含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究.pdf

第5 9 卷第l 期 20 07 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a [ s V 0 1 ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y 2007 含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究 李亚宁1 ，董保胜2 ，赵新伟2 ，罗金恒1 ，一，周根树1 ，郑茂盛1 1 ．西安交通大学材料科学与工程学院，西安7 1 0 0 4 9 ； 2 ．中国石油天然气集团公司管材研究所，西安7 1 0 0 6 5 摘要在力学性能测试的基础上，应用C E G BR 6 ．R e v i s o n4 方法中的选择1 和选择3 曲线．对1 6 M n R ，2 0 R 和Q 2 3 5 B 三种 含裂纹型缺陷压力容器用钢的失效评定曲线进行研究。结果表明，三种材料的失效评定曲线基本上均在L ， 0 ．4 后因试样结构 不同而发生分散，而且均以是以L ， 0 ．7 为分界线，在两侧分别出现不同的最为保守和最不保守曲线。给出了符合三种材料特性 的失效评定曲线拟合方程，以便为工程应用提供依据。 关键词金属材料；压力容器用钢；缺陷评定；失效评定曲线 中图分类号T G l 4 2 ；T G l l 5 ．5 ；T K 2 2 9 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 0 1 0 0 4 随着现代工业的发展，压力容器应用越来越广， 规模也越来越大，因此，压力容器的安全及缺陷评定 技术越来越显得重要⋯。国际上对这方面工作进 行了大量研究，并取得了可喜的进展。尤其是近十 多年来，断裂力学中的弹塑性断裂理论及其在压力 容器中的应用有了新的重大进展，使得压力容器缺 陷评定技术有了重大突破，并日趋统一【2 。7J 。然而 由于工程实践中影响失效评定曲线的因素很多，容 易产生误差。王志文喁J 等提出材料的长屈服平台 问题是我国需要解决的一个最具代表性的问题。在 评定规范和方法方面，英国的C E G BR 6 规范第3 版[ 1 1 】对我国压力容器安全评定规范S A P V 一9 5 C 1 2 】建 立起过很重要的作用。鉴于近年来欧美安全评定规 范的飞速发展，R 6 已于2 0 0 1 年颁布了它的全新版 R 6 一R e v i s o n4 。为此，选用在国际上具代表性的R 6 一 R e v i s o n4 [ 3J 方法对我国常用典型压力容器用钢 1 6 M n R ，2 0 R ，Q 2 3 5 B 三种材料的失效评定曲线进行 了研究，给出了适合材料特性的失效评定曲线，以便 为工程应用提供依据。 1实验方法 1 ．1 材料化学成分 所用1 6 M n R 和2 0 R 钢板来自河南某钢铁有限 责任公司，厚度分别为2 4 m m 和1 6 m m ，Q 2 3 5 B 来自 收稿日期2 0 0 5 一0 6 2 8 基金项目中国石油天然气集团公司管材研究所开放项目 0 3 1 3 4 1 1 0 3 作者简介李亚宁 1 9 8 2 一 ．女，山西运城市人，硕士生，主要从事 材料断裂与疲劳等方面的研究。 另一钢铁 集团 公司生产的厚为1 8 m m 的钢板。三 种材料化学成分如表1 所示，均符合国家标准要求。 表1 材料化学成分 w f ／％ T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a t e r i a l s 材料 C 1 6 M n R1 4 2 0 R1 4 Q 2 3 5 B1 5 S iM r lPS 3 31 2 91 ．40 ．5 2 16 21 ．20 ．9 1 84 22 ．82 ．7 1 ．2 试验过程 试验采用三点弯曲和双边裂纹试样加载，原材 料分别经过机加工、抛光、钼丝切割、预制疲劳裂纹 等过程完成试样制备，经钼丝切割和预制疲劳裂纹 后a o ／W 0 ．5 5 ～0 ．6 5 。1 6 M n R ，2 0 R ，Q 2 3 5 B 三种 材料的三点弯曲尺寸分别为2 0 m m 4 0 r a m 1 8 0 m m ，1 4 m m 2 8 m m 1 2 6 m m ，1 6 m m 3 2 r a m 1 4 4m m ，双边裂纹尺寸均为4 m m 5 0 r a m 2 0 0 m m 。预制疲劳裂纹在高频疲劳机A M S L E R H F P 5 1 0 0 上完成。拉伸和弯曲试验在电液伺服I N s T R o N M O D E L l 3 4 2 型材料试验机上进行，试验过 程中可以对载荷一施力点位移在X ．y 记录仪上绘制 P - △曲线。 2 试验结果分析 2 ．1 力学性能测试结果 表2 为三种材料的力学性能测试结果。从中可 以看出，1 6 M n R 的综合力学性能最好，2 0 R 次之， Q 2 3 5 B 最差。结合材料的化学成分可以看出，出现 这种差别的原因在于M n 和S i 两种元素的加人， 万方数据 第1 期李亚宁等含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究 M n 和S i 两种元素对材料的力学性能影响显著，使 材料的强度大幅度提高。 表2 材料的力学性能 T a b l e 2M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l s 2 ．