程方杰，孔康騫，歐陽忠宇

直接埋藏法修補疲勞裂紋缺陷的研究

程方杰1, 2，孔康騫1，歐陽忠宇1

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300350)

在海洋平臺的安全維護中，挖除原始疲勞裂紋缺陷并準備坡口是水下焊接修復工程中一項十分困難的作業(yè)步驟．為此，提出一種不挖除原始裂紋缺陷的直接埋藏法來修復疲勞裂紋缺陷．為了探索該技術的可行性，在陸地上制備了模擬補焊試樣，通過對試樣補焊前后的疲勞性能進行測試，分析研究了直接埋藏法修復后疲勞裂紋出現(xiàn)的位置、試樣的疲勞循環(huán)周次以及打磨對補焊后試樣疲勞循環(huán)周次的影響規(guī)律．使用Abaqus軟件模擬計算了補焊所產(chǎn)生的殘余應力和補焊后試樣在不同外部載荷作用下原始裂紋尖端的應力情況．試驗結果表明，新的疲勞裂紋主要出現(xiàn)在補焊焊趾處和補焊焊道上；補焊后接頭的平均疲勞循環(huán)周次比原始試樣并沒有下降，反而提高了36%；對補焊焊趾進行打磨處理，接頭的平均疲勞循環(huán)周次比補焊焊趾未打磨的接頭提升了16%．數(shù)值模擬結果顯示，補焊焊道收縮在裂紋最深處產(chǎn)生了-157MPa的殘余應力．三點彎曲加載時，裂紋最深處的應力由補焊前的508MPa降為補焊后的94MPa；單軸拉伸時，裂紋最深處的應力由補焊前的480MPa降為補焊后的320MPa．該結果表明直接埋藏法補焊所產(chǎn)生的殘余壓應力是延緩或阻止原始裂紋繼續(xù)向母材擴展的主要原因．綜合試驗和模擬結果，可以認為直接埋藏法修補疲勞裂紋在水下焊接修復工程中有著很強的可行性．

疲勞裂紋；埋藏法；補焊；有限元法

海洋平臺等大型結構物因其所服役的環(huán)境特殊、受力情況復雜，長期遭受疲勞載荷作用，其應力集中的部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋[1]．疲勞裂紋的修補主要有鉆孔止裂法[2]、挖除補焊法[3]、加強板屏蔽法等．如果疲勞裂紋的尺寸較小，一般直接打磨去除；如果裂紋很深或所處位置復雜，則打磨去除既費時又費力；若裂紋穿透構件，只能尋求其他解決方法，例如采用機械緊固等方式．

焊接修補比鉆孔和機械緊固的方法更高效便捷，但焊接修補導致的殘余應力可能會對接頭疲勞壽命產(chǎn)生影響．關于補焊對接頭壽命的影響，國內(nèi)外學者進行了很多的研究，國內(nèi)學者發(fā)現(xiàn)多次補焊對接頭的疲勞壽命幾乎沒有影響[4-8]；國外研究人員也得到相似的結論[1,9-10]．以上學者在進行補焊時，都先將原始裂紋挖除了，而對于大型結構的維護來說，采用上述的修補方式其施工效率都是低下的．因此為了提高疲勞裂紋修補的效率，即減少裂紋修補工作的一系列準備工作，對于大型結構物的安全維護具有重要的現(xiàn)實意義.

核電設備中的一次回路系統(tǒng)會出現(xiàn)從管道內(nèi)部往外形成的腐蝕開裂缺陷，缺陷挖除會形成很大的空洞，會導致腐蝕性介質的外泄．因此，一種被稱為“overlay”的修復方法應運而生，即直接在發(fā)生泄露的位置補焊一層焊道，從而將裂紋缺陷埋藏在內(nèi)部，阻止進一步泄露，同時焊縫收縮產(chǎn)生的壓應力可以改善裂紋尖端的應力狀態(tài)，阻止或延緩裂紋的再次擴?展[11-12]．這種修補方法在實踐中得到了較好的效果，也得到了美國核管理委員會(NRC)的認可[13]．本研究借鑒這種思路，探究采用直接埋藏法來修復大型結構物復雜部位疲勞裂紋的可行性．大型結構物的接頭受力情況復雜，考慮到這種復雜的受力狀態(tài)，本文采用T型接頭來模擬實際的情況．

