张建国１,董俊华１,高炳军１,富阳２
(１．河北工业大学化工学院,天津３００１３０;２．广东省特种设备检验研究院中山检测院,中山５２８４００)
摘 要:采用裂纹圆棒(CRB)试验法对PE１００管材热熔对接接头进行了不同载荷比的疲劳裂纹扩展(FCG)试验,研究了此对接接头的疲劳裂纹扩展机制,并通过外推法得到静载荷下的抗慢速裂纹扩展(SCG)性能.结果表明:当载荷比R 相同时,随着最大初始应力强度因子K max的增大,PE１００管材热熔对接接头的疲劳裂纹扩展速率增大,疲劳寿命缩短;当K max相同时,随着R 的增大,疲劳裂纹扩展速率减小,疲劳寿命增大;裂纹逐步扩展区银纹纤维拉伸长度的减小与裂纹稳定扩展区次生裂纹与主裂纹叠加均加快了热熔接头的裂纹扩展速率;利用外推法得到静载下使用寿命为５０a时所允许的最大初始应力强度因子为０．５５５MPa??m１/２.
关键词:PE１００管材;热熔对接接头;抗SCG性能
中图分类号:TH１４５．４ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００３６Ｇ０６
０ 引 言
聚乙烯(PE)管材因其诸多优良特性而得到广泛的应用[１Ｇ２].较大管径的PE 管材多采用热熔对接方式进行连接,在焊接过程中,不可避免地会产生诸如气孔、夹杂等焊接缺陷,从而影响PE管道的安全使用.通常认为在长期静载下PE管材的主要失效形式是由蠕变裂纹萌生(CreepCrackInitiation)和蠕变裂纹扩展(CreepCrackGrowth,CCG)引起的慢速裂纹扩展(Slow Crack Growth,SCG)失效[３Ｇ４].研究PE管材慢速裂纹扩展行为的传统方法主要包括缺口管道试验(NPT)、宾夕法尼亚单边缺口试验(PENT)、全缺口拉伸蠕变试验(FNCT)等.这些方法一般需要提高试验温度或加入表面活性剂来缩短试验时间,而裂纹圆棒(CrackedRoundBar,CRB)试验法可在室温和不使用表面活性剂的情况下进行,具有试验持续时间短、试验结果与实际情况吻合良好等优点.此外,CRB方法还可以利用疲劳裂纹扩展(FatigueCrackGrowth,FCG)性能参数,通过外推法得到静载荷下的SCG 性能参数.在２０１５年,国际标准化组织将CRB方法确定为测定PE管材抵抗慢速裂纹扩展能力的标准方法之一,标准号为ISO １８４８９－２０１５(E).国内外学者[３Ｇ８]采用CRB 方法对PE 管材进行了一系列研究,但利用该方法对PE 管材热熔对接接头性能的研究鲜有报道.
为了研究PE１００管材热熔对接接头的抗SCG性能,作者对PE１００管材热熔对接接头进行了CRB试验,探讨了应力强度因子K 以及载荷比R 对裂纹扩展行为和疲劳寿命的影响,通过断口形貌观察,研究了PE１００管材热熔对接接头的疲劳裂纹扩展机制,并通过外推法得到静载荷下的SCG 参数,进而确定指定使用寿命下允许的最大初始应力强度因子,为PE１００管材的安全使用提供依据.
１ 试样制备与试验方法
试验材料是由道达尔石化提供的牌号为XS１０的PE１００级注塑管材,管材公称直径为２５０mm,标准尺寸比(外径/壁厚)为１１. 采用ABF２/GATOR２５０型焊机对PE１００管材进行热熔对接焊接,焊接时环境温度为２６．５ ℃,操作电压为２２０V,加热板温度为２３２ ℃,加热时间为１６０s,冷却时间为４８０s.沿轴向截取一段含热熔接头的管材并制
成圆棒,预制裂纹的方向垂直于轴线并与热熔对接面重合,预制裂纹的深度aini＝１．５mm,CRB试样的几何尺寸如图１所示.
