雷清華

(華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

高水頭、大容量是未來我國水電發(fā)展的趨勢，基于優(yōu)化電網(wǎng)的需要，眾多高水頭抽水蓄能電站也正在規(guī)劃建設(shè)中。為了滿足電站布置、降低工程綜合成本(包括運輸、勞動力、工作強度、施工設(shè)備等方面)的需要，必須采用高強度鋼材，可以預(yù)計，1 000 MPa級高強鋼將會逐步在我國水電工程中得到應(yīng)用。為了掌握1000 MPa級高強度鋼的工藝性能，有必要針對該級別鋼材，開展以焊接制造工藝為主的相關(guān)試驗研究工作。

截至目前，1000 MPa級調(diào)質(zhì)高強鋼已應(yīng)用于日本等國家的大型水電站工程中。SMI SUMITEN 950－TMCP鋼是日本21世紀(jì)初開發(fā)的1000MPa級低碳控軋鋼，因其具有強度高、韌性好、焊接性能優(yōu)良、合金元素含量低和成本低的優(yōu)點，現(xiàn)正處于試驗推廣階段。

作為“水利水電1000MPa級高強鋼工程應(yīng)用技術(shù)研究”的一部分，本文重點對SUMITEN 950－TMCP鋼進行了斷裂韌度試驗研究，以彌補夏比沖擊試驗在評價接頭抗斷裂性能方面的不足。

1 試驗方法

試驗按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》進行，采用裂紋尖端張開位移CTOD(Crack Tip Opening Displacement)試驗進行焊接接頭斷裂韌性的評價，按照非穩(wěn)定裂紋擴展下的斷裂韌度測定方法取得各個特征值，計算斷裂韌度，根據(jù)該韌度值對焊接接頭的斷裂韌性進行定性評價。

1.1 試驗材料

試驗材料采用48.00mm厚的 SMI SUMITEN 950－TMCP鋼板，焊接材料為NITTESU L－100S焊條，化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。

1.2 試樣加工

將 450.00 mm ×150.00 mm ×48.00 mm 的試板經(jīng)線切割解剖成 450.00 mm ×150.00 mm ×24.00 mm的焊接試板，分別加工成相應(yīng)的K形和X形(分別對應(yīng)于熱影響區(qū)和焊縫的試驗)坡口以便進行試板的焊接，焊接接頭如圖1所示。焊接預(yù)熱溫度，125℃;層間溫度，90～125℃;焊接熱輸入，20～25 kJ/cm。

按CTOD試樣要求，按圖2所示用線切割方法分別進行熱影響區(qū)(K形焊縫接頭)、焊縫(X形焊縫接頭)及母材試樣的下料，線切割后的試樣用磨床加工成20.00mm ×40.00mm ×200.00mm 的試板尺寸。加工后的試板用? 0.15 mm線徑的鉬絲線切割加工裂紋缺口。各試樣的缺口位置如下:焊縫取焊縫中心，熱影響區(qū)取離熔合線1.00mm處;母材取試樣中心，如圖3所示。在疲勞試驗機上采用柔度法預(yù)制疲勞裂紋，原始裂紋長度為20.00 mm。

表2 SUMITEN 950－TMCP鋼的試驗材料的力學(xué)性能

1.3 試驗過程

采用德國西門子公司出品的MTS810電液伺服系統(tǒng)疲勞試驗機，通過對焊接接頭不同區(qū)域(焊縫、熔合線附近的熱影響區(qū)及母材)的斷裂韌度試驗，分析母材及焊接接頭在某溫度下各區(qū)域抵抗裂紋啟裂和早期擴展的阻力。

斷裂試驗采用3點彎曲試驗法進行試驗，在試驗過程中，采集載荷－裂紋嘴張開位移曲線的數(shù)據(jù)，引伸計精度為0.002 mm，拉伸時加載速率約為1 mm/min，試樣斷裂后。在工具顯微鏡下測量裂紋深度和裂紋長度，精確到0.01 mm。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

試樣壓斷后實際測定裂紋長度，測試結(jié)果見表3。利用表3中的數(shù)據(jù)，按GB/T 21143—2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》的標(biāo)準(zhǔn)計算出CTOD值。已預(yù)制疲勞裂紋的試樣分別在0℃和－40℃ 2種溫度下進行3點彎曲試驗，得到加載過程的位移曲線，典型試樣的位移曲線如圖4所示。按標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法進行數(shù)據(jù)處理，如圖5所示。

2.2 數(shù)據(jù)分析

從圖4試樣的位移曲線可以看出，母材、焊縫、熱影響區(qū)在彎曲過程中，試樣載荷加到塑性變形階段后很快便達到失穩(wěn)狀態(tài)，其張開位移值較小，說明該焊接接頭阻止尖裂紋擴展的抗力并不大。表5的計算結(jié)果表明，在0℃時，母材和熱影響區(qū)的δc(20)大于0.15 mm，焊縫區(qū)的 δc(20)=0.10 mm。按 API 1104附錄A所給出的最小可接受裂紋尖端張開位移值為0.1225 mm，母材和熱影響區(qū)為合格，焊縫區(qū)尚不合格。但現(xiàn)有合格標(biāo)準(zhǔn)并不涵蓋強度等級在800 MPa以上的高強鋼，根據(jù)日本研究經(jīng)驗，SMI SUMITEN 950－TMCP 鋼在0℃時，δc(20)大于0.07 mm，即可判定其斷裂韌度滿足使用要求。依此判斷，試驗接頭的斷裂韌度已滿足要求。

