劉長軍,龔偉忠,曾 鑫,徐秀清,劉俊杰,談建平
(華東理工大學(xué)1.承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2.機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200237;3.中國石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院,西安 710000)
9Ni鋼具有強(qiáng)度高、低溫韌性好、熱膨脹系數(shù)小以及焊接性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[1-2],是深冷設(shè)備的理想材料,廣泛應(yīng)用于大型低溫液化天然氣(LNG)儲罐[3-5]。LNG儲罐體積龐大,其整體結(jié)構(gòu)中不可避免存在大量被視為薄弱結(jié)構(gòu)的焊接接頭,因此在LNG儲罐特殊低溫(-162 ℃)環(huán)境下對焊接接頭的力學(xué)性能和儲罐安全性進(jìn)行評估至關(guān)重要。
9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)參數(shù)是LNG儲罐失效評定曲線建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前,已經(jīng)對9Ni鋼在LNG儲罐低溫環(huán)境下的力學(xué)性能開展了一些研究。王國平等[6]開展了超低碳9Ni鋼焊接接頭和模擬焊接熱影響區(qū)低溫韌性的研究,發(fā)現(xiàn)在多道焊熱影響區(qū)組織中的馬氏體板條間析出了逆轉(zhuǎn)奧氏體,這種組織能提高焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。張敏等[7]進(jìn)行了國產(chǎn)9Ni鋼焊接及熱處理工藝研究,結(jié)果顯示國產(chǎn)9Ni鋼接頭的低溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度均滿足美國材料試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)要求。朱青松等[8]分別采用手工電弧焊和埋弧焊對9Ni鋼板進(jìn)行焊接,結(jié)果顯示兩種焊接方法的焊接接頭都具有高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊和彎曲性能。然而,基于室溫和低溫下9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)建立失效評定曲線少有研究。
在失效評定技術(shù)方面,基于J積分理論發(fā)展起來的失效評定圖(FAD)法是國際上公認(rèn)的方法。應(yīng)用最為廣泛的英國R6標(biāo)準(zhǔn)[9]對含缺陷均質(zhì)材料構(gòu)件的安全評價(jià)提供了3種選擇:R6選擇1曲線、R6選擇2曲線和R6選擇3曲線。R6選擇1曲線[10]是一條通用的、起篩選作用的簡單而保守的失效評定曲線(FAC),該曲線與結(jié)構(gòu)形式、材料和外載均無關(guān);R6選擇2曲線是AINSWORTH[11]發(fā)展的參考應(yīng)力J積分失效評定曲線,該曲線與結(jié)構(gòu)形式和加載方式無關(guān),僅取決于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,計(jì)算簡單;R6選擇3曲線[12]是一條精確的失效評定曲線,與材料、裂紋幾何尺寸和外載均有關(guān),其計(jì)算工作量很大,尤其是對三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算量巨大,在一般的工程中應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。早期焊接接頭都選擇母材與焊縫兩者中強(qiáng)度較差一方的材料作為接頭材料開展研究,用均質(zhì)材料缺陷評定方法對含缺陷接頭進(jìn)行安全評價(jià)。目前,失效評定技術(shù)鮮有在LNG儲罐等低溫設(shè)備上應(yīng)用,而且通用的R6選擇1曲線是否包絡(luò)9Ni鋼及其接頭,用強(qiáng)度較弱一方的均一材料對焊接接頭進(jìn)行安全評定是否合適,有待進(jìn)一步探討。
