張建國1,董俊華1,高炳軍1,富陽2
(1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,天津300130;2.廣東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院中山檢測院,中山528400)
摘 要:采用裂紋圓棒(CRB)試驗(yàn)法對PE100管材熱熔對接接頭進(jìn)行了不同載荷比的疲勞裂紋擴(kuò)展(FCG)試驗(yàn),研究了此對接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制,并通過外推法得到靜載荷下的抗慢速裂紋擴(kuò)展(SCG)性能.結(jié)果表明:當(dāng)載荷比R 相同時,隨著最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子K max的增大,PE100管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大,疲勞壽命縮短;當(dāng)K max相同時,隨著R 的增大,疲勞裂紋擴(kuò)展速率減小,疲勞壽命增大;裂紋逐步擴(kuò)展區(qū)銀紋纖維拉伸長度的減小與裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)次生裂紋與主裂紋疊加均加快了熱熔接頭的裂紋擴(kuò)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(yīng)力強(qiáng)度因子為0.555MPa??m1/2.
關(guān)鍵詞:PE100管材;熱熔對接接頭;抗SCG性能
中圖分類號:TH145.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(yōu)良特性而得到廣泛的應(yīng)用[1G2].較大管徑的PE 管材多采用熱熔對接方式進(jìn)行連接,在焊接過程中,不可避免地會產(chǎn)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(rèn)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(kuò)展(CreepCrackGrowth,CCG)引起的慢速裂紋擴(kuò)展(Slow Crack Growth,SCG)失效[3G4].研究PE管材慢速裂紋擴(kuò)展行為的傳統(tǒng)方法主要包括缺口管道試驗(yàn)(NPT)、賓夕法尼亞單邊缺口試驗(yàn)(PENT)、全缺口拉伸蠕變試驗(yàn)(FNCT)等.這些方法一般需要提高試驗(yàn)溫度或加入表面活性劑來縮短試驗(yàn)時間,而裂紋圓棒(CrackedRoundBar,CRB)試驗(yàn)法可在室溫和不使用表面活性劑的情況下進(jìn)行,具有試驗(yàn)持續(xù)時間短、試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況吻合良好等優(yōu)點(diǎn).此外,CRB方法還可以利用疲勞裂紋擴(kuò)展(FatigueCrackGrowth,FCG)性能參數(shù),通過外推法得到靜載荷下的SCG 性能參數(shù).在2015年,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將CRB方法確定為測定PE管材抵抗慢速裂紋擴(kuò)展能力的標(biāo)準(zhǔn)方法之一,標(biāo)準(zhǔn)號為ISO 18489-2015(E).國內(nèi)外學(xué)者[3G8]采用CRB 方法對PE 管材進(jìn)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(jìn)行了CRB試驗(yàn),探討了應(yīng)力強(qiáng)度因子K 以及載荷比R 對裂紋擴(kuò)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(kuò)展機(jī)制,并通過外推法得到靜載荷下的SCG 參數(shù),進(jìn)而確定指定使用壽命下允許的最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子,為PE100管材的安全使用提供依據(jù).
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料是由道達(dá)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(biāo)準(zhǔn)尺寸比(外徑/壁厚)為11. 采用ABF2/GATOR250型焊機(jī)對PE100管材進(jìn)行熱熔對接焊接,焊接時環(huán)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(yù)制裂紋的方向垂直于軸線并與熱熔對接面重合,預(yù)制裂紋的深度aini=1.5mm,CRB試樣的幾何尺寸如圖1所示.
采用凱爾測控EUMG25K20型拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī),對CRB試樣施加正弦脈動載荷,頻率f=2.5Hz,試驗(yàn)溫度為23 ℃.按照ISO18489-2015(E),CRB試驗(yàn)的試樣編號和載荷參數(shù)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(yīng)力強(qiáng)度因子.采用凱爾測控NSDS2100型非接觸式變形測量系統(tǒng)記錄裂紋張口位移δ 隨載荷循環(huán)次數(shù)N 的變化.采用FEINova NanoSEM450 型場發(fā)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(jìn)行測量.采用能量色散X 射線檢測技術(shù)(EnergydispersiveXGraydetector,EDX)對裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)顆粒的化學(xué)成分進(jìn)行分析.
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 δGN 曲線
由圖2(a)~(c)可知:相同R 下,當(dāng)K max較大時,試驗(yàn)初期δ 增長率逐漸降低,中期δ 增長率趨于穩(wěn)定,斷裂前δ 增長率急劇增大;當(dāng)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(xiàn)的次數(shù)越多,階梯間δ 增長率越低,甚至出現(xiàn)平臺,低δ
增長率段或平臺所經(jīng)歷的循環(huán)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(dāng)R 較小時,試驗(yàn)初期δ 增長率逐漸降低,中期δ 增長率趨于穩(wěn)定,斷裂前δ 增長率急劇增大;當(dāng)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(xiàn)的次數(shù)越多,階梯間δ 增長率越低,甚至出現(xiàn)平臺,低δ 增長率段或平臺所經(jīng)歷的循環(huán)周次越多;相同K max下,R 越大疲勞壽命越長.