1?試驗方法

1.1?試驗路線與材料

試驗路線如圖1所示．①首先制備T型接頭試板，然后切割成三點彎曲疲勞試樣，試板和三點彎曲疲勞試樣尺寸如圖2所示；②在疲勞試驗機上預制出疲勞裂紋，記錄下疲勞循環(huán)周次，并利用著色探傷確定裂紋所在位置，如圖3(a)所示；③使用直接埋藏法對含裂紋試樣進行補焊，并對其中一部分試樣焊趾進行打磨處理，圖3(b)是補焊后的試樣照片；④將補焊后的試樣再次進行三點彎曲疲勞試驗，記錄疲勞循環(huán)周次并統(tǒng)計疲勞裂紋的開裂位置信息；⑤最后，切取接頭制得宏觀金相試樣，觀察裂紋擴展情況．

圖1?試驗路線

圖2?T型焊接試板及疲勞試樣尺寸(單位：mm)

圖3?補焊前后試樣

試板材料選用海洋工程結構用EH36鋼，配套焊材為GFL-71Ni藥芯焊絲，焊絲直徑1.2mm．采用GMAW焊接工藝，焊接電流為240A，焊接電壓為28V，焊接速度35cm/min，CO2保護氣流量為14L/min．補焊工序采用焊條電弧焊，選用的焊材為AWS A5.1 E7018-1 H4R，焊條直徑4.0mm．焊接電流為125A，焊接電壓為20V，焊接速度約5mm/s．三點彎曲疲勞試驗中采用的加載參數(shù)如下：應力比＝0.1，均載為33kN，動載為27kN，跨距為110mm．

1.2?數(shù)值模擬

為了對試驗的結果進行分析研究，對補焊過程以及補焊后的接頭在不同外載荷條件下裂紋附近的應力狀態(tài)進行了數(shù)值模擬計算．采用商用有限元軟件Abaqus建模，通過生死單元技術分段加載熱源來模擬焊接過程的溫度場與應力場的分布規(guī)律．EH36鋼的熱物性參數(shù)和力學性能參見文獻[14-17]所公開的數(shù)據(jù)，詳細數(shù)據(jù)如表1所示．裂紋采用的是半橢圓形裂紋，裂紋的形狀和尺寸如圖4所示．通過提取裂紋尖端在補焊后的殘余應力分布以及在外載荷作用下的應力狀態(tài)，用于分析裂紋尖端的擴展趨勢．

表1?EH36鋼的物理參數(shù)

Tab.1?Physical property of EH36 steel

圖4?裂紋形狀和尺寸(單位：mm)

2?試驗結果與討論

2.1?補焊后疲勞開裂的位置

與文獻[18]的規(guī)律類似，預制的疲勞裂紋都位于底板側的焊趾處．補焊后試樣的疲勞裂紋則出現(xiàn)在以下4個不同的位置：補焊焊道內(nèi)裂紋1；補焊焊道兩側焊趾2和3；未補焊側焊趾4，如圖5所示．圖6給出了以上4個位置出現(xiàn)的疲勞裂紋的宏觀照片．其中補焊焊道內(nèi)裂紋1是由原始裂紋繼續(xù)向外擴展至補焊焊道表面．開裂位置的統(tǒng)計結果見表2，由統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，最容易發(fā)生開裂的位置是補焊側焊趾2，其次是未補焊側焊趾4，補焊側焊趾3的開裂傾向最小.