作者通過試驗(yàn)測試了9Ni鋼焊接接頭在室溫(20 ℃)和低溫(-158 ℃)下的拉伸和斷裂性能,對比分析了軋制鋼板取樣方向?qū)δ覆囊约皽囟葘δ覆?、接頭和焊縫性能的影響;基于不同試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了9Ni鋼焊接接頭的失效評定曲線并進(jìn)行了對比分析。
試驗(yàn)用9Ni鋼及其焊接接頭由西安中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所提供。9Ni鋼板厚度為12 mm,熱處理工藝為淬火+回火;焊接方法采用埋弧自動對接焊工藝,焊絲為ERNiCrMo-4,焊劑為Marathon104,焊接方向和軋制方向平行。
分別按照GB/T 228.3-2019和GB/T 228.1-2010,在INSTRON 8801型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫(-158 ℃)和室溫(20 ℃)拉伸試驗(yàn),拉伸試樣尺寸為φ12 mm×80 mm,標(biāo)距為40 mm,分別取接頭、母材和焊縫試樣。母材拉伸試樣的取樣方向有兩種,試樣軸線平行于焊縫方向和垂直于焊縫方向;接頭拉伸試樣的軸線垂直于焊縫方向,焊縫位于試樣中心位置;焊縫拉伸試樣的軸線平行于焊縫。每一種試樣各進(jìn)行3組平行試驗(yàn)并取平均值。
按照GB/T 21143—2014在INSTRON 8801型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫(-158 ℃)和室溫(20 ℃)斷裂韌性試驗(yàn),采用緊湊拉伸(CT)試樣,具體幾何尺寸如圖1所示。CT試樣分為母材和焊縫試樣兩種:母材試樣的取樣方向有兩種,預(yù)制裂紋分別平行和垂直于焊縫方向;焊縫試樣的預(yù)制裂紋平行于焊縫。每一種試樣各進(jìn)行3組平行試驗(yàn)并取平均值。
圖1 CT試樣的形狀和尺寸
為了分析9Ni鋼母材在室溫及低溫下拉伸性能的差異,分別在母材室溫和低溫拉伸斷口附近取樣,使用JEM-2100型透射電鏡(TEM)對其組織進(jìn)行觀察,加速電壓為200 kV,放大倍數(shù)為40 000倍。
由圖2可以看出:室溫和低溫下9Ni鋼焊接接頭母材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀類似,屈服平臺長度相差不大,但低溫下母材的斷后伸長率明顯高于室溫;室溫和低溫下焊接接頭和焊縫的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線均無屈服平臺,但焊縫試樣拉伸斷裂后的工程應(yīng)變可以達(dá)到一個(gè)較高的值,說明焊縫的塑性優(yōu)異。
圖2 不同溫度下接頭、母材和焊縫試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線
由表1可以看出:9Ni鋼焊接接頭母材垂直和平行于焊縫方向的室溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相差約0.2%和0.5%,可以認(rèn)為取樣方向?qū)δ覆氖覝乩煨阅軒缀鯖]有影響;在低溫下母材、接頭和焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比于室溫都有較大的提高,其中低溫下母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較室溫均提升了36%以上。低溫下母材強(qiáng)度提高的主要原因在于低溫下原子間距減小,吸引力增大,克服勢阱需要的外加能量增加,同時(shí)溫度越低塑性滑移開動越困難[13-14]。此外,無論是室溫還是低溫,母材、接頭和焊縫這三者的抗拉強(qiáng)度均相差不大;而對于屈服強(qiáng)度,母材明顯遠(yuǎn)大于接頭和焊縫,且焊縫的屈服強(qiáng)度始終最小。
表1 母材、接頭和焊縫試樣在不同溫度下的拉伸性能
對于一般的材料,隨著溫度降低,位錯(cuò)的形成更易在局部形成應(yīng)力集中,導(dǎo)致解理斷裂更易發(fā)生[15]。而9Ni鋼在-158 ℃下未呈現(xiàn)變脆傾向,這與鋼中鎳含量較高相關(guān);鎳可改善材料的低溫韌性,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,同時(shí)細(xì)化晶粒,并且鎳的固溶會提高基體交叉滑移能力,減少間隙原子與位錯(cuò)的交互作用[13]。另外,由圖3可以看到,室溫拉伸后9Ni鋼母材試樣中的位錯(cuò)主要出現(xiàn)在較軟晶粒中,低溫下位錯(cuò)開動更均勻,位錯(cuò)量增加。
