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          瀏覽:- 發布日期:2021-07-28 13:45:25【

          張建國1,董俊華1,高炳軍1,富陽2

          (1.河北工業大學化工學院,天津300130;2.廣東省特種設備檢驗研究院中山檢測院,中山528400)

          摘 要:采用裂紋圓棒(CRB)試驗法對PE100管材熱熔對接接頭進行了不同載荷比的疲勞裂紋擴展(FCG)試驗,研究了此對接接頭的疲勞裂紋擴展機制,并通過外推法得到靜載荷下的抗慢速裂紋擴展(SCG)性能.結果表明:當載荷比R 相同時,隨著最大初始應力強度因子K max的增大,PE100管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴展速率增大,疲勞壽命縮短;當K max相同時,隨著R 的增大,疲勞裂紋擴展速率減小,疲勞壽命增大;裂紋逐步擴展區銀紋纖維拉伸長度的減小與裂紋穩定擴展區次生裂紋與主裂紋疊加均加快了熱熔接頭的裂紋擴展速率;利用外推法得到靜載下使用壽命為50a時所允許的最大初始應力強度因子為0.555MPa??m1/2.

          關鍵詞:PE100管材;熱熔對接接頭;抗SCG性能

          中圖分類號:TH145.4   文獻標志碼:A   文章編號:1000G3738(2017)09G0036G06

          SCGResistanceofButtGFusionJointofPE100PipeTestedbyCrackedRoundBarMethod

          ZHANGJianguo1,DONGJunhua1,GAOBingjun1,FUYang2

          (1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China;

          2.ZhongshanDepartmentofGuangdongSpecialEquipmentInspectionInstitute,Zhongshan528400,China)

          Abstract:Thecrackedroundbar(CRB)methodwasusedtotestthefatiguecrackgrowth(FCG)behaviorof

          PE100pipebuttGfusionjointunderdifferentloadratio.ThefatiguecrackpropagationmechanismofPE100pipebuttG

          fusionjointwasdiscussed.Theslowcrackgrowth (SCG)resistanceinstaticloadingconditionwasobtainedby

          extrapolation.TheresultsshowthatwhenloadratioR wasthesame,thefatiguecrackpropagationrateofPE100

          pipebuttGfusionjointincreasedandthefatiguelifeshortenedwiththeincreaseofmaximuminitialstressintensityfactorK maxWhenKmaxwasthesame,thefatiguecrackpropagationratedecreasedandthefatiguelifeextendedwiththeincreaseofR.Thestretchedlengthofcrazingfibrilsinthecrackdiscontinuousgrowthregionreducedandthesecondarycracksoverlaidthe maincrackinthecrackstablegrowthregion whichacceleratedthecrackpropagationrateofbuttGfusionjoint.Theallowablemaximuminitialstressintensityfactorwas0.555MPa??m1/2fortheservicelifeof50yearsunderstaticloadingconditioncalculatedbyextrapolation.

          Keywords:PE100pipe;buttGfusionjoint;SCGresistance

          0 引 言

          聚乙烯(PE)管材因其諸多優良特性而得到廣泛的應用[1G2].較大管徑的PE 管材多采用熱熔對接方式進行連接,在焊接過程中,不可避免地會產生諸如氣孔、夾雜等焊接缺陷,從而影響PE管道的安全使用.通常認為在長期靜載下PE管材的主要失效形式是由蠕變裂紋萌生(CreepCrackInitiation)和蠕變裂紋擴展(CreepCrackGrowth,CCG)引起的慢速裂紋擴展(Slow Crack Growth,SCG)失效[3G4].研究PE管材慢速裂紋擴展行為的傳統方法主要包括缺口管道試驗(NPT)、賓夕法尼亞單邊缺口試驗(PENT)、全缺口拉伸蠕變試驗(FNCT)等.這些方法一般需要提高試驗溫度或加入表面活性劑來縮短試驗時間,而裂紋圓棒(CrackedRoundBar,CRB)試驗法可在室溫和不使用表面活性劑的情況下進行,具有試驗持續時間短、試驗結果與實際情況吻合良好等優點.此外,CRB方法還可以利用疲勞裂紋擴展(FatigueCrackGrowth,FCG)性能參數,通過外推法得到靜載荷下的SCG 性能參數.在2015年,國際標準化組織將CRB方法確定為測定PE管材抵抗慢速裂紋擴展能力的標準方法之一,標準號為ISO 18489-2015(E).國內外學者[3G8]采用CRB 方法對PE 管材進行了一系列研究,但利用該方法對PE 管材熱熔對接接頭性能的研究鮮有報道.

          為了研究PE100管材熱熔對接接頭的抗SCG性能,作者對PE100管材熱熔對接接頭進行了CRB試驗,探討了應力強度因子K 以及載荷比R 對裂紋擴展行為和疲勞壽命的影響,通過斷口形貌觀察,研究了PE100管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴展機制,并通過外推法得到靜載荷下的SCG 參數,進而確定指定使用壽命下允許的最大初始應力強度因子,為PE100管材的安全使用提供依據.