圖5?裂紋位置示意

圖6?補焊后的疲勞裂紋形貌

從開裂位置的統(tǒng)計結果可以看出，原始裂紋擴展至焊道表面并不是發(fā)生概率最高的，而補焊形成的焊趾其實更容易萌生出新的疲勞裂紋．未經(jīng)打磨處理的焊趾的幾何形狀不連續(xù)，存在很大的應力集中現(xiàn)象，而且局部位置還可能存在缺陷，所以很容易萌生疲勞裂紋．位置1～4都是應力集中的部位，任何一個位置可能發(fā)生開裂或者裂紋擴展，在復雜的外部載荷作用下補焊后具體的開裂位置以及擴展情況是不確定的，是相互競爭的結果．

表2?裂紋位置統(tǒng)計

Tab.2?Statistics of crack position

2.2?疲勞循環(huán)周次統(tǒng)計結果

表3給出了采用直接埋藏法補焊試樣的疲勞循環(huán)周次．由表3可以看出，在同樣的加載情況下，與原始接頭相比，補焊后接頭的平均疲勞循環(huán)周次并沒有下降，還有近36%的提升，只有一個試樣的補焊后絕對值比補焊前的低．焊趾經(jīng)打磨處理的試樣的平均疲勞循環(huán)周次要比未打磨的高出16%，循環(huán)周次的極差也減少為原來的18%．

表3?補焊前后疲勞循環(huán)周次

Tab.3?Fatigue cycles before and after welding repair

補焊后試樣的疲勞循環(huán)周次取決于焊趾處的應力集中情況和原始裂紋擴展的傾向．一方面，補焊焊道對原始焊紋起到了補強的作用，使得焊趾附近承載的彎曲應力水平得到降低．另一方面，補焊焊道的收縮可能會改善裂紋最深處的應力狀態(tài)，裂紋因而更容易向焊道內(nèi)部擴展．裂紋向焊道內(nèi)部擴展時需要完全穿透補焊焊道，這個過程需要較長的時間，因而疲勞循環(huán)周次得到提高．

另外，對補焊焊趾進行打磨處理，降低了焊趾處的應力集中情況，提高了裂紋萌生階段的循環(huán)周次，從而提高總的循環(huán)周次，所以打磨處理可以進一步提高修補的質量[9-10]．

3?模擬結果與分析

如圖7所示，原始開口裂紋經(jīng)補焊后被埋藏在補焊焊道下方，為了下文論述方便，將段記為路徑1，裂紋尖端段記為路徑2．

圖8給出了補焊前后不同外載荷下兩條路徑上的應力分布．

圖8(a)是路徑1上補焊前后三點彎曲加載時的橫向應力對比結果．可以看出，由于補焊焊道凝固的橫向收縮作用，補焊后其橫向殘余應力呈現(xiàn)兩端受壓而中間受拉的特點．加載時，、段的應力比補焊前明顯降低，因此裂紋向兩端擴展的趨勢會受到抑制；而段(裂紋處)則存在很大的拉伸應力，可達400MPa左右，所以被埋藏的原始裂紋有很強的向補焊焊道內(nèi)擴展的趨勢．

圖7?裂紋尖端示意

路徑2補焊前后的應力分布如圖8(b)所示．補焊后該路徑上、兩點之間出現(xiàn)了殘余壓應力，其中最深處殘余應力為－157MPa．這是由補焊焊道的凝固收縮造成的，使得裂紋尖端向母材內(nèi)部擴展的傾向得到抑制，這正好解釋了裂紋尖端向母材內(nèi)部擴展不明顯的現(xiàn)象．補焊前三點彎曲加載時，路徑2上兩端出現(xiàn)最大應力630MPa，裂紋最深處的應力也有508MPa，應力集中大，如果不進行修補，則裂紋向母材擴展的傾向非常大．補焊后三點彎曲加載下裂紋兩端的應力降為400MPa左右；裂紋最深處的應力降為94MPa，只有補焊前的18.5%，應力狀態(tài)得到大幅度改善．這一方面是因為補焊焊道的承載作用，另一方面是由于補焊焊道的收縮在路徑2的一定深度處形成了壓應力，該壓應力抵消了一部分外部載荷．因此原始裂紋繼續(xù)擴展的驅動力大幅下降．

