刘长军1,2,龚伟忠1,2,曾 鑫1,2,徐秀清3,刘俊杰1,2,谈建平1,2
(华东理工大学1.承压系统与安全教育部重点实验室,2.机械与动力工程学院,上海 200237; 3.中国石油天然气集团公司石油管工程技术研究院,西安 710000)
摘 要:通过试验获得9Ni钢焊接接头、母材和焊缝在室温20 ℃和低温-158 ℃下的拉伸和断 裂性能,对比分析了温度对性能的影响;建立了母材和焊缝的近似 R6选择2失效评定曲线(FAC) 以及9Ni钢焊接接头的 FAC,并进行了对比。结果表明:低温下母材的拉伸和断裂性能以及接头 和焊缝的拉伸性能均高于室温下,焊缝的断裂韧度几乎不随温度改变;不同温度下焊缝的屈服强度 和断裂韧度均低于母材,焊缝是9Ni钢焊接接头的薄弱区域。由室温拉伸性能构建的近似选择 2FAC包络面积均略小于采用低温拉伸性能构建的 FAC,故可用室温拉伸性能构建近似选择 2FAC对9Ni钢焊接接头进行安全评定;分段选取室温下母材和焊缝的近似选择2FAC构建的焊 接接头 FAC能最保守地对低温9Ni钢含缺陷结构进行安全评定。
关键词:9Ni钢;焊接接头;力学性能;失效评定曲线;液化天然气 中图分类号:TG115.52 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0028-05
0 引 言
9Ni钢具有强度高、低温韧性好、热膨胀系数小 以及焊接性能优异等优点[1-2],是深冷设备的理想材 料,广 泛 应 用 于 大 型 低 温 液 化 天 然 气 (LNG)储罐[3-5]。LNG 储罐体积庞大,其整体结构中不可避 免存在大 量 被 视 为 薄 弱 结 构 的 焊 接 接 头,因 此 在 LNG 储罐特殊低温(-162 ℃)环境下对焊接接头 的力学性能和储罐安全性进行评估至关重要。 9Ni钢焊接接头的力学参数是 LNG 储罐失效 评定曲线建立的数据基础。目前,已经对9Ni钢在 LNG 储罐低温环境下的力学性能开展了一些研究。 王国平等[6]开展了超低碳9Ni钢焊接接头和模拟焊 接热影响区低温韧性的研究,发现在多道焊热影响 区组织中的马氏体板条间析出了逆转奥氏体,这种 组织能提高焊接热影响区的低温韧性。张敏等[7]进 行了国产9Ni钢焊接及热处理工艺研究,结果显示 国产9Ni钢接头的低温冲击韧性和抗拉强度均满足 美国材料试验协会(ASTM)标准要求。朱青松等[8] 分别采用手工电弧焊和埋弧焊对9Ni钢板进行焊 接,结果显示两种焊接方法的焊接接头都具有高的 强度、良好的低温冲击和弯曲性能。然而,基于室温 和低温下9Ni钢焊接接头的力学性能数据建立失效 评定曲线少有研究。 在失效评定技术方面,基于J积分理论发展起 来的失 效 评 定 图 (FAD)法 是 国 际 上 公 认 的 方 法。 应用最为广泛的英国 R6标准[9]对含缺陷均质材料 构件的安全评价提供了3种选择:R6选择1曲线、 R6选择 2 曲 线 和 R6 选 择 3 曲 线。R6 选 择 1 曲 线[10]是一条通用的、起筛选作用的简单而保守的失 效评定曲线(FAC),该曲线与结构形式、材料和外 载均无关;R6选择2曲线是 AINSWORTH [11]发展 的参考应力J积分失效评定曲线,该曲线与结构形 式和加载方式无关,仅取决于材料的应力-应变关系 曲线,计算简单;R6选择3曲线[12]是一条精确的失 效评定曲线,与材料、裂纹几何尺寸和外载均有关, 其计算工作量很大,尤其是对三维复杂结构的计算 量巨大,在一般的工程中应用是不现实的。早期焊 接接头都选择母材与焊缝两者中强度较差一方的材 料作为接头材料开展研究,用均质材料缺陷评定方 法对含缺陷接头进行安全评价。目前,失效评定技 术鲜有在 LNG 储罐等低温设备上应用,而且通用 的 R6选择1曲线是否包络9Ni钢及其接头,用强 度较弱一方的均一材料对焊接接头进行安全评定是 否合适,有待进一步探讨。 作者通过试验测试了9Ni钢焊接接头在室温 (20 ℃)和低温(-158 ℃)下的拉伸和断裂性能,对 比分析了轧制钢板取样方向对母材以及温度对母 材、接头和焊缝性能的影响;基于不同试样的试验数 据建立了9Ni钢焊接接头的失效评定曲线并进行了 对比分析。
