（材料加工工程专业论文）输水管道断裂力学性能研究及安全评定.pdf

摘要 本文依据相关的国际( b s 7 4 4 8 ：p a r t l ) 和国内标准( g b 2 3 5 8 8 6 ) 测试了水电站 输水管道用钢w h 5 3 0 的断裂韧度值( 不同温度下c o d 值和常温下j 积分值) 和力学性能。在断裂韧度试验的基础上，利用大型有限元软件a n s y s 模拟输水 管道的受力情况，分析管道的应力分布情况。在上述基础上，根据a s m e 锅炉 压力容器规范中管道缺陷评定规范和p d 6 4 9 3 9 1 焊接结构缺陷验收评定方法评 定水电站输水管道在工况下的安全性能。 试验结果表明：在常温下水电站管道用钢w h 5 3 0 接头各部位中，母材 的断裂韧度最大，热影响区和焊缝次之，熔合区的断裂韧度值最差；从管道的 应力分布图可以得到，在开孔附近存在严重的应力集中现象。评定结果表明： 输水管道能够满足工况下的要求，具有足够的安全裕度，但以a s m e 为 评定标准评定的结果的安全裕度大于以p d 6 4 9 3 9 1 为标准的评定结果一 关键词压力管道 “合于使用”断裂韧度有限元 安全评定 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ef r a c t u r et o u g h n e s s ( c o da n dj - i n t e g r a l ) a n d m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n gj o i n ta tr o o mt e m p e r a t u r ei nn e wp r e s s u r ep i p e ，w h 5 3 0 u s e df o rh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nh a v eb e e nm e a s u r e di na c c o r d a n tw i t hg b 2 3 5 8 _ 8 6a n db s 7 4 4 8 ：p a r t l b a s e do n t h ee x p e r i m e n t s ，t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，a n s y s h a v eb e e ne m p l o y e dt os i m u l a t i n gt h ec o n d i t i o no fp i p el o a d i n ga n da n a l y z i n gt h e p i p i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt oa s m e a n dt h et h r e el e v e ra s s e s s m e n to f p d 6 4 9 3 9 1 ，t h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fp i p eh a v eb e e nc a l c u l a t e do nb a s i so ft h e s e r e s u l t s i ns h o r t ，b a s i cm e t a lh a st h eb e s tf r a c t u r et o u g h n e s s ，t h es e c o n di sh a za n d w e l d e dm e t a l ，t h et h i r di sf u s i o nz o n ea tr o o mt e m p e r a t u r ea m o n gd i f f e r e n tp a r t so f w e l d i n gj o i n t i n p r e s s u r ep i p e w h 5 3 0 r e f e r e n c et ot h ed i a g r a mo ft h es t r e s s d i s t r i b u t i o n ，s t r e s s c e n t r a l i z a t i o nn e a rt h em a n h o l ei sd i s c o v e r e d i na d d i t i o n ，t h e s t a b i l i t yo fp r e s s u r ep i p ec a nm e e t t h er e q u i r e m e n to f w o r k i n gc o n d i t i o na n d t h ep i p e h a v ee n o u g hs a f e t y , b u tt h es a f ea s s e s s m e n td e g r e ei na c c o r d a n c ew i t ha s m ei s l a r g e rt h a np d 6 4 9 3 9 1 k e yw o r d s ：p r e s s u r ep i p e f i t n e s sf o r p u r p o s e f r a c t u r et o u g h n e s s f i n i t ee l e m e n t s a f e t ya s s e s s m e n t 天津大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引吉 压力管道在国民经济中占有重要的地位，广泛地应用于能源交通、石油化 工、机械工程等领域。