裂纹尖端张开位移(CTOD) 试验研究报告

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1、天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究报告委托单位：四川精控阀门制造有限公司试验单位：西南交通大学力学与工程学院试验人：包陈，贾琦，陈龙，姚博负责人：蔡力勋报告人：蔡力勋，包陈西南交通大学力学与工程学院二0一0年四月天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀国产化试制裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究报告1研究背景本项目为“天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目高压大口径全焊接球阀国产

2、化试制”技术条件所要求的裂纹尖端张开位移（CTOD，cracktipopeningdisplacement）试验。高压大口径全焊接球阀型号为CL60040"、CL60048"，主要用于石油天然气管道运输及终端分配。球阀连接管线分别为API5LX70钢级管线钢管和API5LX80钢级管线钢管，服役环境温度为-29℃～42℃，输送介质为管输天然气，介质温度0～93℃，输送介质压力10MPa。该球阀既承受管道内部压力，服役环境又存在如地基沉降、泥石流、地下水的电位腐蚀和应力腐蚀等工况，条件十分恶劣，要求能连续运行30年以上，且相关性能长期满足工况

3、要求。CTOD是指裂纹受张开型载荷后，原始裂纹尖端处两裂纹面所张开的相对距离，反映了裂纹尖端的材料抵抗开裂的能力，可用来衡量材料的断裂韧性。CTOD值越大，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好。CTOD是断裂力学中唯一可直接观察的参量，是目前使用最广泛的一种弹塑性断裂力学分析方法，在材料和工艺选择以及工程构件的安全性评定、特别是在压力容器/管道等重要焊接结构的完整性评定中获得了广泛的应用。由于焊接接头是非均质体，CTOD能够直接反映裂纹尖端所处材料组织的韧性。图1全焊接球阀1图1为CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀产品照片

4、。图2～图4分别给出了球阀不同部位的焊接示意图，其中阀体和颈部接管所用材料均为LF2钢，左/右体材料为F60钢，袖管材料为X70管线钢或X80管线钢。阀体与颈部接管连接部分采用埋弧焊（SAW）焊接而成，阀体与左/右体连接部分也采用埋弧焊（SAW）焊接而成，左/右体与袖管连接部分采用埋弧焊（SAW）+氩弧焊（GTAW）焊接而成。图2阀体与颈部接管焊接示意图图3阀体与左/右体焊接示意图图4左/右体与袖管焊接示意图2试验标准GB/T21143-2007金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法ASTME1820-01～08aStandardtestme

5、thodformeasurementoffracturetoughnessAPI1104-2005WeldingofpipelinesandrelatedfacilitiesDNV-OS-C401-2004Fabricationandtestingofoffshorestructures23材料、试样与试验条件试验材料取CL60040"/CL60048"高压大口径全焊接球阀中各焊接部位的焊缝材料，分别为LF2+LF2焊缝（埋弧焊）、LF2+F60焊缝（埋弧焊）、F60+X70焊缝（埋弧焊+氩弧焊）和F60+X80焊缝（埋弧焊+氩弧焊），母材

6、和焊缝的化学成分实测值如表1所示。表1母材及焊缝化学成分（质量百分数，%）材料CSiMnPSCrNiMoVTiCuAlFeLF20.210.280.920.0100.0040.070.060.020.01/0.12/其余F600.190.221.190.0130.0080.10.040010.010.020.26/其余X700.180.221.290.0090.0060.130.10.070.070.020.4/其余LF2+LF20.0530.391.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余埋弧焊LF

7、2+F600.0530.391.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余埋弧焊F60+X700.070.721.440.0070.018////0.20.120.024其余氩弧焊F60+X700.0530.391.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余埋弧焊对于试验试样型式，GB/T21143-2007推荐了三点弯曲试样（SEB，singleedgedbending）和紧凑拉伸（CT，compacttension），两类试样均可用于CTOD试验，且CTOD特征

8、值属于材料特性，不因试样型式的不同产生差异，而且，台阶型紧凑拉伸试样比三点弯曲试样更易满足平面应变条件。因此，考虑到现有试验条件和操作便利性，本次试验试样采用台阶型CT试样，每组