采用凯尔测控EUMＧ２５K２０型拉扭疲劳试验机,对CRB试样施加正弦脉动载荷,频率f＝２．５Hz,试验温度为２３ ℃.按照ISO１８４８９－２０１５(E),CRB试验的试样编号和载荷参数见表１所示,表中R 为载荷比(R ＝Fmax/Fmin,Fmax为最大载荷,Fmin为最小载荷),K max为最大初始应力强度因子.采用凯尔测控NSDS２１００型非接触式变形测量系统记录裂纹张口位移δ 随载荷循环次数N 的变化.采用FEINova NanoSEM４５０ 型场发射电子显微镜(SEM)观察断口形貌,利用ImageJ软件对断口的银纹纤维进行测量.采用能量色散X 射线检测技术(EnergydispersiveXＧraydetector,EDX)对裂纹稳定扩展区颗粒的化学成分进行分析.
２ 试验结果与讨论
２．１ δＧN 曲线
由图２(a)~(c)可知:相同R 下,当K max较大时,试验初期δ 增长率逐渐降低,中期δ 增长率趋于稳定,断裂前δ 增长率急剧增大;当K max较小时,δ具有阶梯增长的特征,K max越小,这种阶梯出现的次数越多,阶梯间δ 增长率越低,甚至出现平台,低δ
增长率段或平台所经历的循环周次越多;相同R下,K max越小疲劳寿命越长.由图２(d)可见:相同K max下,当R 较小时,试验初期δ 增长率逐渐降低,中期δ 增长率趋于稳定,断裂前δ 增长率急剧增大;当R 较大时,δ 具有阶梯增长的特征,R 越大即越
接近于静载荷时,这种阶梯出现的次数越多,阶梯间δ 增长率越低,甚至出现平台,低δ 增长率段或平台所经历的循环周次越多;相同K max下,R 越大疲劳寿命越长.
２．２ 断口形貌
由图３和图４可知:试样外侧是预制裂纹形成的光滑平面,内侧为疲劳断口,疲劳断口可划分为逐步扩展区、稳定扩展区和瞬时断裂区;随着 Kmax的增大,逐步扩展区的范围减小,稳定扩展区的范围增大;热熔对接接头 CRB试样的断口比母材的更加粗糙,稳定扩展区出现密集的韧窝.图２中δＧN 曲线所揭示的裂纹逐步扩展过程在图３和图４中表现为明暗相间的环状条纹,这是由于裂纹尖端的应力集中导致裂纹尖端钝化和银纹损伤的发生,这两种机制相互交替构成了裂纹逐步扩展的SCG 行为[９Ｇ１０].由图５可知,银纹损伤是由靠近裂纹尖端连续的纤维和充满空穴的连续薄膜构成的.
图２中δＧN 曲线所揭示的裂纹逐步扩展过程在图３和图４中表现为明暗相间的环状条纹,这是由于裂纹尖端的应力集中导致裂纹尖端钝化和银纹损伤的发生,这两种机制相互交替构成了裂纹逐步扩展的SCG 行为[９Ｇ１０].由图５可知,银纹损伤是由靠近裂纹尖端连续的纤维和充满空穴的连续薄膜构成的.
由图６可知:与１Ｇ１试样相比,１′Ｇ１试样的疲劳断口上的裂纹逐步扩展区与稳定扩展区之间区分明显,在逐步扩展区上的银纹损伤和裂纹扩展之间区分明显;逐步扩展区的银纹纤维被梳理拉伸效果更加显著,裂纹扩展区更加粗糙,在稳定扩展区上出现密集的韧窝.在试样１Ｇ１、１Ｇ２、１Ｇ３和１′Ｇ１、１′Ｇ２、１′Ｇ３的银纹损伤断口的扫描电镜图中,采用ImageJ软件随机测量２０根纤维的拉伸长度,测量结果列于表２中.由表可知:随着K max的增大,银纹纤维拉伸长度逐渐减小,且热熔接头试样逐步扩展区的银纹纤维拉伸长度小于母材试样的.由图２和图６可知,银纹损伤的形成先于裂纹的稳定扩展,银纹纤维被拉伸后产生微观塑性变形,此过程会持续相当长时间,在整个疲劳寿命中所占得比例比较大.通过由图６可知:与１Ｇ１试样相比,１′Ｇ１试样的疲劳断口上的裂纹逐步扩展区与稳定扩展区之间区分明显,在逐步扩展区上的银纹损伤和裂纹扩展之间区分明显;逐步扩展区的银纹纤维被梳理拉伸效果更加显著,裂纹扩展区更加粗糙,在稳定扩展区上出现密集的韧窝.