由于管道经常承受高温、高压的恶劣工作条件以及内部 充满易燃、易爆、有毒、腐蚀等介质，一旦管道发生泄露和爆破将带来可怕的 后果，不仅影响正常生产秩序的进行而且直接威胁工人的生命安全。因此保证 管道的安全可靠的使用具有重要的现实意义。压力管道是一种典型的焊接结构， 在其制造、安装和使用过程中，尤其是在焊接接头设计不合理时，焊缝及其近 缝区不可避免地会存在各种形式的焊接缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、 未熔合、咬边、错边等。由于焊接过程常使焊接接头的组织性能劣化及焊接 缺陷产生严重的应力集中，使焊接缺陷处成为整个压力容器和管道中最薄弱部 位，易产生裂纹启裂、扩展甚至失稳断裂 2 。因此保证含缺陷管道在有效期内 安全的使用，合理地延长管道的寿命，必须对管道的安全性作出评定。 “合于使用”原则是针对“完美无缺”原则而言的。在焊接结构的发展初 期，要求结构在制造和使用过程中均不能有任何缺陷存在，即结构应完美无缺， 否则就要返修或报废；后来曾任英国焊接研究所所长之职的e d g a rf u c h s 通过 大量试验证明：在铝合金焊接接头中，纵然有大量的气孔，对该接头的强度无 任何不利影响，而返修却会造成结构或接头使用性能的降低。基于这一研究， 英国焊接研究所首先提出了“合于使用”的概念。在断裂力学出现和广泛应用 后，这一概念更受到了人们的注意与重视，成为焊接结构长期研究的中心课题 之一。现已逐渐发展成为原则，内容也逐渐得到充实，并且有了明确的定义。 目前“合于使用”这一原则或手段与“完整结构”在概念上的区别是它明 确地承认焊接结构具有存在构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，但是在 建立于诸如应力分析、断裂力学、材料试验、质量检查、无损探伤等科学方法 研究的基础上，“合于使用”原则要客观地保证结构不发生任何已知机制的失效 事故，因此该原则为焊接结构设计、制造和操作提供了一个有效的手段。显然 这一原则的基础是理论分析和实验测试的科学方法，它取代了“完美无缺“的 经验性方法。换句话说，“合于使用“原则对设计、制造人员的要求更高了，而 不是象有人片面误解的那样，认为“合于使用”原则是对结构的质量降低了要 求。 “合于使用”原则可应用于不同目的，如用来在设计阶段确定构件尺寸的 允许偏差和缺陷的允许值：用来确定在给定尺寸偏差和缺陷尺寸下的设计应力、 盔堡查兰堡! ：堡茎! 主兰塑坠 所需的材料性能、构件缺陷验收标准等0 1 。 目前一些国家都建立了自己的基于“合于使用”原则的评定标准，象美 国机械工程协会( a s m e ) 制定的锅炉与压力容器规范”1 、中国的c v d a 一8 4 “。 标准、日本w e s 一2 8 0 5 1 标准、英国标准协会( b s i ) 的p d 6 4 9 3 - - 1 9 9 1 ”1 和英 国中央电力局( c e g b ) r h r 6 一r e v 3 “7 1 等。这些标准为断裂力学在工程上的应 用以及保证工程制造水平的科学性奠定了基础。 1 2 焊接评定方法综述 5 1 2 1 采用k 准则的缺陷评定方法 采用k 准则的缺陷评定方法是以k 准则为基础，将缺陷处的应力强度因子 k i 与断裂韧度k 。相比较，若k ， k ，。则裂纹启裂扩展，反之则为安全。 这种方法是建立在线弹性断裂力学基础上，只适用于裂纹在启裂扩展前， 在裂纹尖端只有很小的塑性区的情形。在实际情况中，只有在高强钢厚壁容器 或低温的条件下才可能出现。由于理论严密，在防止厚壁容器脆断的缺陷评定 问题中得到了有效的应用。对于一些采用中低强度钢的焊接接构，由于钢材的 韧性较好，线弹性断裂的情形不多，限制了k 准则的有效应用。 1 2 2 采用c o d 准则的缺陷评定方法 采用c o d 准则的缺陷评定方法是以c o d 参量为基础，将缺陷处的裂纹张 开位移5 i 与6 。相比较，若6 。 6 ，。裂纹要启裂扩展，反之则为安全。 国际焊接协会( i i w ) 于1 9 7 5 年提出的“按脆性失效观点评定焊接缺陷危 害性的建议方法”“3 是较早采用c o d 准则进行评定的规范。这个规范的特点是 采用曲线的形式，即著名的c o d 设计曲线方法。该曲线的横坐标为e e 。，纵坐 标为6 2ne 。a ，分别为无量纲化的应变和裂纹张开位移。