馮硯廳，代小號，徐雪霞

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

在電廠鍋爐管道新投入運行或者新更換一段時間后，有時會突然出現(xiàn)焊口的大面積開裂，觀察發(fā)現(xiàn)該裂紋只與某特定批次的材料有關(guān)。金相顯微鏡下裂紋呈現(xiàn)沿晶開裂的特征，多發(fā)生在焊接的熱影響區(qū)中，用常規(guī)機械性能和化學分析方法無法找到開裂的根本原因，此時懷疑該缺陷為焊接再熱裂紋。研究再熱裂紋較好的方法是進行插銷試驗，而電廠小徑管壁厚3～8 mm，無法切取標準插銷試樣進行試驗，為此提出了試樣小型化的方案，即采用線切割的方法在薄壁管內(nèi)套中切下直徑一個3 mm的小試樣進行插銷試驗。

1 試樣缺口的評價

直徑3 mm的棒料試樣夾持位置會產(chǎn)生應力集中，當加載時極易從夾持位置斷裂，達不到試驗的目的，因此需要在試樣上設計缺口。缺口設計的原則是保證在材料的敏感區(qū)域存在應力集中，確保沒有再熱裂紋傾向的材料不因缺口因素發(fā)生斷裂。根據(jù)線彈性斷裂力學的理論，裂紋尖端附近存在應力場，取應力場某微元的受力模型[1]，如圖1所示。

圖1 裂紋尖端附近應力場微元受力模型

根據(jù)Westergard導出的裂紋尖端應力場有：

(1)

根據(jù)莫樂圓主應力可表示為：

(2)

(3)

對式(3)求導數(shù)取極值可得：

(4)

如果取泊松比v=0.3，則θ≈±87°時r有極大值。

由推導結(jié)果可知裂紋尖端正前方塑性變形區(qū)尺寸并不是最大。對材料再熱裂紋的敏感性測試主要是測試材料敏感區(qū)域的抗變形能力，因此適當旋轉(zhuǎn)缺口的角度增加敏感斷面的塑性變形區(qū)是有必要的，見圖2。

圖2 試樣中單邊V形缺口尖端應力場方向示意

單邊斜裂紋受拉時，裂紋與受力方向的夾角越小，裂紋的應力強度越小，因此旋轉(zhuǎn)缺口后缺口裂紋的強度因子會減小。

焊接再熱裂紋主要出現(xiàn)在母材焊接熱影響區(qū)中，試驗時設置的缺口位置必須位于焊接熱影響區(qū)才具有意義，否則缺口位置的開裂不能代表再熱裂紋敏感性水平。標準插銷試驗采用的單一環(huán)形缺口很難將缺口完全對準焊接熱影響區(qū)，因此試驗結(jié)果分散度較大。而采用螺栓缺口在焊接所有的熱影響區(qū)域均設置了缺口，在一定的拉力作用下，對再熱裂紋不敏感的區(qū)域不會因為缺口的存在而出現(xiàn)開裂，而對再熱裂紋敏感的區(qū)域則會因為缺口的存在而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這樣斷裂的位置一定是再熱裂紋敏感區(qū)域，試驗精度較高。另外螺旋缺口在縱剖面上即為多缺口試樣。郁大照等人[2]采用有限元的方法對多缺口應力集中系數(shù)進行了研究，研究結(jié)果表明多缺口的存在可以緩和集中應力，從而降低應力集中系數(shù)。標準試驗中的V形缺口前沿塑性變形區(qū)范圍較小，而缺口與拉伸應力相垂直，缺口應力強度因子較高，缺口因素對開裂影響較大，而敏感區(qū)內(nèi)塑性影響又較小，這與試驗母材焊接熱影響區(qū)再熱裂紋的目的不相符。根據(jù)斷裂力學裂紋尖端塑性變形區(qū)的概念，結(jié)合機械加工的可行性，將普通的V形缺口旋轉(zhuǎn)一個角度，改為單V形缺口。因此最終確定為鋸齒螺旋缺口試樣，見圖3，試樣直徑為3 mm，缺口深度為0.5 mm，缺口根部曲率半徑為0.1 mm，單V形缺口角度為40°，螺距為1 mm。

圖3 試樣缺口示意(單位：mm)

2 插銷試驗初始拉應力分析

插銷試驗的初始拉應力應保證試樣在一定時間內(nèi)，有再熱裂紋傾向的材料在再熱裂紋敏感性區(qū)域形成裂紋并擴展發(fā)生斷裂，而沒有再熱裂紋傾向的材料不能發(fā)生斷裂?？刂埔c是在試驗溫度下不發(fā)生試樣整體屈服，而是在一定范圍內(nèi)發(fā)生局部屈服，如果材料的塑韌性較好，沒有再熱裂紋傾向，則缺口根部發(fā)生強化，甚至達到光樣屈服強度的2.5～3倍[1]。此時試樣不應因為受力過大發(fā)生斷裂。