2 三种材料的热轧态金相组织 图1 为三种材料的金相组织。由图1 可见，三 种材料组织均为铁素体 珠光体，其中1 6 M n R 的 组织最为细密，2 0 R 和Q 2 3 5 B 的组织较大。根据 H a l l P e t c h 公式，晶粒的减小使材料的强度迅速升 高，同时细小的组织内部不同晶粒之间、晶粒内不同 部分之间的变形更加均匀，再加上细晶组织的流变 应力较高，这样可以消耗材料在塑性变形过程中的 能量，进而提高材料的塑性，这与表2 的力学性能测 试结果相一致。 a 一1 6 M n R ； b 一2 0 R ； c 一Q 2 3 5 B 图1 材料的金相组织 F i g ．1 A s - h o tr o l l e dm i c r o s t r u c t u r e so fa l l o y sf o rm a t e r i a l s 2 ．3 拉伸试样断口形貌 为了弄清楚材料的断裂机理，分别对三种材料 的拉伸断口形貌进行了观察，图2 为断口形貌。可 以看出，微观上断E l 均呈韧窝状，表明材料均为韧性 断裂。进一步的对比分析发现， a 和 c 试样的韧 窝相对更深，表明1 6 M n R 和Q 2 3 5 B 的塑性高于 2 0 R ，但 b 和 c 试样韧窝的尺寸却大于 a 试样，表 明2 0 R 和Q 2 3 5 B 的晶粒相对粗大，对强度有不利影 响。断口分析与拉伸试验结果一致。 a 一1 6 M n R 8 0 0 ； b 一2 0 R 8 0 0 ； c 一Q 2 3 5 B 8 0 0 图2 拉伸试样断口形貌 F i g ．2S E Mi m a g e so ft h r e et e n s i l es a m p l e s 2 ．4 应力应变曲线 图3 为三种材料测试所得的工程应力应变曲线。 从图3 可以明显看出，三种材料均出现长屈服平台现 象，其中1 6 M n R 的屈服平台最长，屈服强度达到了 3 7 9 M P a ，0 2 3 5 B 与2 0 R 的屈服强度相当，均为 2 5 6 M P a 左右，但Q 2 3 5 B 的屈服强度较大些。另外， 由表2 可知三种材料的延伸率均很高。综合分析发 现，钢材的屈服平台愈长，材料的塑性韧性就愈好。 2 ．5 失效评定曲线 2 ．5 ．1 三种材料失效评定曲线对比分析。对以往 研究的各种典型裂纹构件的失效评定曲线进行分析 比较，得出一些规律旧J 受弯曲载荷的结构 如T P B 和C T 的失效评定曲线较高，而受拉伸载荷试件则 偏低，尤以双边裂纹板 D E C P 为最低。为此，主要 针对三点弯曲试样和双边裂纹板两种试样进行研究 分析，运用R 6 ．R e v i s o n4 方法中R 6 1 和R 6 3 绘制 其失效评定曲线，结果见图4 。同时采用o r i g i n 软件 给出了符合材料特性的失效评估曲线的B o l t z m a n n 万方数据 1 2有色金属第5 9 卷 拟合方程，式 1 为1 6 M n R ，式 2 为2 0 R ，式 3 为 Q 2 3 5 B 。 蛊 善 R 型 应变，％ 图3 材料的工程应力应变曲线 F i g ．3 S t r e z s - s t r a i nc u l v e so fm a t e r i a l s 图4 三种材料失效评定曲线 F i g ．4 F a i l u r ea s s e s s m e n tC u r v e so ft h r e em a t e r i a l s K ， 0 ．8 1 ／ 1 e L r o ’8 3 加0 7 0 ．1 6 T P B ； K ， 0 ．7 8 ／ 1 e L ，一o 7 5 ／0 0 8 0 ．1 9 D E C P 1 K ， 0 ．6 7 ／ 1 e L o 7 5 7 0 0 5 0 ．3 2 T P B ； K ， 0 ．7 3 ／ 1 e L ，一o 7 2 ／o 0 6 0 ．2 6 D E C P 2 K ， 0 ．8 8 ／ 1 e L r o 8 2 加0 7 0 ．0 7 T P B ； K ， 0 ．7 4 ／ 1 e L ，一o 7 4 加_ 0 7 0 ．2 6 D E C P 3 对三种材料失效评定曲线进行分析对比，由图 4 和表3 可见，三种材料的失效评定曲线均符合上 述规律。另外，值得指出的是虽然钢材屈服平台越 长，材料的塑韧性就越好，但其对，积分值带来很 大的影响。因为当裂纹体被加载到裂尖大范围屈服 时，屈服区内的材料正处于屈服平台内尚未强化，大 变形得不到抑制。导致，。值大幅度下降，而且极易 下降到R 6 ．1 之下。研究发现，三种材料的失效评定 曲线基本上全是在L ， 0 ．4 后因试样结构不同而 发生分散，而且均以L ， 0 ．7 为分界线，在两侧分 别出现不同的最为保守和最不保守曲线，而通常认 为保守的通用曲线R 6 ．1 并不是十分保守。因此，在 运用失效评定曲线进行工程分析时，应该多方面考 虑加以运用。 表3 三种材料失效评定曲线对比 T a b l e 3C o m p a r i s o no ff a i l u r ea s s e s s m e n t c u r v e sf o rt h r e es a m p l e s 2 ．5 ．2 三种材料失效评定曲线综合分析。把试验 所得全部数据与我国压力容器规范S A P V 一9 5 中的 通用失效评定曲线进行对比，由图5 f 1 可见，在L ， 0 ．7 之后不保守程度极为明显。为此，对所有 数据的包络线进行拟合，给出了最为保守和最不保 守曲线拟合方程，以便为工程应用提供依据。