在试样１Ｇ１、１Ｇ２、１Ｇ３和１′Ｇ１、１′Ｇ２、１′Ｇ３的银纹损伤断口的扫描电镜图中,采用ImageJ软件随机测量２０根纤维的拉伸长度,测量结果列于表２中.由表可知:随着 Kmax的增大,银纹纤维拉伸长度逐渐减小,且热熔接头试样逐步扩展区的银纹纤维拉伸长度小于母材试样的.由图２和图６可知,银 纹损伤的形成先于裂纹的稳定扩展,银纹纤维被拉伸后产生微观塑性变形,此过程会持续相当长时间,在整 个 疲 劳 寿 命 中 所 占 得 比 例 比 较 大.通 过PE１００母材与热熔接头的 CRB试验结果的对比可以发现,热熔接头试样的银纹纤维拉伸长度较短,导致接头的抗SCG能力下降,因此其疲劳寿命明显缩短.由图７可知:１Ｇ１试样的稳定扩展区呈疲劳裂纹稳定扩展的典型特征,上面存在着一些大小不一的颗粒;由于热熔对接焊接是在非真空条件下完成的,１′Ｇ１试样稳定扩展区焊缝上不可避免地会产生焊接缺陷,如微气孔,微气孔引发的内部次生裂纹与主裂纹叠加,加快了裂纹的扩展速率,并在裂纹稳定扩展区上表现为一系列抛物线形的空心韧窝,同时其中一部分微气孔处存在一些颗粒.由图８可知,裂纹稳定扩展区颗粒中的钛、铝等元素含量明显增加,这是由于在 PE 材料的生产过程中需要加入含有钛、铝等元素 的 催 化 剂[２].在 高 温 焊 接 过 程 中,产 生 的微 气孔造成了试样内部材料不连续,给裂纹萌生造成有利条件,从而导致次生裂纹的形成.由 PE１００母材及热熔接头的 CRB试验可知,热熔接头试样的疲劳寿命明显缩短,其主要原因为次生裂纹与主裂纹的叠加加快了热熔接头试样的裂纹扩展速度.
３ FCG 外推与蠕变寿命预测
相关研究[３Ｇ７]表明,在静载荷与较大R 的疲劳载荷下,断裂机理基本相似,而且通过外推得到的结果与蠕变试验结果吻合良好.因此,ISO１８４８９－２０１５(E)允许通过CRB试验的FCG 性能外推得到静载荷下材料的SCG 性能,即当载荷比R ＝１时,材料处于静载荷条件下,此时材料的使用寿命为其蠕变寿命.在图９(a)所示的K maxＧlgtf 坐标系中绘制不同R 下PE热熔接头的CRB试验失效曲线,在失效曲线上分别取Kmax为０．６５,０．７０,０．７５MPa??m１/２时的数据,再将所得数据按Kmax值分组绘制在图９
(b)的lgtfＧR 坐标系中,并外推至 R＝１,即可得到静载荷下 PE 管材热熔接头的失效时间,再将图９
(b)中R＝１时的数据绘制在图９(a)KmaxＧlgtf 坐标系中并进行连接,便得到静载荷下最大初始应力强度因子与失效时间的关系.试验中的 PE１００热熔对接接头所允许最大初始应力强度因子和指定使用年限的关系为
式中:Y 为指定使用年限;系数３１５３６０００是以s为单位的一年时间;tf 为失效时间.由此预测可知,PE１００热熔对接接头在使用寿命为５０a前提下,所允许的最大初始应力强度因子为０．５５５MPa??m１/２.
４ 结 论
(１)当 R 相同时,随着 Kmax的增大,PE１００管材热熔对接接头的疲劳裂纹扩展速率增大,疲劳寿命缩短;当Kmax相同,随着R 的增大,疲劳裂纹扩展速率减小,疲劳寿命延长.
(２)热熔对接接头在逐步扩展区中的银纹纤维拉伸长度减小,使接头的抗慢速裂纹扩展能力下降;在裂纹的稳定扩展区中,焊接过程中产生的微气孔导致次生裂纹的形成,次生裂纹与主裂纹的叠加加快了热熔接头试样的裂纹扩展速率.
(３)利用外推法确定了PE１００热熔对接接头在静载下、使用寿命为５０a时所允许的最大初始应力强度因子为０．５５５MPa??m１/２.
（文章来源：材料与测试网）