2.1 缺口的應力集中分析

為了方便計算小試樣的缺口應力集中系數(shù)，首先簡化為圓柱桿件環(huán)形缺口計算[3]，見圖4。

圖4 圓柱試樣的環(huán)形缺口及描述參數(shù)

為了便于表達應力集中系數(shù)的計算，定義一些切口參數(shù)：

y=2t/D

z=t/R

(5)

w=R/t

u=a/R

q=R/a

以上各式中，y為切口相對深度，x、z、w、u、q為切口參數(shù)。

雙曲形切口的應力集中系數(shù)[3]：

(6)

深切口的應力集中系數(shù)：

Kt，d=(1.000 0-0.025 5x+0.015 8x2+0.006 5x3-0.004 7x4)Kt，H

(7)

當2t/D≥0.3，R/a≥0.1，屬于切口半徑為正常范圍的深切口，應力集中系數(shù)的擬合公式為：

Kt=[1.000 0-0.004 3y+0.009 2y2-0.004 7y3+(0.115 2-0.0464 4y+0.632 8y2-0.282 9y3)x+(0.010 6+0.347 5y-0.852 2y2+0.490 4y3)x2+(-0.067 1+0.061 2y+0.127 2y2-0.119 3y3)x3]Kt，d

(8)

對于該小試樣來說t=0.5 mm，a=1 mm，R=0.1 mm，D=3 mm，代入式(5)-(8)可求得Kt=3.3，即小型試樣在單缺口時應力集中系數(shù)為3.3。小試樣為螺旋缺口相當于多缺口，缺口間距為1 mm，由于缺口間距對缺口根部半徑的比值為10，其應力集中系數(shù)減弱程度很小，而且由于缺口旋轉(zhuǎn)在缺口深度不變的情況下，引起的尖端應力強度因子的減弱程度也較小。因此，可以忽略由于多缺口和缺口旋轉(zhuǎn)引起的應力集中系數(shù)減弱因素。

2.2 初始加載應力的確定

由計算得缺口的應力集中系數(shù)為3.3。在試驗溫度下如果拉應力σ達到了屈服極限σsT，則缺口尖端應力會達到3.3倍的屈服極限值，缺口的強化最高可達到3倍的屈服極限，不能滿足強度要求，缺口根部會發(fā)生塑性變形和開裂，造成試樣的斷裂，因此試驗溫度下的屈服極限σsT為拉應力取值的上限。

根據(jù)應力集中系數(shù)的計算和缺口根部需要一定范圍塑性變形的要求，則最低的維持應力為σsT/3.3，因此試驗過程中的應力水平應當在這樣一個區(qū)間內(nèi)：σsT/3.3≤σ≤σsT?？紤]到試驗過程中應力的松馳取初始應力為0.8σsT，根據(jù)室溫屈服極限σs和高溫彈性模量ET、室溫彈性模量E0，則可以推定高溫的屈服強度σsT。因此，初始加載應力為：

(9)

2.3 缺口尖端應力強度因子的計算

將試樣的缺口簡化為圓柱形周向裂紋，裂紋前緣之點的應力強度因子KI可以通過下式計算：

(10)

3 實際試驗

某電廠再熱器聯(lián)箱管接頭位置出現(xiàn)大面積連續(xù)泄漏，裂紋位于與聯(lián)箱焊接的管接頭兩端的焊接熔合線上，如圖5所示，發(fā)生再熱裂紋的管接頭及連接管的材料為12Cr1MoV，規(guī)格為φ60 mm×4.5 mm。對管接頭材料進行了成分分析、金相檢驗、拉伸試驗、彎曲試驗以及對比沖擊試驗、有害成分分析、電鏡掃描及能譜等都沒有發(fā)現(xiàn)不符合要求的指標和異?，F(xiàn)象。為此按照所設計的試樣進行了小試樣插銷試驗。

圖5 裂紋出現(xiàn)的位置示意

管接頭位置母材取3組試樣分別為第1組、第3組和第4組。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3組均存在嚴重的再熱裂紋傾向，而且其敏感溫度恰好在工作溫度范圍內(nèi)。第2組試樣取自與其相連接的連接管，該組沒有發(fā)現(xiàn)有再熱裂紋傾向，這與鍋爐實際泄漏情況相吻合，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 12Cr1MoV管再熱裂紋敏感性“C”曲線

4 結(jié)論

參考文獻：

[1] 張俊善. 材料的高溫變形與斷裂[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 郁大照，陳躍良，段成美. 多缺口應力集中系數(shù)有限元研究[J]. 強度與環(huán)境，2002，(29)4：18-22.

[3] 馬 平. 拉伸載荷下環(huán)形切口試件的應力集中系數(shù)[J]. 蘭州理工大學學報，2004，(30)4：49-52.

[4] 姜求志，王金瑞. 火力發(fā)電廠金屬材料手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2001.