拟合 曲线见图5 b ，拟合方程为最低线式 4 和最高线 式 5 。 K ， 0 ．8 ／ 1 e L r - 0 ．7 3 加0 7 0 ．1 3 4 K ， 0 ．7 ／ 1 e L ，一o 8 2 加0 6 0 ．3 5 3结论 采用R 6 方法结合实验研究，获得1 6 M n R ，2 0 R 和Q 2 3 5 B 三种材料含裂纹型缺陷的失效评定曲线。 万方数据 第1 期李亚宁等含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究1 3 所用三种材料的F A C 曲线基本上均在L ， 0 ．4 后 因试样结构不同而发生分散，而且均以是以L ， 参考文献 0 ．7 为分界线，在两侧分别出现不同的最为保守和 最不保守曲线。 图5S A P V ．9 5 通用失效评定曲线 a 及拟合曲线 b F i g ．5C o m m o nf a i l u r ea s s e s s m e n tc u r v eo fS A P V - 9 5 a a n ds i m u l a t i o nc u r v e s b [ 1 ] 李志安，金志浩，宫殿民，等．压力容器断裂理论与缺陷评定[ M ] ．大连大连理工大学出版社。1 9 9 4 1 0 0 1 0 8 ． [ 2 ] 李培宁．世界各国缺陷评定规范的发展[ C ] ／／第五届全国压力容器学术会议专题报告．南京中国机械工程学会，2 0 0 1 5 0 7 5 1 7 ． [ 3 ] B r i t i s hE n e r g yG e n e r a t i o nL t d ．R 6 a s s e s s m e n to ft h ei n t e g r i t yo fs t r u c t u r e sc o n t a i n i n gd e f e c t s [ K ] ．R e v i s i o n4 ．B r i t i s hE n e r g y G e n e r a t i o nL t d ，2 0 0 1 ． [ 4 ] A i n s w o r t hRA ，G u t i e r r e z S o l a n aF ，R u i zO c e j oJ ．A n a l y s i sl e v e l sw i t h i nt h eS I N T A Pd e f e c ta s s e s s m e n tp r o c e d u r e s [ J ] ．E n g i ． n e e r i n gF r a c t u r eM e c h a n i c s ，2 0 0 0 ，6 7 5 1 5 5 2 7 ． [ 5 ] A i n s w o r t hRA ，S a t t a r i F a rI ，S h e r r yAH ，e ta 1 ．M e t h o d sf o ri n c l u d i n gc o n s t r a i n te f f e c t sw i t h i nt h eS I N T A Pp r o c e d u r e [ J ] ． E n g i n e e r i n gF r a c t u r eM e c h a n i c s ，2 0 0 0 ，6 7 5 6 3 5 7 1 ． [ 6 ] W i e s n e rCS ，M a d d o xSJ ，X uW ，e ta 1 ．E n g i n e e r i n gc r i t i c a la n a l y s e st OB S 7 9 1 0 一t h eU Kg u i d eo nm e t h o d sf o ra s s e s s i n gt h ea c e e p t a b i l i t yo ff l a w si nm e t a l l i cs t r u c t u r e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g ，2 0 0 0 ，7 7 8 8 3 8 9 3 ． [ 7 ] T e dLA n d e r s o n ，D a v i dAO s a g e ．A P I5 7 9 f lc o m p r e h e n s i v ef i t n e s s f o r s e r v i c eg u i d e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP r e s s u r e V e s s e l sa n dP i p i n g ，2 0 0 0 ，7 7 9 5 3 9 6 3 ． [ 8 ] 王志文，李培宁，雷月葆，等．我国压力容器通用失效评定曲线的初步研究[ J ] ．化工机械，2 2 2 1 1 5 1 2 4 ． [ 9 ] M i l n eI ，A i n s w o r t hRA ，D o wl i n gAR ，e ta 1 ．A s s e s s m e n to ft h ei n t e g r i t yo fs t r u c t u r e sc o n t a i n i n gd e f e c t s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fP r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g ，1 9 8 8 ，3 2 1 2 4 3 1 0 4 ． [ 1 0 ] A n i s w o r t hRA ．