评定时，计算出评定 点的坐标，若评定点位于设计曲线之下为安全，位于设计曲线之上则为失效。 评定曲线在设计的时候就已经包含了安全系数。曲线的前半部分的安全系数为 2 ，后半部分的为2 5 。 该曲线是条以试验为基础的半经验设计曲线，在一定程度上能够反映实 际情况，因此在一些国家比如英国和组织如国际焊接协会( i i w ) 曾经得到过广 泛的应用，尤其在防止焊接结构因缺陷引起的脆断的问题上发挥了较大的作用。 一2 一 天津大学硕士论文 第一章绪论 但由于c o d 理论固有的弱点，c o d 参量并不能直接精确地表征裂纹尖端的 弹塑性应变场，作为一种半经验的方法在应用过程中也存在不符和实际情况的 地方。因此要精确地评定焊接缺陷，这种方法还存在不足的地方。 在国际上，英国标准协会( p s i ) 制定的w e e 3 7 h 、p d 6 4 9 3 - - 1 9 8 0 “3 ，日 本焊接协会( j w s ) 的w e s 2 8 0 5 k - - 1 9 8 3 “3 ，中国的压力容器缺陷评定规范c v d a 一1 9 8 4 都是采用c o d 参量作为焊接结构评定的依据。其中c v d a 1 9 8 4 是参照 国外和国内二十余个单位的研究成果后提出的，对曲线进行了一定的修改，提 高了安全裕度，在我国的压力容器缺陷安全评定中得到了一定的应用。目前，我 国正在制定新的评定规范，新的在役含缺陷压力管道安全评定规范的面世，将推 动我国压力容器缺陷安全评定进一步发展 1 2 3 采用j 准则和失效评定图( f a d ) 技术的评定方法 j 积分是一个定义明确，理论严密的参量，能精确地描述裂纹尖端的弹塑 性应力应变场的状况，因此采用j 积分参量的评定方法与k 参量和c o d 参量的 评定方法相比具有不可比拟的优越性。 1 9 8 1 年t u r n e r 最早提出了j 积分设计曲线“，1 9 8 5 年英国焊接协会以 报告的形式发表了“以c o d 准则为基础的弹塑性断裂评定方法”“，在该方法 的高级评定中已将j 积分公式考虑进去。 当材料的韧性很高时，失效前材料处于完全的塑性状态，结构的失效模式 是由材料特性和力学状态决定的流变破坏，其安全性由结构的极限载荷控制。 对于这种情况，仅采用单个参量不管是k 、c o d 或j 作为制订缺陷评定规范的基 础显然都难以适用。因此d o w l i n g 和t o w n l y 于1 9 7 5 年率先提出了双判据的思 想，将载荷也作为一个判据考虑进去“，进而在此基础上发展成了将三种不同 失效模式包括进去的加以综合分析的失效评定图。 采用j 准则和失效评定图( f a d ) 技术的评定方法中最典型的代表是英国 中央电力局c e g b 的r h r 6 “有缺陷结构完整性评定方法”。该准则于1 9 7 6 年“3 提出，后经多次的修改，现已有第三个修订版，即新r 6 方法。此外a s m e 锅 炉压力容器规范第卷中的i w b 一3 6 5 0 及附录c 奥氏体管道缺陷评定准则 和i w b 一3 6 5 0 及附录z 铁素体管道缺陷评定准则中都是以j 积分为判据来评 定管道的安全性能。 一3 一 盔堡查兰塑主堡兰丝二皇! i 鱼 研究表明：塑性状态与线弹性状态相比，屈服流动将大大影响裂纹断裂的 驱动力，这种影响不是线性的，因此在建立评定曲线时需考虑应变强化的影响， 即是要考虑材料的应力一应变曲线的影响；当材料韧性较高时，结构的断裂是一 个包括启裂、稳定扩展、失稳扩展的复杂过程，缺陷评定方法应能适应分析这 一过程的需要。 新r 6 方法的特点如下：( 1 ) 其弹塑性断裂评定是以j 积分为基础，不再 沿用以d - m 模型为基础的老评定曲线，而且考虑了材料的应变强化；( 2 ) 提供 了三种不同选择的评定曲线和三种不同的失效分析方法以满足工程的不同需 要。 1 3 本文的研究目的和内容 随着改革开放进一步深化，电力资源的消耗逐年增加，这说明我们需要更 多的电力来支持国民经济的飞速发展。大型水电站的建立和扩充原有机组容量 无疑是解决方案之一。目前正在建设的三峡水电站和小浪底工程就是其中的一 部分。在建设水电站和扩充机组容量过程中，输水管道安全性直接关系到整个 工程的安全性。一旦输水管道发生泄露或破坏将造成无法估计的经济损失和人 员伤亡。因此在水电站的建设过程中，输水管道的安全性一直是关注的焦点。 大型水电站中，输水管道的拼接是靠焊接来完成的。由于管道特别巨大和 焊接工艺固有的特点，在焊缝接头处易产生焊接缺陷。如果不能及时发现和修 补这些缺陷，在以后的施工和使用过程中会在缺陷处产生大的裂纹而导致整个 结构的破坏。因而对大型水电站中输水管道焊接接头的缺陷进行安全评定，使 其在施工和使用过程中不发生破坏具有重大的现实意义。 本文通过断裂韧度试验，测试了水电站输水管道用钢w h 5 3 0 常温下焊接接 头不同部位的断裂韧度值，同时在应用j 积分工程估算方法和有限元计算的基 础上依据a s m e 锅炉及压力容器规范第x i 卷中给出的针对核管道缺陷评定规 范：i w b 一3 6 5 0 及附录z 铁素体管道缺陷评定准则和英国的p d 6 4 9 3 1 9 9 1 焊 接结构缺陷验收评定方法指南对水电站中输水管道的安全性进行评定。