圖3 不同溫度下拉伸后9Ni鋼母材試樣拉伸斷口附近的TEM形貌
由圖4可以看出,9Ni鋼焊接接頭試樣在低溫拉伸時(shí)均在焊縫處發(fā)生斷裂,斷口處頸縮現(xiàn)象不顯著,室溫拉伸時(shí)則在母材處發(fā)生斷裂,斷口頸縮現(xiàn)象較顯著,并且焊縫處也出現(xiàn)了程度較小的頸縮現(xiàn)象。實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn),焊接接頭在室溫拉伸過程中,其焊縫金屬首先發(fā)生頸縮,但頸縮到一定程度時(shí)母材開始頸縮直至斷裂;其原因在于室溫下焊縫金屬在經(jīng)過強(qiáng)化階段后的強(qiáng)度高于母材(圖2)。
圖4 焊接接頭試樣在不同溫度下拉伸斷裂后的形貌
由表2可以看出:室溫下母材不同取樣方向的斷裂韌度KJC相差約1.4%,可以認(rèn)為取樣方向?qū)δ覆臄嗔秧g性幾乎沒有影響;低溫下母材的斷裂韌度明顯高于室溫下,提升約58.7%;焊縫在室溫和低溫下的斷裂韌度幾乎相同,且遠(yuǎn)低于相同溫度下的母材,推斷在室溫和低溫環(huán)境下焊縫相對于母材更易發(fā)生破壞。由拉伸性能及斷裂韌性可知,焊縫是9Ni鋼接頭的薄弱區(qū)域。
表2 母材和焊縫試樣在不同溫度下的斷裂韌度
由前文可知,早期針對非均質(zhì)焊接接頭的缺陷評定,都選擇以母材與焊縫兩者中強(qiáng)度較差一方的材料作為接頭材料開展研究,用均質(zhì)材料缺陷評定方法對含缺陷接頭進(jìn)行安全評價(jià)。對于單材料而言,R6標(biāo)準(zhǔn)[9]根據(jù)材料拉伸曲線是否有屈服平臺給出了近似選擇2曲線的建立方法。適用于無屈服平臺材料的近似選擇2曲線表達(dá)式為
(1)
N=0.3(1-σs/σb)
(2)
μ=min[0.001(E/σs),0.6]
(3)
適用于有屈服平臺材料的近似選擇2曲線表達(dá)式為
(4)
λ=1+EΔε/σs
(5)
Δε=0.037 5(1-σs/1 000)
(6)
式中:上標(biāo)dy表示有屈服平臺;Δε為屈服平臺長度。
R6選擇1曲線與材料、載荷、結(jié)構(gòu)形式均無關(guān),是一種起篩選作用的簡單而保守的失效評定曲線。為判斷R6選擇1曲線是否能對9Ni鋼焊接接頭進(jìn)行安全評定,將通用R6選擇1曲線也繪入缺陷評定圖中進(jìn)行對比研究。R6選擇1曲線的表達(dá)式為
(7)
由圖5可以看出,在整個(gè)Lr有效區(qū)間內(nèi),室溫下母材的近似選擇2曲線與低溫下幾乎重合,其包絡(luò)面積僅略低于低溫近似選擇2曲線,原因在于室溫下母材的屈強(qiáng)比(σs/σb)和低溫時(shí)非常接近,分別為0.937和0.942。因此,可用母材室溫拉伸性能代替低溫拉伸性能構(gòu)建失效評定曲線,對含缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行保守評價(jià)。另外,在整個(gè)Lr有效區(qū)間內(nèi),室溫下焊縫的近似選擇2曲線包絡(luò)面積小于低溫下的近似選擇2曲線包絡(luò)面積,故可用焊縫室溫拉伸性能代替低溫拉伸性能構(gòu)建失效評定曲線,對含缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行保守評價(jià)。
圖5 基于不同溫度下母材和焊縫單材料性能建立的近似選擇2曲線
(8)
(1)9Ni鋼焊接接頭母材在不同方向上的室溫強(qiáng)度以及室溫和低溫?cái)嗔秧g度幾乎相同;低溫下母材的強(qiáng)度較室溫提升36%以上,斷裂韌度提高約58.7%;低溫下接頭和焊縫的拉伸性能優(yōu)于室溫,焊縫的斷裂韌度基本不隨溫度改變;不同溫度下焊縫的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度均低于母材。焊縫是9Ni鋼焊接接頭的薄弱區(qū)域。
(2)由母材和焊縫室溫拉伸性能構(gòu)建的近似選擇2失效評定曲線包絡(luò)區(qū)域面積均略小于由低溫拉伸性能構(gòu)建的近似選擇2失效評定曲線,故可用室溫拉伸性能構(gòu)建近似選擇2曲線對9Ni鋼焊接接頭進(jìn)行評定。