F a i l u r ea s s e s s m e n td i a g r a m sf o ru s ei nR 6a s s e s s m e n t sf o ra u s t e n i t i cc o m p o n e n t s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g ，1 9 9 6 ，6 5 3 0 3 3 0 9 ． [ 11 ] L iPN ，L e iY ，Z h o n gQP ，e ta 1 ．AC h i n e s es t r u c t u r a li n t e g r i t ya s s e s s m e n tp r o c e d u r ef o rp r e s s u r ev e s s e l sc o n t a i n i n gd e f e c t s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g2 0 0 0 ，7 7 9 4 5 9 5 2 ． I n v e s t i g a t i o no nF a i l u r eA s s e s s m e n tC u r v e so fP r e s s u r eV e s s e lS t e e l sw i t hC r a c kC o n t a i n e d L jy n n i n 9 1 ，D O N GB a o - s h e n 9 2 ，Z H A OX i n w e i 2 ，L U Of i n 。h e n 9 1 一，Z H O UG e n ．s h u l ，Z H E N GM a o - s h e n 9 1 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，X i ’a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，X i ’a n71 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2 ．C P N C ，T u b u l a rG o o d sR e s e a r c hC e n t e r ，X i ’a n7 1 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h em e a s u r e m e n to ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o r s ，t h ef a i l u r ea s s e s s m e n tc u r v e so f1 6 M n R ，2 0 Ra n d Q 2 3 5 B ，t h r e eh i g hp r e s s u r ev e s s e ls t e e l sw i t hc r a c kd e f e c t s ，a r ei n v e s t i g a t e db yt h es e l e c t i v eN o1a n dN 0 3m e t h o d si nU KC E G BR 6 。R e v i s o n4 ．T h er e s u l t ss h o wt h a tI t i sf o u n dt h a tt h ef a i l u r ea s s e s s m e n tc u r v e so ft h r e e s a m p l e sa r ed i s p e r s e df o rt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ea tL ， 0 ．4c o n d i t i o n ，a n dg e n e r a l l yL ， 0 ．7i st h eb o r d e r l i n e o ft h et h r e ef a i l u r ea S s e s s m e n tc u r v e s ．T h em o s tc o n s e r v a t i v ec u r v ea n dt h el e a s tc o n s e r v a t i v ec u r v ea r ea p p e a r e d a te a c hs i d e ，r e s p e c t i v e l y ．T h ef i t t e de q u a t i o n so ff a i l u r ea s s e s s m e n tc u r v e sf o rt h r e ep r e s s u r ev e s s e ls t e e l so f 1 6 M n R ，2 0 Ra n dQ 2 3 5 Ba r eg i v e ni no r d e rf o re s t a b l i s h i n gt h ef o u n d a t i o no fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；p r e s s u r ev e s s e ls t e e l s ；d e f e c ta s s e s s m e n t ；f a i l u r ea s s e s s m e n tc u r v e s 万方数据