全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估(CTOD 试验和结论)

栏目:球阀知识 发布时间:2021-12-02

(注:接上一篇《全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估(影响阀体焊缝安全性的因素)》)

三、CTOD(CrackTipopeningDisplacement)试验

如前所述,全焊接阀体管线球阀阀体焊接接头是阀门压力边界完整的最大隐患,然而评价焊接接头韧性的传统试验方法夏比(Charpy)冲击试验实际上是个衡量焊接接头抗冲击能力的指标,它不能全面反映焊接接头的真实韧性,也不能解释焊接接头的失效机制,更不能反映焊接残留应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。因此,用夏比冲击韧度值来评价焊接接头的韧性,有明显的局限性。

随着英国焊接研究所在1997年提出的BS7448Part2,《断裂韧度试验·第2部分:金属材料焊接的KIC值、临界CTOD值和临界J值的测定方法》,针对焊接接头中各区域性能不均匀性和存在残留应力等特征,对BS7448Part1进行了补充规定,这是目前国际上被工程界认可的测定焊接接头CTOD断裂韧度值的试验标准。例如API1104附录A,DNV-OS-401,BS7910都是根据BS7448Part2断裂韧度CTOD值的测试规范来评定焊接结构的完整性。

1.试验方法


图2CTOO测试试验

在此根据BS7448Part2试验标准,并参照API1104及DNV-OS-401相关规范要求,以CTOD断裂韧度值来评价全焊接阀体焊接接头免焊后热处理的安全性。如图2所示根据BS7448Part2,试样取厚度B=18,宽度W=36,长度L=4×36+20,裂纹长度a≈(0.04~0.55)W。用疲劳试验机预制裂纹.在美国500KN级MTS试验机上采用原装配套的CTOD试验硬件系统和控制程序进行试验,采用6位(0.00001mm)高精度数字读数显微镜测定裂纹的扩展量。按标准确认的最佳方法——多试样法求得临界开裂的缺口张开位移量δc(或δ0.05)。

2.试验结果

CTOD试验系统及完成加载试验后得焊缝CTOD试样。试验中出现pop-in(并进/突进)的HAZ试样,试验所获得的焊缝区有效试样8个,HAZ有效试样8个,达到CTOD多试样法的要求。

其中HAZ的起裂点CTOD值占δc直接测量获得,临界CTOD值δ=0.05用多试样CTOD试验回归线与裂纹扩展量0.05mm垂直线的交点确定,突进点的CTOD值石δm由试验直接测觉获得。焊缝的起裂点CTOD值δc和临界CTOD值δ=0.05用多试样CTOD试验回归线与裂纹扩展量0.00mm及0.05mm垂直线的交点确定,突进点的CTOD值δm由试验直接测量获得。焊缝与HAZ的CTOD计算结果见《表1》。

《表1》CTOD测试结果   δc/mm δc/mm δc/mm 热影响区 0.197 0.24 0.53 焊缝 0.196 0.23 0.91

3.安全评价

参照DNV-OS-C401(挪威船级社)标准,CTOD值大于0.15mm为合格。开发工艺接头的实测δc皆大于0.15mm,表明接头可以在不进行热时效处理的情况下使用。


图3不同CTOD值的允许缺陷尺寸与最大许用应变的关系

参照API1104《管道与相关设施的焊接》标准附录A,其给出TCTOD值分别为0.005in(0.1225mm)和0.01in(0.245mm)时允许缺陷尺寸与许用应变的关系图,如图3所示。从图中可知,CTOD值越大,焊缝断裂韧度越好,所允许缺陷尺寸可增大。根据全焊接阀体焊接接头最小CTOD值等于0.197mm(0.0078in)时最大许用轴向应变与允许缺陷尺寸之间的曲线。

20in600Lb全焊接阀体球阀按额定工作压强的1.5倍计算,最大主应力为15MPa,通过有限元计算可得最大轴向应变为728με(即0.000728ε),如按API1104附录A所给出的最小可接受CTOD=0.005in(0.1225mm)考虑,最大缺陷尺寸限为0.3in,相当于7.6mm。实测CTOD=0.008in(0.196mm)其对应的缺陷允许尺寸为0.45in(11.4mm),按JB4730-941级压力容器要求执行,允许缺陷尺寸为低于0.15in(3.765mm),因此实际接头仍具有相当高的安全裕度。

全焊接阀体焊缝无损探伤按JB4730-1994的1级压力容器要求执行,其要求焊缝缺陷尺寸小于0.15in(3.675mm)。因此,当全焊接阀体焊接接头满足CTOD断裂韧度值大于0.005in(0.1225mm),焊缝无损探伤满足JB4730-94的1级压力容器要求,即可认定免焊后热处理工艺是安全可靠的。

四、结论

1)焊接接头根部结构上装配隙缝存在应力集中,进行CTOD试验,考察接头的断裂韧度是必要的。

2)试验结果表明焊缝,热影响区的最小CTOD值为0.196mm,大于API1104附录A0.125mm和DNV-OS-C4010.15mm的要求,焊缝本身经无损探伤满足JB4730-94的1级压力容器要求,因此可以认定焊接接头具有足够的断裂韧度值,作为免焊后热处理的依据是充分的。

(全文完)

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