李 森,李澤邦,張 寧,劉 曉,張紅巖,洪曉莉

(1.青島海洋工程水下設(shè)備檢測(cè)有限公司,山東 青島 266000;2.青島海檢集團(tuán)有限公司,山東 青島 266000)

1 引 言

張力腿平臺(tái)是深海油氣開采的主流平臺(tái)形式之一,國(guó)外在建及服役的張力腿平臺(tái)超過30座。在我國(guó),張力腿平臺(tái)在深海油氣行業(yè)內(nèi)也有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。張力腿筋腱是張力腿平臺(tái)的系泊系統(tǒng),服役時(shí)承受深海惡劣的工況條件,并要保證平臺(tái)橫搖、縱搖和垂蕩等外運(yùn)動(dòng)性能,這對(duì)張力腿筋腱材料的強(qiáng)度、韌性有極高的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)要求。一般情況下,張力腿筋腱要占到平臺(tái)造價(jià)的25%～40%。當(dāng)前,張力腿筋腱產(chǎn)品的生產(chǎn)主要集中在歐美中的幾個(gè)廠家[4-6]。

張力腿筋腱與連接器、張力腿管段等結(jié)構(gòu)之間主要通過焊接形式連接,焊接質(zhì)量成為張力腿平臺(tái)建造的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)之一。然而,在焊接過程中,焊縫容易出現(xiàn)缺陷和組織變化[7,8]。由于長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中,焊接缺陷容易成為張力腿最薄弱的部位。在寒冷海水、地震、海嘯等惡劣環(huán)境的影響下,這些缺陷易導(dǎo)致裂紋萌生、擴(kuò)展甚至不穩(wěn)定斷裂。因此,除了張力腿筋腱母材斷裂韌性研究外,對(duì)焊縫斷裂韌性的研究也十分重要。

裂紋尖端張開位移(CTOD,crack tip opening displacement)試驗(yàn)是評(píng)定張力腿筋腱焊接接頭斷裂韌性的一種有效方法。CTOD值越大,表明裂紋尖端處材料抵抗開裂的性能越好。由于焊接接頭是非均質(zhì)體,CTOD值能夠直接反映出裂紋尖端處材料組織的韌性[9-12]。

2 試驗(yàn)方法和過程

2.1 試驗(yàn)材料

張力腿筋腱的材質(zhì)是X70,張力腿筋腱材料的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值見表1,主要力學(xué)性能實(shí)測(cè)值:屈服強(qiáng)度為548MPa,抗拉強(qiáng)度為632MPa,伸長(zhǎng)率為45%。

表1 張力腿筋腱化學(xué)成分

張力腿筋腱采用的管道直徑914mm,壁厚38.1mm;焊接方法為氬弧焊(GTAW)+埋弧焊(SAW)復(fù)合焊接工藝,焊接位置為5G(GTAW)+1G(SAW)。焊接材料選用Pipeliner 80Ni1(Lincoln)+LA-84(Lincoln)。

2.2 試驗(yàn)方案和流程

本試驗(yàn)采用單邊切口彎曲試樣,根據(jù)BS 7448-2:1997和BS 7448-1:1991預(yù)制疲勞裂紋,并依據(jù)BS 7448-2:1997判定焊接接頭斷裂韌性測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性[13,14]。

測(cè)試設(shè)備包括高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)(GPS-300)、微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(SHT5106-P)、電子引伸計(jì)(YYU-4/10)。其中,高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)用于預(yù)制裂紋,微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用于CTOD試驗(yàn),電子引伸計(jì)用于在試驗(yàn)過程中記錄試樣張開位移數(shù)據(jù)。為了模擬深海環(huán)境溫度,試驗(yàn)時(shí)采用溫度為4℃。

焊縫金屬試樣的缺口位置是在一個(gè)名義上的中心線,熱影響區(qū)試樣切口位置位于熔合線。本次試驗(yàn)計(jì)劃采用9個(gè)試樣,分別是焊縫試樣3個(gè)、熱影響區(qū)試樣3個(gè)、母材試樣3個(gè),試樣編號(hào)分別為W1、W2、W3,H1、H2、H3,B1、B2、B3。如果有單個(gè)試樣未滿足要求,需選同位置的3個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn),且結(jié)果皆滿足要求。

在加工之前,所有試樣編號(hào)都明確標(biāo)記在試樣兩端。通過電火花線切割預(yù)制貫穿厚度的裂紋,其在機(jī)械缺口前端形成一個(gè)不大于60°的尖角,尖角的名義半徑不大于0.12mm。機(jī)械缺口深度近似為0.33W(W為試樣寬度)。每個(gè)試樣在預(yù)制疲勞裂紋之前,通過局部壓縮法釋放殘余應(yīng)力,壓塊直徑為25mm,試驗(yàn)機(jī)為液壓試驗(yàn)機(jī)SHT5106-P。試樣每個(gè)面的壓痕深度為0.10mm～0.15mm。在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)GPS-300上預(yù)制疲勞裂紋,試驗(yàn)頻率為80Hz,應(yīng)力比為0.1,試驗(yàn)溫度為室溫, 最大載荷為15kN。裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度通過視像觀察測(cè)量,預(yù)制過程中控制兩邊裂紋長(zhǎng)度差小于1mm。

