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        上海滬工閥門廠(集團)有限公司

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        滬工閥門

        上海滬工閥門廠(集團)有限公司

        (注:接上一篇《全焊接閥體管線球閥焊接接頭安全評估(影響閥體焊縫安全性的因素)》)

        三、CTOD(Crack Tip opening Displacement)試驗

        如前所述,全焊接閥體管線球閥閥體焊接接頭是閥門壓力邊界完整的最大隱患,然而評價焊接接頭韌性的傳統試驗方法夏比(Charpy)沖擊試驗實際上是個衡量焊接接頭抗沖擊能力的指標,它不能全面反映焊接接頭的真實韌性,也不能解釋焊接接頭的失效機制,更不能反映焊接殘留應力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響。因此,用夏比沖擊韌度值來評價焊接接頭的韌性,有明顯的局限性。

        隨著英國焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2,《斷裂韌度試驗·第 2 部分:金屬材料焊接的 KIC 值、臨界 CTOD 值和臨界 J 值的測定方法》,針對焊接接頭中各區域性能不均勻性和存在殘留應力等特征,對 BS7448 Part1 進行了補充規定,這是目前國際上被工程界認可的測定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗標準。例如 API 1104 附錄 A,DNV-OS-401,BS7910 都是根據 BS7448 Part2 斷裂韌度 CTOD 值的測試規范來評定焊接結構的完整性。

        1. 試驗方法

        CTOO 測試試驗(圖 2)
        圖 2 CTOO 測試試驗

        在此根據 BS7448 Part2 試驗標準,并參照 API 1104 及 DNV-OS-401 相關規范要求,以 CTOD 斷裂韌度值來評價全焊接閥體焊接接頭免焊后熱處理的安全性。如圖 2 所示根據 BS7448 Part2,試樣取厚度 B=18,寬度 W=36,長度 L=4×36+20,裂紋長度 a≈(0.04~0.55)W 。用疲勞試驗機預制裂紋.在美國 500KN 級 MTS 試驗機上采用原裝配套的 CTOD 試驗硬件系統和控制程序進行試驗,采用 6 位(0.00001mm)高精度數字讀數顯微鏡測定裂紋的擴展量。按標準確認的最佳方法——多試樣法求得臨界開裂的缺口張開位移量 δc(或 δ0.05)。

        2. 試驗結果

        CTOD 試驗系統及完成加載試驗后得焊縫 CTOD 試樣。試驗中出現 pop-in(并進/突進)的 HAZ 試樣,試驗所獲得的焊縫區有效試樣 8 個,HAZ 有效試樣 8 個,達到 CTOD 多試樣法的要求。

        其中 HAZ 的起裂點 CTOD 值占 δc 直接測量獲得,臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗回歸線與裂紋擴展量 0.05mm 垂直線的交點確定,突進點的 CTOD 值石 δm 由試驗直接測覺獲得。焊縫的起裂點 CTOD 值 δc 和臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗回歸線與裂紋擴展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直線的交點確定,突進點的 CTOD 值 δm 由試驗直接測量獲得。焊縫與 HAZ 的 CTOD 計算結果見《表 1》。

        《表 1》 CTOD 測試結果
          δc / mm δc / mm δc / mm
        熱影響區 0.197 0.24 0.53
        焊縫 0.196 0.23 0.91

        3. 安全評價

        參照 DNV-OS-C401(挪威船級社)標準,CTOD 值大于 0.15mm 為合格。開發工藝接頭的實測 δc 皆大于 0.15mm,表明接頭可以在不進行熱時效處理的情況下使用。

        不同 CTOD 值的允許缺陷尺寸與最大許用應變的關系(圖 3)
        圖 3 不同 CTOD 值的允許缺陷尺寸與最大許用應變的關系

        參照 API 1104《管道與相關設施的焊接》標準附錄 A,其給出 TCTOD 值分別為 0.005in(0.1225mm)和 0.01in(0.245mm)時允許缺陷尺寸與許用應變的關系圖,如圖 3 所示。從圖中可知,CTOD 值越大,焊縫斷裂韌度越好,所允許缺陷尺寸可增大。根據全焊接閥體焊接接頭最小 CTOD 值等于 0.197mm(0.0078in)時最大許用軸向應變與允許缺陷尺寸之間的曲線。

        20in 600Lb 全焊接閥體球閥按額定工作壓強的 1.5 倍計算,最大主應力為 15MPa,通過有限元計算可得最大軸向應變為 728με(即 0.000728ε),如按 API 1104 附錄 A 所給出的最小可接受 CTOD=0.005in(0.1225mm)考慮,最大缺陷尺寸限為 0.3in,相當于 7.6mm。實測 CTOD=0.008in(0.196mm)其對應的缺陷允許尺寸為 0.45in(11.4mm),按 JB4730-94 1 級壓力容器要求執行,允許缺陷尺寸為低于 0.15in(3.765mm),因此實際接頭仍具有相當高的安全裕度。

        全焊接閥體焊縫無損探傷按 JB4730-1994 的 1 級壓力容器要求執行,其要求焊縫缺陷尺寸小于 0.15in(3.675mm)。因此,當全焊接閥體焊接接頭滿足 CTOD 斷裂韌度值大于 0.005in(0.1225mm),焊縫無損探傷滿足 JB4730-94 的 1 級壓力容器要求,即可認定免焊后熱處理工藝是安全可靠的。

        四、結論

        1)焊接接頭根部結構上裝配隙縫存在應力集中,進行 CTOD 試驗,考察接頭的斷裂韌度是必要的。

        2)試驗結果表明焊縫,熱影響區的最小 CTOD 值為 0.196mm,大于 API 1104 附錄 A 0.125mm 和 DNV-OS-C401 0.15mm 的要求,焊縫本身經無損探傷滿足 JB4730-94 的 1 級壓力容器要求,因此可以認定焊接接頭具有足夠的斷裂韌度值,作為免焊后熱處理的依據是充分的。

        (全文完)


        本文地址:http://www.infos-maroc.com/tech/qf/398.html


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