为此 做了以下五方面的工作： 1 ) 测试了水电站管道用钢w h 5 3 0 常温下焊接接头不同部位的j 。，值、 不同温度下c o d 值和w h 5 3 0 钢在常温下力学性能。 、 d 天津大学硕士论文 第一章绪论 2 )在断裂韧度试验的基础上，建立有限元模型，对输水管道进行有限 元分析。 3 )根据a s m e 锅炉及压力容器规范第x i 卷中给出的针对核管道缺陷 评定规范：i w b - 3 6 5 0 及附录z 铁素体管道缺陷评定准则对输水管 道的安全性进行评定。 4 ) 依据英国的p d 6 4 9 3 1 9 9 1 焊接结构缺陷验收评定方法指南对输 水管道的缺陷进行评定。 5 一 墨堡盔堂堡主兰竺堡塞 星三里垦垄笪堕塑型塑垦! 墨鱼 第二章压力管道断裂韧度试验 压力钢管是水电站的主要组成部分，承受较大的内水压力，并且是在不稳 定的水流下工作，因此要求压力钢管具有较高的强度和韧度。本章所讨论的压 力钢管是国内目前水电站中常用的压力钢管用钢w h 5 3 0 ，而焊接材料的选择既 要考虑焊接方法又要结合现场施工的条件，最后经过严密的筛选，选定比母材 强度高的j 5 5 7 焊条。由于要评定管道的安全性能，建立管道的失效评定曲线必 须j ，解管道的力学性能、焊缝材料和一些必要的断裂韧度指标。为此做r 母材 和焊缝金属的力学性能试验、焊接接头各部位在常温下的j ，值和在低温下不同 温度区间焊接接头的c t o d 值。 2 1 材料的力学性能试验 2 1 1 拉伸试验 根据g b 2 2 8 - - 8 7 金属拉力试验法标准的要求进行。试样几何尺i 1 _ 和 形状如图2 - 1 所示。试验在3 0 0 k n 万能材料试验机上进行。试验时通过载荷传 感器和夹式引伸计记录载荷p 和相应的试件伸长量a1 。试验曲线如图2 - 2 所示。 图2 1 母材和焊缝金属拉伸试样尺寸示意 拉伸试验后，得到焊接接头在常温下的力学性能。如表2 1 所示 表2 - 1w h 5 3 0 焊接接头各部位力学性能 接头部位 l屈服强度o , m p aj抗拉强度o 。m p a 母材f3 8 0l5 5 3 焊缝l4 3 8j5 6 0 丕堡查兰堡主堂垡丝塞 笙三兰堡查笪堂堑型塑垦! 查堕 图2 - 2 拉伸曲线p 一l 图 2 2c o d 断裂韧度试验 根据g b 4 2 9 1 8 6 裂纹张开位移( c o d ) 试验方法和b s7 4 4 8 ：p a r t l ： 1 9 9 1 断裂韧度试验的要求，对水电站输水管道的焊缝金属、母材、热影响 区和熔合区在不同温度下进行了特征c o d 值的测定。 2 2 1 试件的制备及试验程序 试件采用带预制疲劳裂纹的单边缺口三点弯原板厚度试件，其形式和尺寸 见图2 - 3 。并控制裂纹总长在o 4 5 w 0 5 5 w ( 宽度) 范围内。 7 生 品： f 一 1 2 0 一 1 2 0 一 图2 - 3c o d 试验试件形式和尺寸 本试验在3 0 0 k n 的拉力机上进行试验时自动记录了载荷( p ) 与裂纹嘴张 开位移( v ) 曲线( 见图2 4 ) ，然后通过数据处理得到对应最大载荷时的特征c o d 值。依据b s7 4 4 8 ：p a r t l ：1 9 9 1 断裂韧度试验f 7 】的有关规定，试件原始裂纹 长度a 的测量，是在断裂试件的厚度b 上，在0 、1 9 b 、2 9 b 、3 1 9 b 、4 9 b 、5 9 b 、 一 墨里查兰堡主兰垡堡壅 笙三皇堡苎堕竺塑堡堑型! ! 墨垒 6 9 b 、7 9 b 、9 8 b ( 其中0 、8 9 b 应距离边缘1 b ) 的位置上测量裂纹长度a 0 、a l 、 a 2 、a 3 、a 4 、a 5 、a 6 、a 7 和a 8 。见图2 - 5 。测量是在工具显微镜上进行。取 a = 【( a o + a 8 ) 2 + 1 8 z ( a l + a 2 + a 3 + a 4 + a 5 + a 6 + a 7 ) 】作为原始裂纹长度，用于计算c o d 值。 丕 r 柱 堪 o v p 裂纹嘴位移v ( m m ) 图2 - 4p v 曲线( c o d ) 图2 - 5 裂纹长度的测量 2 2 2 试验数据处理及结果 获得必要的测量数据后，分别采用式( 2 - 1 ) 川和式( 2 2 ) 计算各试件的特征 c o d 值( 6 ) ： 占= 茄怡) 2 鼎+ 怒 p ， 式中：f ：p v 曲线上所对应的最大载荷值( n ) ； b ：试件的厚度( m m ) ； w ：试件的宽度( m m ) ： e ：弹性模量，取2 0 6 1 0 5 m p a ； r ( a d w ) ：试件几何形状因子，可从标准中查表获得： v ：泊松比，取0 - 3 ； s ：三点弯曲时的试件的跨度( m m ) ； v ：p v 曲线上对应最大载荷时的夹式引伸计塑性 张开位移( m m ) ； oy s ：材料的屈服强度( m p a ) ： 一8 一 莽 。 