本次試驗(yàn)由于曲率影響,加工試樣按照最大厚度原則,試樣厚度B=W=32mm。試樣加工如圖1所示(B是厚度,W是寬度,W=B,a=(0.45～0.7)W,缺口寬度=0.065W,表面粗糙度的單位為微米)。

圖1 試樣加工圖

含預(yù)制裂紋的試樣制備完成后進(jìn)行主試驗(yàn)。按照BS7448的要求,主要過程如下:在電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣定位和調(diào)整;安裝好低溫槽,向其內(nèi)倒入冷卻介質(zhì),并加入干冰進(jìn)行降溫;使用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)溫度,直到溫度降至4℃。

試驗(yàn)開始加載,待載荷-位移曲線開始下降后停止試驗(yàn),并迅速取下引伸計(jì)。試樣從低溫槽中取出后,迅速在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上利用三點(diǎn)彎曲壓頭快速加載,將其壓斷為兩半,做好標(biāo)記后拍照。最后,測(cè)量裂紋長(zhǎng)度,分別在兩個(gè)半段試樣厚度方向測(cè)量9個(gè)裂紋長(zhǎng)度。

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,得到CTOD值[15-17]。CTOD值計(jì)算公式:

3 結(jié)果與分析

3.1 CTOD試驗(yàn)結(jié)果

CTOD測(cè)試結(jié)束后,根據(jù)原始數(shù)據(jù)和載荷-位移曲線,按照公式計(jì)算CTOD值,如表2所示。根據(jù)BS 7448-2∶1997的規(guī)定,每組3個(gè)試樣,有效試樣的平均CTOD值不應(yīng)小于0.35mm,任何有效樣本的最低CTOD值不應(yīng)小于0.30mm,據(jù)此對(duì)其有效性進(jìn)行判定。

表2 CTOD試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,張力腿筋腱在各個(gè)區(qū)域的CTOD值都比較高。焊縫第一組檢測(cè)的3個(gè)試樣CTOD值分別為0.62mm、0.14mm、0.64mm,第2個(gè)試樣的CTOD值小于0.30mm,故選取臨接材料1組3個(gè)試樣進(jìn)行重試,其編號(hào)分別為W4、W5、W6,CTOD值分別為0.55mm、0.48mm、0.61mm,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

熱影響區(qū)試樣CTOD值分別為0.75mm、0.67mm、1.01mm,均大于0.35mm,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。母材處CTOD值分別為0.93mm、0.88mm、0.83mm,均大于0.35mm,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

CTOD值最大可達(dá)1.01mm(熱影響區(qū)),最小為0.48mm(焊縫),CTOD平均值從高到低依次為母材、熱影響區(qū)、焊縫。母材抗裂能力強(qiáng),且數(shù)據(jù)較為均勻,具有良好的韌性。結(jié)果表明,母材的抗裂性能最好,熱影響區(qū)的抗裂性能略差,焊縫的抗裂性能最差。

3.2 宏觀斷口分析

試樣宏觀斷口形貌如圖2所示,焊縫宏觀斷裂處出現(xiàn)分層裂紋,其原因主要是由于材料中存在夾雜、氣孔、偏析和帶狀組織等缺陷。在試驗(yàn)過程中,這些缺陷的尖端部分會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中,對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展有一定的影響,從而使缺口根部出現(xiàn)分層裂紋,這也是焊縫CTOD韌性評(píng)價(jià)值較差的原因。

(a)母材 (b)熱影響區(qū) (c)焊縫

典型斷裂可分為脆性裂紋擴(kuò)展斷裂和穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展斷裂兩種。脆性裂紋擴(kuò)展斷裂由5個(gè)部分組成,由下至上依次為加工缺口、預(yù)裂紋、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)、不穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和破碎區(qū)。與脆性裂紋擴(kuò)展斷裂相比,穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展斷裂不存在不穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。從圖2可以看出,母材的缺口破碎區(qū)域較為平整,這與塑性變形過程中裂紋尖端存在大量位錯(cuò)滑移有關(guān)。熱影響區(qū)的缺口呈現(xiàn)塊狀和層狀裂紋,這主要是由于其組織較為復(fù)雜,晶粒大小不一,而且有部分應(yīng)力集中所造成的。

4 結(jié) 論

張力腿筋腱焊接接頭各區(qū)域的CTOD值普遍較高,這表明該焊接接頭具有良好的斷裂韌性和抗開裂性能。各區(qū)域的CTOD值由高到低依次為:母材、熱影響區(qū)和焊縫,即母材韌性最好,熱影響區(qū)韌性稍差,焊縫韌性最差。

張力腿筋腱焊縫存在一定數(shù)量的孔隙和夾雜物,這些孔隙和夾雜物對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展有一定的影響。這些缺陷容易在斷口表面產(chǎn)生分層裂紋,導(dǎo)致焊縫CTOD值相對(duì)較低。