2.2 斷口形貌
由圖3和圖4可知:試樣外側(cè)是預(yù)制裂紋形成的光滑平面,內(nèi)側(cè)為疲勞斷口,疲勞斷口可劃分為逐步擴(kuò)展區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū);隨著 Kmax的增大,逐步擴(kuò)展區(qū)的范圍減小,穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)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(wěn)定擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)密集的韌窩.圖2中δGN 曲線所揭示的裂紋逐步擴(kuò)展過程在圖3和圖4中表現(xiàn)為明暗相間的環(huán)狀條紋,這是由于裂紋尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發(fā)生,這兩種機(jī)制相互交替構(gòu)成了裂紋逐步擴(kuò)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(xù)的纖維和充滿空穴的連續(xù)薄膜構(gòu)成的.
圖2中δGN 曲線所揭示的裂紋逐步擴(kuò)展過程在圖3和圖4中表現(xiàn)為明暗相間的環(huán)狀條紋,這是由于裂紋尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發(fā)生,這兩種機(jī)制相互交替構(gòu)成了裂紋逐步擴(kuò)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(xù)的纖維和充滿空穴的連續(xù)薄膜構(gòu)成的.
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(kuò)展區(qū)與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)之間區(qū)分明顯,在逐步擴(kuò)展區(qū)上的銀紋損傷和裂紋擴(kuò)展之間區(qū)分明顯;逐步擴(kuò)展區(qū)的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴(kuò)展區(qū)更加粗糙,在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)上出現(xiàn)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(jī)測量20根纖維的拉伸長度,測量結(jié)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(kuò)展區(qū)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(wěn)定擴(kuò)展,銀紋纖維被拉伸后產(chǎn)生微觀塑性變形,此過程會持續(xù)相當(dāng)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(kuò)展區(qū)與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)之間區(qū)分明顯,在逐步擴(kuò)展區(qū)上的銀紋損傷和裂紋擴(kuò)展之間區(qū)分明顯;逐步擴(kuò)展區(qū)的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴(kuò)展區(qū)更加粗糙,在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)上出現(xiàn)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(jī)測量20根纖維的拉伸長度,測量結(jié)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(kuò)展區(qū)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(wěn)定擴(kuò)展,銀紋纖維被拉伸后產(chǎn)生微觀塑性變形,此過程會持續(xù)相當(dāng)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(yàn)結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn),熱熔接頭試樣的銀紋纖維拉伸長度較短,導(dǎo)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(wěn)定擴(kuò)展區(qū)呈疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)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(wěn)定擴(kuò)展區(qū)焊縫上不可避免地會產(chǎn)生焊接缺陷,如微氣孔,微氣孔引發(fā)的內(nèi)部次生裂紋與主裂紋疊加,加快了裂紋的擴(kuò)展速率,并在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)上表現(xiàn)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(wěn)定擴(kuò)展區(qū)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(chǎn)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(chǎn) 生 的微 氣孔造成了試樣內(nèi)部材料不連續(xù),給裂紋萌生造成有利條件,從而導(dǎo)致次生裂紋的形成.由 PE100母材及熱熔接頭的 CRB試驗(yàn)可知,熱熔接頭試樣的疲勞壽命明顯縮短,其主要原因?yàn)榇紊鸭y與主裂紋的疊加加快了熱熔接頭試樣的裂紋擴(kuò)展速度.
3 FCG 外推與蠕變壽命預(yù)測
相關(guān)研究[3G7]表明,在靜載荷與較大R 的疲勞載荷下,斷裂機(jī)理基本相似,而且通過外推得到的結(jié)果與蠕變試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.因此,ISO18489-2015(E)允許通過CRB試驗(yàn)的FCG 性能外推得到靜載荷下材料的SCG 性能,即當(dāng)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(biāo)系中繪制不同R 下PE熱熔接頭的CRB試驗(yàn)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(shù)據(jù),再將所得數(shù)據(jù)按Kmax值分組繪制在圖9
(b)的lgtfGR 坐標(biāo)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(shù)據(jù)繪制在圖9(a)KmaxGlgtf 坐標(biāo)系中并進(jìn)行連接,便得到靜載荷下最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子與失效時間的關(guān)系.試驗(yàn)中的 PE100熱熔對接接頭所允許最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子和指定使用年限的關(guān)系為
式中:Y 為指定使用年限;系數(shù)31536000是以s為單位的一年時間;tf 為失效時間.由此預(yù)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(yīng)力強(qiáng)度因子為0.555MPa??m1/2.
4 結(jié) 論
(1)當(dāng) 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(kuò)展速率增大,疲勞壽命縮短;當(dāng)Kmax相同,隨著R 的增大,疲勞裂紋擴(kuò)展速率減小,疲勞壽命延長.
(2)熱熔對接接頭在逐步擴(kuò)展區(qū)中的銀紋纖維拉伸長度減小,使接頭的抗慢速裂紋擴(kuò)展能力下降;在裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)中,焊接過程中產(chǎn)生的微氣孔導(dǎo)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(kuò)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(yīng)力強(qiáng)度因子為0.555MPa??m1/2.
(文章來源:材料與測試網(wǎng))