圖8(c)給出了補焊后試樣進行三點彎曲加載時，路徑1與路徑2上的應力對比情況．可以看出在尖端處，路徑2上的應力水平整體上要比路徑1的小得多，尤其是中部的位置．所以，原始裂紋更容易向補焊焊道側擴展，而向母材內(nèi)繼續(xù)擴展的傾向則要低得多．

圖8(d)給出了T型接頭底板在受單軸(向)拉伸載荷時路徑2上的應力分布情況．由于路徑2中間部位殘余壓應力的存在，抵消了一部分外部拉應力，使得該處的實際應力大幅降低，可有效阻止裂紋向母材擴展的趨勢，這與三點彎曲加載的結果是一致的．如裂紋最深處的應力由補焊前的480MPa下降到補焊后的320MPa．因此，無論補焊后接頭承受三點彎曲還是拉伸載荷，裂紋向母材內(nèi)部繼續(xù)擴展的可能性都大大降低．

圖8?不同載荷下裂紋尖端應力分布

4?結?論

(1) 采用所提出的直接埋藏法補焊后的試樣再次進行疲勞試驗時，新的疲勞裂紋主要出現(xiàn)在補焊焊道的兩側焊趾、補焊焊道內(nèi)部和未補焊側焊趾這4個位置．其中補焊焊道的外側焊趾處最容易再次發(fā)生開裂．

(2) 疲勞裂紋缺陷被直接埋藏法修補后，接頭的疲勞壽命不但沒有下降反而有一定程度的提升，打磨補焊焊趾可以進一步提升接頭的疲勞性能．

(3) 模擬結果表明補焊焊縫的冷卻收縮在被修補裂紋的尖端產(chǎn)生較大的壓縮應力，它會抵消一部分外部載荷，有助于抑制或延緩裂紋進一步向母材內(nèi)部擴展．

(4) 補焊后接頭在三點彎曲載荷作用下，裂紋最深處的應力由補焊前的508MPa降為補焊后的94MPa；單軸拉伸載荷時由補焊前的480MPa降為補焊后的320MPa，兩種情況下裂紋尖端的橫向應力水平都得到顯著改善．

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Repair of Fatigue Crack Defects by Direct Burial Method

Cheng Fangjie1, 2，Kong Kangqian1，Ouyang Zhongyu1

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China)

The removal of an original fatigue crack defect and preparation of a groove are difficult steps in underwater welding repair projects during the safety maintenance of offshore platforms. Therefore, a direct burial method without direct removal of the original crack defects is proposed to repair fatigue crack defects. To explore the feasibility of this method, simulated welding repair specimens were prepared on land. The fatigue tests of the repaired specimens were adopted to analyze the initial positions of the fatigue cracks after direct burial method repair, fatigue cycles of specimens before and after welding repair and the effect of grinding them. Abaqus was used to calculate the residual stress generated by welding repair and the repaired specimens’ stress at the crack tip under different external loads. Results revealed that the new fatigue crack mainly initiates at the weld toe of a repaired weld and the repaired weld bead. The average fatigue cycles after welding repair did not decrease, and instead increased by 36%. The fatigue cycles of the repaired weld joint with polished toe improved by 16%. The numerical simulation results show that the shrinkage of the welding repair produced a residual stress of -157MPa at the deepest point of the crack. In the case of a three-point bending load, the stress at the deepest point of the crack was reduced from 508MPa before the welding repair to 94MPa after. When uniaxial tension was applied, the stress at the deepest point of the crack was reduced from 480MPa before welding repair to 320MPa after welding repair. The results indicate that residual compressive stress caused by welding repair using the direct burial method accounts for the delay or prevention of the original crack expanding to the base metal. Therefore, the direct burial method can repair a fatigue crack in underwater welding repair projects.

fatigue crack；burial method；welding repair；finite element method

TG405

A

0493-2137(2020)05-0502-06

10.11784/tdxbz201904064

2019-04-25；

2019-05-22.

程方杰（1971—??），男，博士，教授.

程方杰，chfj@tju.edu.cn.

(責任編輯：田?軍)