          1 試樣制備與試驗方法

          試驗材料是由道達爾石化提供的牌號為XS10的PE100級注塑管材,管材公稱直徑為250mm,標準尺寸比(外徑/壁厚)為11. 采用ABF2/GATOR250型焊機對PE100管材進行熱熔對接焊接,焊接時環境溫度為26.5 ℃,操作電壓為220V,加熱板溫度為232 ℃,加熱時間為160s,冷卻時間為480s.沿軸向截取一段含熱熔接頭的管材并制

          成圓棒,預制裂紋的方向垂直于軸線并與熱熔對接面重合,預制裂紋的深度aini=1.5mm,CRB試樣的幾何尺寸如圖1所示.

          圖1 CRB試樣的形狀與尺寸

          采用凱爾測控EUMG25K20型拉扭疲勞試驗機,對CRB試樣施加正弦脈動載荷,頻率f=2.5Hz,試驗溫度為23 ℃.按照ISO18489-2015(E),CRB試驗的試樣編號和載荷參數見表1所示,表中R 為載荷比(R =Fmax/Fmin,Fmax為最大載荷,Fmin為最小載荷),K max為最大初始應力強度因子.采用凱爾測控NSDS2100型非接觸式變形測量系統記錄裂紋張口位移δ 隨載荷循環次數N 的變化.采用FEINova NanoSEM450 型場發射電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌,利用ImageJ軟件對斷口的銀紋纖維進行測量.采用能量色散X 射線檢測技術(EnergydispersiveXGraydetector,EDX)對裂紋穩定擴展區顆粒的化學成分進行分析.

          表1 PE100管材熱熔對接接頭和母材CRB試驗的試樣

          2 試驗結果與討論

          2.1 δGN 曲線

          由圖2(a)~(c)可知:相同R 下,當K max較大時,試驗初期δ 增長率逐漸降低,中期δ 增長率趨于穩定,斷裂前δ 增長率急劇增大;當K max較小時,δ具有階梯增長的特征,K max越小,這種階梯出現的次數越多,階梯間δ 增長率越低,甚至出現平臺,低δ

          增長率段或平臺所經歷的循環周次越多;相同R下,K max越小疲勞壽命越長.由圖2(d)可見:相同K max下,當R 較小時,試驗初期δ 增長率逐漸降低,中期δ 增長率趨于穩定,斷裂前δ 增長率急劇增大;當R 較大時,δ 具有階梯增長的特征,R 越大即越

          接近于靜載荷時,這種階梯出現的次數越多,階梯間δ 增長率越低,甚至出現平臺,低δ 增長率段或平臺所經歷的循環周次越多;相同K max下,R 越大疲勞壽命越長.

          圖2 不同R 和Kmax下熱熔對接接頭試樣的δGN 曲線

          2.2 斷口形貌

          由圖3和圖4可知:試樣外側是預制裂紋形成的光滑平面,內側為疲勞斷口,疲勞斷口可劃分為逐步擴展區、穩定擴展區和瞬時斷裂區;隨著 Kmax的增大,逐步擴展區的范圍減小,穩定擴展區的范圍增大;熱熔對接接頭 CRB試樣的斷口比母材的更加粗糙,穩定擴展區出現密集的韌窩.圖2中δGN 曲線所揭示的裂紋逐步擴展過程在圖3和圖4中表現為明暗相間的環狀條紋,這是由于裂紋尖端的應力集中導致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發生,這兩種機制相互交替構成了裂紋逐步擴展的SCG 行為[9G10].由圖5可知,銀紋損傷是由靠近裂紋尖端連續的纖維和充滿空穴的連續薄膜構成的.

          圖4 R=0.1下 PE100熱熔對接接頭 CRB試樣的斷口形貌


          圖2中δGN 曲線所揭示的裂紋逐步擴展過程在圖3和圖4中表現為明暗相間的環狀條紋,這是由于裂紋尖端的應力集中導致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發生,這兩種機制相互交替構成了裂紋逐步擴展的SCG 行為[9G10].由圖5可知,銀紋損傷是由靠近裂紋尖端連續的纖維和充滿空穴的連續薄膜構成的.