试验用9Ni钢及其焊接接头由西安中国石油天 然气集团公司管材研究所提供。9Ni钢 板 厚 度 为 12mm,热处理工艺为淬火+回火;焊接方法采用埋 弧自动对接焊工艺,焊丝为 ERNiCrMo-4,焊剂 为 Marathon104,焊接方向和轧制方向平行。 分别按照 GB/T228.3-2019和 GB/T228.1- 2010,在INSTRON8801型电液伺服试验机上进行 低温(-158 ℃)和室温(20 ℃)拉伸试验,拉伸试样 尺寸为?12mm×80mm,标距为40mm,分别取接 头、母材和焊缝试样。母材拉伸试样的取样方向有 两种,试样轴线平行于焊缝方向和垂直于焊缝方向; 接头拉伸试样的轴线垂直于焊缝方向,焊缝位于试 样中心位置;焊缝拉伸试样的轴线平行于焊缝。每 一种试样各进行3组平行试验并取平均值。 按 照 GB/T21143—2014 在 INSTRON 8801 型电液伺服试验机上进行低温(-158 ℃)和室温 (20 ℃)断裂韧性试验,采用紧凑拉伸(CT)试样,具 体几何尺寸如图1所示。CT试样分为母材和焊缝试 样两种:母材试样的取样方向有两种,预制裂纹分别 平行和垂直于焊缝方向;焊缝试样的预制裂纹平行于 焊缝。每一种试样各进行3组平行试验并取平均值。
为了分析9Ni钢母材在室温及低温下拉伸性能 的差异,分别在母材室温和低温拉伸断口附近取样, 使用JEM-2100型透射电镜(TEM)对其组织进行观 察,加速电压为200kV,放大倍数为40000倍。
2.1 取样方向和温度对拉伸性能的影响
由图2可以看出:室温和低温下9Ni钢焊接接头母材的工程应力-应变曲线形状类似,屈服平台长度 相差不大,但低温下母材的断后伸长率明显高于室 温;室温和低温下焊接接头和焊缝的工程应力-应变 曲线均无屈服平台,但焊缝试样拉伸断裂后的工程应 变可以达到一个较高的值,说明焊缝的塑性优异。由表1可以看出:9Ni钢焊接接头母材垂直和 平行于焊缝方向的室温屈服强度和抗拉强度相差约 0.2%和0.5%,可以认为取样方向对母材室温拉伸 性能几乎没有影响;在低温下母材、接头和焊缝的屈 服强度和抗拉强度相比于室温都有较大的提高,其 中低温下母材的屈服强度和抗拉强度较室温均提升 了36%以上。低温下母材强度提高的主要原因在 于低温下原子间距减小,吸引力增大,克服势阱需要 的 外加能量增加,同时温度越低塑性滑移开动越困难[13-14]。此外,无论是室温还是低温,母材、接头和 焊缝这三者的抗拉强度均相差不大;而对于屈服强 度,母材明显远大于接头和焊缝,且焊缝的屈服强度 始终最小。
对于一般的材料,随着温度降低,位错的形成更 易在局 部 形 成 应 力 集 中,导 致 解 理 断 裂 更 易 发 生[15]。而9Ni钢在-158 ℃下未呈现变脆倾向,这 与钢中镍含量较高相关;镍可改善材料的低温韧性, 降低韧脆转变温度,同时细化晶粒,并且镍的固溶会 提高基体交叉滑移能力,减少间隙原子与位错的交 互作用[13]。另外,由图3可以看到,室温拉伸后9Ni 钢母材试样中的位错主要出现在较软晶粒中,低温 下位错开动更均匀,位错量增加。
由图4可以看出,9Ni钢焊接接头试样在低温 拉伸时均在焊缝处发生断裂,断口处颈缩现象不显 著,室温拉伸时则在母材处发生断裂,断口颈缩现象 较显著,并且焊缝处也出现了程度较小的颈缩现象。 实际观察发现,焊接接头在室温拉伸过程中,其焊缝 金属首先发生颈缩,但颈缩到一定程度时母材开始 颈缩直至断裂;其原因在于室温下焊缝金属在经过 强化阶段后的强度高于母材(图2)。
2.2 取样方向和温度对断裂韧性的影响
由表2可以看出:室温下母材不同取样方向的 断裂韧度 KJC 相差约1.4%,可以认为取样方向对 母材断裂韧性几乎没有影响;低温下母材的断裂韧 度明显高于室温下,提升约58.7%;焊缝在室温和 低温下的断裂韧度几乎相同,且远低于相同温度下 的母材,推断在室温和低温环境下焊缝相对于母材 更易发生破坏。由拉伸性能及断裂韧性可知,焊缝是9Ni钢接头的薄弱区域。
3 9Ni钢焊接接头失效评定曲线的建立与分析
3.1 近似选择2失效评定曲线建立方法
由前文可知,早期针对非均质焊接接头的缺陷
评定,都选择以母材与焊缝两者中强度较差一方的
材料作为接头材料开展研究,用均质材料缺陷评定
方法对含缺陷接头进行安全评价。对于单材料而
言,R6标准[9]根据材料拉伸曲线是否有屈服平台给
出了近似选择2曲线的建立方法。适用于无屈服平
台材料的近似选择2曲线表达式为
f
cy
2 (Lr)=
(1+0.5L
2
r)
-
1
2 ×
[0.3+0.7exp(-μL
6
r)] (Lr ≤1)
f
cy
2 (1)L
(N-1)/2N
r (1
maxr 区间内也不能对母材进行保守评价。故可分段选取室温下母材和焊缝材料的近似选择2曲线,建立低温下9Ni钢焊接接头专用失效评定曲线。