一 ，形，一 汐 蒌望查兰堡主兰堡堡壅 笙三童堡苎里壅些堕盟坐! ! 盎垒 z ：刀口的厚度( m m ) 。 式中 占= 划 y e 2 0 - e + 蔫z r 。l 一口j + 口+ 牛嘉 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) p ：p v 曲线上对应的最大载荷( n ) ； v ：p v 曲线上对应的最大载荷时夹式引伸计张开位移的塑性部分( m m ) e ：弹性模量，取2 0 6 1 0 5 m p a ； y ：泊松比： r n ：转动因子，取o 4 5 ； y 。：试件几何形状因子，可从标准中查表获得； z ：夹式引伸计装卡部位到试件表面的距离( r a m ) ； b ：试件厚度，( m m ) ； w ：试件宽度，( m m ) ； 根据式( 2 1 ) 处理的输水管道在不同温度下焊接接头不同部位的c o d 特征 值计算结果见表2 2 ，根据式( 2 2 ) 处理的结果见表2 3 。 在常温下，w h 5 3 0 焊接接头的母材c o d 特征值最大，其次是热影响区 c o d 值，再其次是焊缝区c o d 值，最后是熔合区c o d 值。采用英国标准处理 数据结果与国标处理数据相比，二者大致相同，国标处理后的数据较英国标准 大一些。对于不同温度下，焊接接头的c o d 特征值可参见图2 6 之一9 。在不同 温度下焊接接头各部位c o d 特征值的对比值可参见图2 1 0 。 7 0 6 0 5 0 4 0 - 3 0 - 2 0 1 001 02 0 温度( ) 图2 - 6 热影响区c o d 特征值与温度关系 _ 9 一 鲞望奎兰堡圭兰垡堡壅 苎三童垦垄笪鲎堑型塑壁蔓墼 表2 - 2w h 5 3 0 焊接接头不同区域c o d 试验结果 试验 试验 试件 试件尺寸 初始裂纹 晟大c o dc o d 材料温度尺寸a 0载荷特征值平均值 部位编号 ( ) 1 3 ( m m )w ( m m ) ( r a m )( k n )( m m ) ( r a m ) 1 5b l2 5 8 85 0 1 62 2 8 8 96 6 31 5 31 5 3 0 b 22 6 1 15 0 2 22 2 7 9 86 6 o1 5 4 01 2 6 5 b 32 5 9 35 0 1 33 2 0 1 03 1 50 9 9 b 42 6 0 95 0 i 32 7 0 0 45 241 2 0 - 2 0b 52 6 0 75 0 1 93 0 1 6 93 9 00 8 11 1 2 0 b 62 5 9 25 0 ，2 02 8 5 6 94 3 31 - 3 5 母材 b 7 2 5 0 9 35 0 2 72 4 8 0 95 9 51 0 6 4 0b 82 5 9 3 5 0 0 62 7 8 5 05 2 51 1 01 1 1 0 b 92 5 9 15 0 2 02 6 5 6 05 5 51 1 7 b 】o2 5 8 35 0 1 02 】。5 3 46 7 2 0 4 8 6 0b l l2 6 0 95 0 1 42 3 0 7 57 7 o1 6 t 1 0 7 0 b 1 22 6 0 95 0 0 22 3 5 0 l6 8 5 1 1 2 1 5r 12 6 3 8 5 0 4 02 3 5 8 46 2 60 5 90 5 9 7 r 22 5 6 1 5 0 4 72 4 1 7 36 8 60 5 8 o 0 4 3 3 r 32 6 2 3 4 9 8 82 4 1 9 96 550 3 0 r 42 6 。7 55 0 6 72 2 0 0 86 7 5 0 1 0 2 0r 52 5 8 0 4 9 7 52 5 5 9 05 8 70 2 30 2 5 0 熔合r 62 6 0 25 0 _ 3 62 4 9 2 76 5 50 4 2 区r 72 6 2 74 9 6 12 3 4 0 96 2 50 1 5 4 0r 8 2 6 1 35 0 1 32 3 1 3 97 0 00 3 20 2 0 0 r 92 5 7 75 0 1 52 4 2 4 86 5 5 0 1 3 r 1 02 6 0 74 9 8 12 4 1 3 25 4 5 0 0 7 6 0r 1 i2 6 3 l 5 0 5 l2 5 3 0 45 4 0 0 0 80 0 6 7 w h 5 3 0 r 1 22 5 8 15 0 6 92 3 8 4 55 0 2 0 0 5 1 5y 12 5 8 3 4 9 92 3 9 9 56 5 o 0 6 70 6 7 3 y 22 6 】9 5 0 5 32 3 9 5 66 5 3 0 5 2 o 0 4 7 3 y 32 6 3 2 5 0 5 52 3 6 7 06 7 0 0 4 6 y 42 6 2 9 5 0 4 72 2 7 9 17 3 0 0 5 0 2 0y 5 2 6 4 25 0 5 42 1 2 3 08 0 0 0 6 0o 4 7 0 热影 y 6 2 6 1 25 0 6 02 