          圖5 銀紋結構示意


          由圖6可知:與1G1試樣相比,1′G1試樣的疲勞斷口上的裂紋逐步擴展區與穩定擴展區之間區分明顯,在逐步擴展區上的銀紋損傷和裂紋擴展之間區分明顯;逐步擴展區的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴展區更加粗糙,在穩定擴展區上出現密集的韌窩.在試樣1G1、1G2、1G3和1′G1、1′G2、1′G3的銀紋損傷斷口的掃描電鏡圖中,采用ImageJ軟件隨機測量20根纖維的拉伸長度,測量結果列于表2中.由表可知:隨著K max的增大,銀紋纖維拉伸長度逐漸減小,且熱熔接頭試樣逐步擴展區的銀紋纖維拉伸長度小于母材試樣的.由圖2和圖6可知,銀紋損傷的形成先于裂紋的穩定擴展,銀紋纖維被拉伸后產生微觀塑性變形,此過程會持續相當長時間,在整個疲勞壽命中所占得比例比較大.通過由圖6可知:與1G1試樣相比,1′G1試樣的疲勞斷口上的裂紋逐步擴展區與穩定擴展區之間區分明顯,在逐步擴展區上的銀紋損傷和裂紋擴展之間區分明顯;逐步擴展區的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴展區更加粗糙,在穩定擴展區上出現密集的韌窩.在試樣1G1、1G2、1G3和1′G1、1′G2、1′G3的銀紋損傷斷口的掃描電鏡圖中,采用ImageJ軟件隨機測量20根纖維的拉伸長度,測量結果列于表2中.由表可知:隨著 Kmax的增大,銀紋纖維拉伸長度逐漸減小,且熱熔接頭試樣逐步擴展區的銀紋纖維拉伸長度小于母材試樣的.由圖2和圖6可知,銀 紋損傷的形成先于裂紋的穩定擴展,銀紋纖維被拉伸后產生微觀塑性變形,此過程會持續相當長時間,在整 個 疲 勞 壽 命 中 所 占 得 比 例 比 較 大.通 過PE100母材與熱熔接頭的 CRB試驗結果的對比可以發現,熱熔接頭試樣的銀紋纖維拉伸長度較短,導致接頭的抗SCG能力下降,因此其疲勞壽命明顯縮短.由圖7可知:1G1試樣的穩定擴展區呈疲勞裂紋穩定擴展的典型特征,上面存在著一些大小不一的顆粒;由于熱熔對接焊接是在非真空條件下完成的,1′G1試樣穩定擴展區焊縫上不可避免地會產生焊接缺陷,如微氣孔,微氣孔引發的內部次生裂紋與主裂紋疊加,加快了裂紋的擴展速率,并在裂紋穩定擴展區上表現為一系列拋物線形的空心韌窩,同時其中一部分微氣孔處存在一些顆粒.由圖8可知,裂紋穩定擴展區顆粒中的鈦、鋁等元素含量明顯增加,這是由于在 PE 材料的生產過程中需要加入含有鈦、鋁等元素 的 催 化 劑[2].在 高 溫 焊 接 過 程 中,產 生 的微 氣孔造成了試樣內部材料不連續,給裂紋萌生造成有利條件,從而導致次生裂紋的形成.由 PE100母材及熱熔接頭的 CRB試驗可知,熱熔接頭試樣的疲勞壽命明顯縮短,其主要原因為次生裂紋與主裂紋的疊加加快了熱熔接頭試樣的裂紋擴展速度.

          圖6 1G1和1′G1試樣的斷口SEM 形貌

           不同母材及熱熔對接接頭試樣在不同載荷下的

          圖7 1G1和1′G1試樣裂紋穩定擴展區的微觀形貌

          圖8 1′G1試樣顆粒的EDX 分析結果


          3 FCG 外推與蠕變壽命預測

          相關研究[3G7]表明,在靜載荷與較大R 的疲勞載荷下,斷裂機理基本相似,而且通過外推得到的結果與蠕變試驗結果吻合良好.因此,ISO18489-2015(E)允許通過CRB試驗的FCG 性能外推得到靜載荷下材料的SCG 性能,即當載荷比R =1時,材料處于靜載荷條件下,此時材料的使用壽命為其蠕變壽命.在圖9(a)所示的K maxGlgtf 坐標系中繪制不同R 下PE熱熔接頭的CRB試驗失效曲線,在失效曲線上分別取Kmax為0.65,0.70,0.75MPa??m1/2時的數據,再將所得數據按Kmax值分組繪制在圖9

          圖9 由CRB試驗外推靜載下PE100熱熔對接接頭的SCG 失效時間


          (b)的lgtfGR 坐標系中,并外推至 R=1,即可得到靜載荷下 PE 管材熱熔接頭的失效時間,再將圖9

          (b)中R=1時的數據繪制在圖9(a)KmaxGlgtf 坐標系中并進行連接,便得到靜載荷下最大初始應力強度因子與失效時間的關系.試驗中的 PE100熱熔對接接頭所允許最大初始應力強度因子和指定使用年限的關系為

          捕獲


          式中:Y 為指定使用年限;系數31536000是以s為單位的一年時間;tf 為失效時間.由此預測可知,PE100熱熔對接接頭在使用壽命為50a前提下,所允許的最大初始應力強度因子為0.555MPa??m1/2.


          4 結 論

          (1)當 R 相同時,隨著 Kmax的增大,PE100管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴展速率增大,疲勞壽命縮短;當Kmax相同,隨著R 的增大,疲勞裂紋擴展速率減小,疲勞壽命延長.

          (2)熱熔對接接頭在逐步擴展區中的銀紋纖維拉伸長度減小,使接頭的抗慢速裂紋擴展能力下降;在裂紋的穩定擴展區中,焊接過程中產生的微氣孔導致次生裂紋的形成,次生裂紋與主裂紋的疊加加快了熱熔接頭試樣的裂紋擴展速率.

          (3)利用外推法確定了PE100熱熔對接接頭在靜載下、使用壽命為50a時所允許的最大初始應力強度因子為0.555MPa??m1/2.

          (文章來源:材料與測試網

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