表3 CTOD試驗結(jié)果

與0℃相比，－40℃時，該焊接接頭的斷裂韌度值有明顯的降低。說明溫度越低，接頭的抗斷裂性能越差。顯然，母材的抗斷裂性能優(yōu)于焊縫金屬和熱影響區(qū)，與夏比沖擊試驗的結(jié)果是一致的。焊接接頭的夏比沖擊試驗結(jié)果見表4。

表4 焊接接頭夏比沖擊功試驗結(jié)果

2.3 安全評價

2.3.1 理論分析

表5 SUMITEN950鋼板的允許應(yīng)力

參照API 1104—1999《管線及相關(guān)設(shè)施焊接規(guī)范》附錄A，裂紋尖端張開位移值大于0.1225 mm為合格。－40℃時試驗接頭的實測δc(20)最小為0.05 mm，其安全性需要分析確定。不妨參照API 1104附錄A.5:焊接接頭的裂紋尖端張開位移值越小，允許存在的平面缺陷的尺寸就越小。將附錄A中圖A－5引入本文中，如圖6所示，然后根據(jù)圖6進行計算分析。

按照日本鋼管標(biāo)準(zhǔn)，SUMITEN 950鋼材應(yīng)用于岔管時最大許用應(yīng)力為540 MPa，見表5。通過計算可得最大應(yīng)變?yōu)?.002571 ε，如按 API 1104附錄 A的最小可接受裂紋尖端張開位移值為0.122 5 mm考慮，最大缺陷尺寸限值約為4.30 mm。0℃時，實測焊縫區(qū)裂紋尖端張開位移值為0.10 mm，其對應(yīng)的最大缺陷允許尺寸限值約為3.81 mm。－40℃時，實測焊縫區(qū)裂紋尖端張開位移值為0.05 mm，其對應(yīng)的最大缺陷允許尺寸限值約為1.905 mm。由于此類高強鋼焊縫應(yīng)用于水電工程時，一般作為埋管使用，環(huán)境溫度很少低于0℃，且焊縫按 JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》壓力容器Ⅰ級焊縫要求執(zhí)行，不允許存在裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷，且不計點數(shù)的圓形缺陷的長徑不大于0.70 mm，而計點數(shù)的圓形缺陷的長徑不大于3.00 mm，因此，焊接接頭理論上仍是安全的。當(dāng)然，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，接頭的薄弱環(huán)節(jié)在于焊縫區(qū)，應(yīng)該考慮選用韌性更好的焊材。

2.3.2 試驗驗證

為了驗證理論計算，設(shè)計了比例模型岔管進行水壓爆破試驗。用24.00 mm厚的SUMITEN950鋼制造了1∶3的比例模型岔管，岔管采用對稱Y形內(nèi)加強月牙形肋鋼岔管，鋼岔管分岔角為74°，公切球半徑920.00 mm。設(shè)計水壓為7.4 MPa，實際爆破水壓為28.6 MPa。說明有足夠的安全裕量。

從爆破后的岔管斷口切下焊縫斷口試樣，采用Quanta 600掃描電子顯微鏡及Genesis XM2 X－射線能譜儀進行掃描電鏡形貌觀察及能譜分析。試驗結(jié)果如下:焊接接頭斷口呈快速斷裂特征。其微觀形貌如圖7、圖8所示，主要呈準(zhǔn)解理特征。說明該類鋼材及焊接接頭在工程使用中，避免裂紋啟裂是關(guān)鍵。

2.3.3 應(yīng)用說明

上述數(shù)據(jù)(或結(jié)果)表明，SUMITEN950－TMCP高強鋼焊縫區(qū)的斷裂韌度值偏低。為了合理使用該種鋼材，發(fā)揮其強度高的特點，確保焊接接頭的安全，應(yīng)滿足如下條件:

(1)接頭設(shè)計時，應(yīng)保證足夠的安全裕量;使用溫度越低，選用的安全系數(shù)應(yīng)越大。

(2)焊縫無損檢測時，應(yīng)按一類焊縫從嚴控制。

(3)選擇韌性好的焊材與之匹配。

(4)盡量采用自動焊接方法，有資料表明，自動焊接的接頭韌度值一般較手工焊要高。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，0℃時SUMITEN950－TMCP高強鋼及熱影響區(qū)的CTOD值均不低于0.15 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。0℃時焊縫的CTOD值為δc(20)=0.100 mm，略低于API 1104附錄 A中0.125 mm的要求。但試驗焊縫按JB 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》鋼制壓力容器一類焊縫標(biāo)準(zhǔn)檢驗合格后，經(jīng)過爆破試驗檢驗，仍有足夠的安全裕度。因此，可以認定焊接接頭的斷裂韌度滿足使用要求，該種鋼材和焊接工藝可以在黃河以南地區(qū)推廣應(yīng)用。但在高寒地區(qū)使用時，宜選用韌性更好的焊接材料，目前這種焊接材料正在試驗中。

［1］GB/T 21143—2007，金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法［S］.

［2］API 1104—1999，Welding of Pipelines and Related Facilities［S］.

［3］DNV －OS－C401—2004，F(xiàn)abrication and Testing of Offshore Structures［S］.

［4］JB/T 4730—2005，承壓設(shè)備無損檢測［S］.

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［6］侯世勇，謝步興.火電廠異種鋼焊接難點及工藝分析［J］.華電技術(shù)，2009，31(4):57 －60.

［7］劉鴻國.超超臨界機組低壓缸拼缸及焊接變形控制［J］.華電技術(shù)，2009，31(3):14 －17.

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［9］范長信，周榮燦，姚兵印，等.新型耐熱鋼的焊接與熱處理［J］.華電技術(shù)，2008，30(7):24－27.

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