(jié)約鋼材用量和降低經(jīng)濟成本的目的,Q420鋼在一定程度上得到了推廣和應(yīng)用[1]。隨著西電東送電力建設(shè)的發(fā)展,輸電桿塔將越來越多地在低溫極端自然環(huán)境中工作,高強鋼脆性及焊縫的連接及疲勞問題越來越凸顯,因此,研究鋼結(jié)構(gòu)在不同工作溫度條件下的疲勞性能具有重要的工程意義。

        目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了不少高強度鋼材及焊縫的相關(guān)研究,取得了一定的成果[2-6]。施剛等人[7-8]針對Q460C和Q460D鋼材及其焊縫疲勞性能開展了研究,描繪出其S-N曲線,但對于Q420鋼材與焊縫疲勞性能方面的研究開展較少。此外,GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》提出依據(jù)構(gòu)件與連接類別進行劃分確定計算參數(shù)進行疲勞驗算,未細化和明確鋼材與焊縫的強度、韌性、塑性的大小對疲勞性能的影響[12]。所以,有必要開展Q420高強鋼焊縫疲勞性能研究,以彌補設(shè)計規(guī)范的不足,為Q420鋼材與焊縫的應(yīng)用和推廣提供一定的理論支持。

        1 試驗概況

        1.1 試件尺寸

        試驗鋼材為Q420B和Q420C鋼材,由國內(nèi)某鋼鐵生產(chǎn)加工,其成分及力學性能如表1和表2所示。

        表1 Q420鋼材化學成分質(zhì)量分數(shù) %

        表2 Q420力學性能表

        焊件為Q420B和Q420C熱軋鋼帶通過直角焊縫焊接,焊腳尺寸為8 mm,等級為二級,采用E55型焊條。試驗段長為180 mm,寬為30 mm,厚為12 mm,其夾持端長240 mm,寬60 mm。試件均采用線切割方式加工確保光滑平整,尺寸如圖1所示。

        圖1 試件尺寸

        1.2 拉伸試驗

        為充分了解經(jīng)加工后試件的力學性能,取3根試件進行單軸拉伸試驗。因Q420B和Q420C屬同一強度等級,只針對Q420B試件開展試驗,拉伸試驗如圖2所示。圖3和表3分別給出了Q420B 3根試件拉伸試驗荷載—位移曲線和單軸拉伸力學性能。

        圖2 拉伸試驗

        圖3 拉伸試驗曲線

        表3 單軸拉伸力學性能

        從表3可以看出,試件屈服強度在463 MPa左右,斷口位于母材上,而焊縫沒有發(fā)生斷裂,焊縫強度高于母材強度。

        2 疲勞試驗

        2.1 試驗設(shè)備及方法

        試驗使用設(shè)備為MTS電液伺服疲勞試驗機,試驗加載頻率15Hz[7]。試件上下咬合尺寸設(shè)定為80 mm,避免加載滑落。 根據(jù)文獻[11-12]取 0.9ft(ft為焊縫抗拉強度設(shè)計值),0.7ft與0.5ft3個應(yīng)力幅水平進行加載設(shè)定,采用應(yīng)力幅—循環(huán)次數(shù)曲線(S-N曲線)表征材料的疲勞性能規(guī)律。試驗溫度為常溫20℃。

        2.2 試驗過程及現(xiàn)象

        試驗開始前拉力預(yù)加至預(yù)設(shè)水平時,開始施加循環(huán)荷載,直至試件發(fā)生斷裂試驗結(jié)束;若循環(huán)次數(shù)達到200萬次試件仍未斷裂,則終止試驗。試驗結(jié)果如圖4和表4所示。

        圖4 疲勞試驗破壞形態(tài)

        對試件破壞形態(tài)進行分析,斷裂位置多位于焊趾或焊根。對疲勞斷口進行觀察,可發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)3個過程。首先,裂紋源區(qū)一般位于焊趾或焊根處,可能出現(xiàn)多處;其次,裂紋擴展區(qū)斷面相對光滑平整,可見海灘或貝殼樣的紋路;最后,發(fā)生拉斷形成快速斷裂區(qū),此區(qū)域面貌與斷口形貌基本一致,能觀察明顯的粗顆粒。