4 2 3 46 4 5 0 _ 3 1 响区 y 72 6 1 7 5 0 5 62 2 1 6 07 3 0 0 4 2 - 4 0y 82 6 0 0 5 0 1 32 5 5 9 36 0 00 _ 3 9 0 4 6 3 y 92 6 3 3 5 0 4 32 0 5 1 88 5 5 0 5 8 y 1 02 6 0 95 0 1 92 4 5 0 25 9 0 0 2 4 6 0y 1 12 6 3 5 5 0 2 52 5 0 1 46 1 5 0 4 70 2 6 7 y 1 22 5 8 6 5 0 0 92 4 8 2 l5 5 0 0 0 9 1 5f 12 2 0 2 4 3 8 32 3 5 8 83 5 3 0 6 50 6 5 0 f 22 5 8 l 4 9 ，9 12 3 8 4 57 0 0 0 5 5 0 0 6 3 0 f 32 5 8 1 5 0 2 12 2 5 7 08 0 007 1 f 42 6 0 05 0 1 1 3 0 4 4 33 7 5 0 1 4 ，2 0f 5 2 6 3 55 0 6 02 2 5 3 9 6 5 50 1 lo 1 1 3 f 62 6 2 3 5 0 4 62 2 9 0 5 6 0 50 0 9 焊缝 f 72 58 3 5 0 5 22 3 2 8 3 6 1 00 1 1 4 0f 8 2 5 5 45 0 1 12 7 4 3 5 4 8 00 0 70 1 1 0 f 92 5 9 】 5 0 5 92 3 2 7 26 4 0 0 1 5 f 1 02 5 8 5 5 0 5 42 4 9 9 02 8 3 0 0 3 6 0f 1 1 2 5 9 35 0 4 12 3 0 3 3 4 1 70 0 3 0 0 5 7 f 1 2 2 6 1 75 0 6 32 3 3 】5 6 7 50 jj i 墨望查堂堡主堂垡堡壅 篁三皇堡垄笪堕堑型塑堕堕堕 表2 - 3w h 5 3 0 焊接接头不同区域c o d 试验结果 试验 试验 试件 试件尺寸 初始裂纹 最大c o dc o d 材料温度尺寸a 0载荷特征值 平均值 部位编号 ( ) b ( m m )w ( m m ) ( t u r n )( k n )( m m )( m m ) 1 5b l2 5 8 85 0 1 62 2 8 8 96 6 31 5 91 5 9 0 b 22 6 1 15 0 2 22 2 7 9 86 6 01 5 8 o1 _ 3 0 b 32 5 9 35 0 1 33 2 0 1 03 1 510 2 b 42 6 0 95 0 1 32 7 0 0 45 2 41 2 5 2 0b 52 6 0 75 0 1 93 0 1 6 93 9 00 7 91 1 4 0 b 62 5 9 25 0 2 02 8 、5 6 94 3 31 3 8 母材 b 72 5 0 9 35 0 2 72 4 8 0 95 9 51 1 6 4 0b 82 5 9 35 0 0 62 7 8 5 05 2 51 1 01 1 1 0 b 92 5 9 15 0 2 02 6 5 6 05 5 5】0 7 b 1 02 5 8 35 0 1 02 1 5 3 46 7 20 5 2 6 0b l l2 6 0 9 5 0 1 42 3 0 7 57 7 01 6 11 0 8 0 b 1 22 6 0 9 5 0 0 22 3 5 0 16 8 51 0 9 1 5r l2 6 3 8 5 0 4 02 3 5 8 46 2 6o 6 00 6 0 0 r 22 5 6 15 0 4 72 4 1 7 3 6 8 60 5 8 o0 4 6 5 r 32 6 2 34 9 8 82 4 1 9 96 5 50 3 5 r 42 6 7 5 5 0 6 72 2 0 0 86 7 5o 】8 2 0r 52 5 8 04 9 7 52 5 5 9 05 8 7 0 3 10 3 0 3 熔合r 62 6 0 25 0 3 62 4 9 2 76 5 504 2 区 r 72 6 2 74 9 6 12 3 4 0 96 2 5o 1 8 4 0r 82 6 1 35 0 1 32 3 1 3 97 0 00 3 20 2 3 0 r 92 5 7 75 0 1 52 4 2 4 86 5 50 1 9 r 1 02 6 0 7 4 9 8 l2 4 1 3 25 4 5o 0 7 6 0r 1 1 2 6 3 15 0 5 12 5 3 0 45 4 0o 0 80 0 7 3 w h 5 3 0 r 1 22 5 8 1 5 0 6 92 3 8 4 55 0 20 0 7 1 5y 12 5 8 3 4 9 92 3 9 9 56 5 oo 6 80 6 8 0 y 22 6 1 95 0 5 32 3 9 5 66 5 _ 30 5 5 o 0 5 2 0 y 3 2 6 3 25 0 5 52 3 6 7 06 7 00 4 9 y 42 6 2 9 5 0 4 72 2 7 9 17 3 oo 5 6 - 2 0y 52 6 4 25 0 5 42 1 2 3 0 8 0 00 6 00 4 9 0 热影y 62 6 1 25 0 6 02 4 2 3 46 4 5o 3 1 响区 y 72 6 1 75 0 5 62 2 1 6 0 7 3 00 4 1 4 0y 8 2 6 0 05 0 1 32 5 5 9 36 0 00 4 00 4 6 3 y 92 6 3 35 0 4 3 2 0 5 1 88 5 50 5 8 y l o2 6 0 95 0 】9 2 4 5 0 25 9 o0 3 l 6 0y 1 1 2 6 3 55 0 2 52 5 0 1 46 1 5 0 4 70 3 0 0 y 1 22 5 8 65 0 0 9 2 4 8 2 15 5 00 1 2 1 5f l 2 2 0 24 3 8 32 3 5 8 83 5 3 0 6 20 6 2 0 f 22 5 8 1 4 9 9 l2 3 8 4 57 0 00 5 5 o 0 5 9 4 f 32 5 8 l5 0 2 1 2 2 5 7 08 0 0 0 6 4 f 42 6 0 0 5 0 1 13 0 4 4 33 7 5 o 1 4 2 0f 5 2 6 3 55 0 6 02 2 5 3 9 6 5 50 1 601 3 3 f 62 6 2 35 0 4 6 2 2 9 0 56 0 5 0 1 0 焊缝 f 72 5 名3 5 0 5 22 3 2 8 36 1 0 0 1 4 4 0f 82 5 5 4 5 0 1 l2 7 4 3 5 4 8 0o 0 90 1 2 6 f 92 5 9 l 5 0 5 92 3 2 7 2 6 4 00 1 5 f l o 2 58 55 0 5 4 2 4 9 9 02 8 3o 0 3 6 0f 1 l2 5 9 3 5 0 4 12 3 0 3 3 4 1 70 0 3 00 6 3 f 1 22 6 1 75 0 6 3 2 3 3 1 56 7 50 1 3 蒌望盔堂塑主堂竺丝苎j 兰兰墨墨查笪垄堕堕坚型! ! i 垒 图2 7 母材c o d 特征值与温度的关系 图2 - 8 焊缝c o d 特征值与温度关系 图2 - 9 熔合区c o d 特征值与温度关系 1 2 - - o 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 2 1 1 1 ，1 0 0 0 o o 一e ) | 8 o o o 加ooo ) 寻 ；搴度。温 4吾； 加 加似!呈他佃唯 一ee一一9)口oo 如000 )珈0 ( 。度蚰温 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 o卸似住仰吣眦吣 ujev趔v凸oo 如00o )锄0 ( 。度帅温 啪加 墨望盔兰堕主兰生堡塞 篁三皇垦塑笪望墅型翌垦! 查垒 16 14 名1 2 曼10 詈o e 誊。6 8 o4 02 00 12 10 08 06 0 4 0 2 00 _ 123 4 焊接接头不同部位 234 焊接接头不同部位 1234 焊接接头不同部位 6 4 2 0 8 6 4 2 0 1 1 1 1 o 0 o o 0 一重一姆斟浆口ou 一番一趔始尝oou 盔鲨查堂堡：! 堂堡丝苎 笙三兰垦查篁望堑墨塑堡! ! i 垒 星 、 j 型 蚶 蜚 8 o 苫 8 趔 目 磐 o o u 12 1 0 0 2 00 234 焊接接头不同部位 234 焊接接头不同部位 图2 1 0 不同温度下焊接接头不同部位c o d 值比较 2 3j 积分断裂韧度的测试 2 3 1 试验概述 测试j 积分的方法通常有两种即多试样法和单试样法。本试验依据 g b 2 0 3 8 9 l 金属材料延性断裂韧性j 。的试验方法，采用单试样法对w h 5 3 0 压力钢管焊接接头的母材、焊缝、热影响区和熔合区进行了断裂韧度j i c 测试。 试验采用三点弯i 描( t p b ) 试样( 采用原钢板厚度j 。试样形状及尺寸如图2 3 所示。 制备缺口时，首先用o 1 2 r a m 的钼丝在线切割机上加工机械缺口，然后按标准 要求在缺口顶端处预制疲劳裂纹，并控制裂纹总长度a 在( o 5 0 s s ) w ( 试样宽度) 2 o 8 6 4 2 o 1 1 o 0 0 0 o 墨堡查堂塑土堂堡堡兰 蔓三童垦垄笪望墅墨塑壁! 墨堕 范围内。 试验是在日本岛津电液伺服试验机上进行的。试验时，对载荷p 、试样加 载线上施力点位移和裂纹嘴张开位移v 通过试验机测试系统自动绘制p - 曲线 和p v 曲线，如图2 - 1 1 所示。在试验中，根据卸载、再加载过程中弹性柔度的 变化得到j r 阻力曲线。 2 3 2 试验数据处理及结果 试验后，裂纹实际长度及最终裂纹扩展量的测量是采用热着色法( 氧化发 蓝法) 勾画出裂纹边缘，再在低温下快速压断着色后试件，并在大型工具显微镜 下，分别沿着预制裂纹前缘和稳定扩展裂纹前缘，在试件厚度等间距的九点上 测量初始裂纹长度a o 0 = 1 ，2 ，3 ，9 ) 和裂纹扩展后长度4 ，见图2 1 2 。 