        表4 Q420焊縫疲勞試驗結(jié)果

        試件編號最大應(yīng)力/M P a最大荷載/k N最小荷載/k N加載頻率/H z循環(huán)次數(shù) 說 明Q 4 2 0 B-7 1 9 3.2 2 2 破壞斷裂Q 4 2 0 B-8 2 1 0.6 6 7 破壞斷裂7 5.8 4 0 Q 4 2 0 B-9 2 1 6.2 5 0 破壞斷裂7 7.8 5 0 Q 4 2 0 C-1 1 1 7.2 7 8 破壞斷裂Q 4 2 0 C-2 1 1 2.3 6 1 破壞斷裂Q 4 2 0 C-3 1 1 0.9 1 7 破壞斷裂Q 4 2 0 C-4 1 6 1.5 5 6 破壞斷裂Q 4 2 0 C-5 1 5 8.3 6 9 破壞斷裂Q 4 2 0 C-6 1 6 8.2 6 4 破壞斷裂Q 4 2 0 C-7 2 4 0.1 1 1 破壞斷裂Q 4 2 0 C-8 2 1 2.1 6 7 破壞斷裂Q 4 2 0 C-9 2 0 0.7 2 2 破壞斷裂6 9.5 6 0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 4 2.2 2 0 4 0.4 5 0 3 9.9 3 0 5 8.1 6 0 5 7.0 1 3 6 0.5 7 5 8 6.4 4 0 7 6.3 8 0 7 2.2 6 0 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 2 1 3 1 5 5 1 2 8 3 9 4 1 3 4 6 3 6 4 9 1 0 2 3 2 5 4 5 5 0 1 3 9 7 0 6 3 3 0 3 1 3 0 3 2 7 3 1 6 1 4 6 5 5 3 5 0 7 4 8 1 7 6 0 4 1 7 3 6 5 4

        需要說明的是,表4中編號Q420B-1,Q420B-2與Q420B-3對應(yīng)0.5ft荷載水平;Q420B-4,Q420B-5與Q420B-6對應(yīng)0.7ft荷載水平;Q420B-7,Q420B-8與Q420B-9對應(yīng)0.9ft荷載水平。Q420C材質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系同Q420B。

        3 試驗結(jié)果處理及分析

        3.1 理論分析

        式中:n和c為與材料有關(guān)的常數(shù);a為裂紋尺寸;N為疲勞壽命;ΔK為應(yīng)力強度因子的變化幅,為系數(shù),與裂紋形狀、板的寬度及構(gòu)件幾何形狀、應(yīng)力集中造成的應(yīng)力梯度等因素有關(guān)。

        對式(1)積分,可得疲勞壽命的表達式為

        式中:a1和a2分別為裂紋初始尺寸和裂紋緩慢擴展階段結(jié)束的尺寸。

        應(yīng)力幅值為 Δσ=σmax-σmin,則有:

        經(jīng)過簡化代換可得:

        式 (6)中考慮到裂紋初始尺寸a1遠小于a2,式(6)可簡化為

        材料疲勞性能通常采用S-N曲線來描述,根據(jù)S-N曲線可將式(4)變換如下:

        式中:S為材料截面的應(yīng)力幅值;N為疲勞循環(huán)次數(shù);m和C為待定常數(shù)。

        當取保證率ρ=50%時,式(7)取對數(shù)擬合表示如下:

        結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分布特征,可選取函數(shù)y=A+Bx進行線性回歸擬合,最小二乘法確定系數(shù),有:

        當取 ρ=95%時,式(8)和(9)分別為:

        式中:s為對數(shù)壽命的剩余樣本標準差。

        3.2 試驗結(jié)果分析

        依據(jù)表4給出的Q420B和Q420C兩組疲勞試驗的試驗結(jié)果,所有試件均發(fā)生疲勞斷裂。根據(jù)上述方法得出Q420B與Q420C不同保證率ρ時的S-N表達式:

        將上述結(jié)果在普通和對數(shù)坐標系中描繪應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線,如圖5所示。

        疲勞循環(huán)荷載應(yīng)力峰值Smax與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系(P-S-N曲線)如圖6所示。

        從圖5和圖6容易看出:

        1)常溫條件下Q420B焊縫與Q420C焊縫壽命較為接近,但Q420B焊件的疲勞性能略高(本試驗采用的Q420B試件含碳量低于Q420C)。

        2)在高應(yīng)力幅時Q420B材質(zhì)焊縫的疲勞壽命比Q420C略高,低應(yīng)力幅時其Q420B與Q420C焊縫疲勞壽命差異增大。

        3)高應(yīng)力幅值范圍內(nèi)疲勞壽命分布較集中,而隨應(yīng)力幅值降低其離散性增大 (尤其當超過100萬次后數(shù)據(jù)離散明顯)。

        圖5 疲勞循環(huán)荷載應(yīng)力峰值Smax與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系(S-N曲線)

        圖6 疲勞循環(huán)荷載應(yīng)力峰值Smax與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系(P-S-N曲線)

        針對上述結(jié)果,進行了沖擊韌性試驗,0℃與常溫20℃試件數(shù)量均為3個,沖擊結(jié)果如表5所示。

        表5 沖擊試驗結(jié)果 J

        從表5沖擊試驗結(jié)果可以看到,Q420B 0℃沖擊功的平均值為121 J,20℃沖擊功的平均值為142 J;Q420C 0℃沖擊功的平均值為115 J,20℃沖擊功的平均值為122 J。2種鋼試件在常溫20℃與0℃條件下的沖擊吸收能量均大于34 J,滿足規(guī)范要求;本次焊縫低溫疲勞試驗所使用Q420B鋼材已經(jīng)滿足C級要求。

        同時,本次試驗Q420B鋼材比Q420C鋼材的沖擊吸收能量大,分析可能為所選鋼材試件的含碳量差異所致,試件含碳量Q420B為0.13%,低于Q420C試件0.16%。至于鋼材含碳量與疲勞壽命的影響關(guān)系,有待進一步研究。

        3.3 試驗結(jié)果與規(guī)范對比

        為進一步研究試驗結(jié)果,將試驗值與GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》計算值進行比較,結(jié)果如表6所示。其中試驗平均值為表4試件結(jié)果的算術(shù)平均值,推薦公式計算值是指采用式(13)~(16)的理論計算值;規(guī)范值是指依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》的計算值。

        表6 循環(huán)次數(shù)試驗平均值、公式計算值與規(guī)范值對比

        從表6中可以得出,在相同應(yīng)力幅值下本次疲勞試驗結(jié)果明顯高于規(guī)范計算值,且存在較大差異。依據(jù)本文式(13)~(16)確定和計算疲勞壽命,可發(fā)現(xiàn)公式計算值高于規(guī)范計算值約10%~20%,規(guī)范相對偏保守。

        4 結(jié)語

        對Q420B和Q420C 2種等級的鋼材角焊縫進行疲勞試驗研究,得到Q420B和Q420C 2種鋼材不同應(yīng)力水平下角焊縫疲勞壽命S-N曲線,發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)力區(qū)域,Q420B比Q420C材質(zhì)焊縫的疲勞壽命略高;在低應(yīng)力幅時2種材質(zhì)焊縫的疲勞壽命差距增大。推導出2種鋼材的角焊縫疲勞壽命推薦公式,比較試驗結(jié)果和推薦公式計算表明,焊縫疲勞值均高于規(guī)范計算值,規(guī)范值相對偏保守。試驗過程中發(fā)現(xiàn)Q420B焊縫疲勞性能略高于Q420C焊縫,分析可能為試件含碳量差異所致。下一步將研究鋼材含碳量對疲勞壽命的相關(guān)影響。

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