计算裂纹长度时，将靠近裂纹面的两个测量结果取平均值，再求出它与其 余测量结果的平均值，即： 铲吉( 半+ 如 陪2 ， 由初始裂纹长度a o 和最终裂纹长度a ，求出裂纹扩展量a a ( = a a o ) a 用试验得 到的p - z x ! 益l 线，测得p - 曲线下的面积a ( 见图2 - 1 1 示) 。然后根据载荷、位移 的标定值将所测得的面积换算成能量。所计算面积a ，即u 。是变形功的塑性部 分。 厂。裂 夕 ，寤 - a l a ： 、 ， j f 图2 - l1 加载过程中记录p - 曲线图2 一1 2 裂纹尺寸测量 纹扩展区前缘 劳裂纹前缘 丕鲨查兰堡主堂垡丝苎 兰三童里垄篁望堕堕塑型! 堕垒 对于三点弯曲试样，采用式( 3 2 ) 计算j 。值 j = j 。+ j d ( m m 2 ) j 的弹性分量j 。为： ( 2 - 3 ) 小半 参川， 2 陋4 ， j 的塑性分量j 。为： 以= t 1 u p b b 。 ( 2 - 5 ) 式中：”= 2 + 0 5 2 2 b 0 w 。 p 。是加载终止点载荷；b 为试样厚度；w 为试样宽度；b 。为韧带宽度；e 为 弹性模量，取2 0 6 x 1 0 5 m p a ；u 为泊松比，取0 3 ，f ( a o w ) 从标准中查表获得。 对试验点采用幂指数规律j = c a c 2 进行拟合。其中，用于回归的试验点必 须满足g b 2 0 3 8 9 1 规定的界限及间隔要求。 利用最小二乘法对合格数据按下式进行线性回归。 l n j = i n c l + c 2 l n a a( 2 6 ) 在以j 为纵坐标、a 为横坐标的j 。一a a 图上，偏置0 2 r a m 作钝化线的平行线( 钝 化线为j = 2 0 。a a ，其中a 。= ( a ”+ 吼) 2 ) ，与按式( 3 6 ) 回归所得的j r a a 曲线的交点 在j r 轴上的投影坐标定义为j 。如果j q 满足以下条件： 1 ) 试样厚度b 2 5 j q a y ： 2 ) 试样韧带尺寸b o 2 5 j q c y 。 3 ) 幂乘回归线在点( a o ，j q ) 处的斜率d j d a a 小于o y ： 4 ) 在试验温度和加载速率下，试样不存在脆性解理断裂： 则j 。即等同于材料常数j 。c 。 本次试验测量的j 0 值满足上述的条件，因此j 。值即为输水管道的材料断 裂韧度值j ，。 2 4 结论 综上所述，w h 5 3 0 钢母材、焊缝金属、热影响区及熔合区的j 。试验结 丕翌查堂堡! ：兰垡堡苎 篁三童墨垄篁! 蔓堑型塑堕! 墨垒 果如表2 3 所示，输水管道用钢各部分j r 阻力曲线见图2 一1 3 2 1 6 。由表2 3 中 可见，w h 5 3 0 钢焊接接头在常温下，熔合区的断裂韧度值最低，其次为焊缝金 属和热影响区的断裂韧度，w h 5 3 0 钢母材的断裂韧度最高，这与裂纹张开位移 ( c o d ) 试验在常温下所得到结果相吻合。对于该钢在低温下( 在0 下) 的 c o d 值来说，o v 时母材的c o d 值最高，其次是焊缝，再次是热影响区，最后 为熔和区。焊缝随着温度的下降其c o d 值剧烈降低，在2 0 。c 、一4 0 。c j f l l 6 0 。c 时的断裂韧度值变化不大：熔合区在o * c 开始其断裂韧度值缓慢下降，在一4 0 。c 和一6 0 。c 时急剧下降，一6 0 。c 近似等于焊缝的c o d 值为0 0 6 3 r a m ；热影响区在低 温下的c o d 值变化很小，在- 6 0 。c 其c o d 值为0 3 0 m m 。由此可知在低温下接头 的c o d 值排列次序为：母材，热影响区，熔和区和焊缝。( 见图2 - 1 0 ) 同时数 据处理时，依据英国标准处理的数据结果比依据国标处理的数据结果要小。 表2 - 4w h 5 3 0 钢母材、焊缝金属及熔合区断裂韧度试验结果 接头部位 j r a 阻力曲线( k j m 2 - m m )断裂韧度j i c ( k j i m 2 ) 母材 j f t = 4 7 5 0 3 a a o 9 5 2 9 1 2 1 3 5 3 焊缝 j r = 3 8 68 3 a a o 9 7 5 8 2 1 3 2 6 8 熔合区 j r = 3 5 35 0 6 a 0 9 6 2 9 1 2 7 6 1 热影响区 j r = 2 9 61 a a o 6 5 ”1 1 4 82 6 1 0 0 0 8 0 0 0 002 040 60810121416182 022 裂纹扩展量x a ( m m ) 图2 1 3 母材j 。阻力曲线 7 一 栅 瑚 o n山王v求娶、 墨鎏查兰堡主兰堡堡兰 塑三兰垦生篁堕堕型塑堡! 墨垒 9 0 0 8 0 0 7 0 0 f 6 0 0 5 0 0 o 4 0 0 藤3 0 0 h 2 0 0 1 0 0 o 000 20 4 0 6081012141618 裂纹扩展量a ( m m ) 6 0 0 求4 0 0 娶 2 0 0 0 图2 - 1 4 焊缝j 。阻力曲线 0