分析apix52焊管管母及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率

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1、焊管·第26卷第1期·2003年1月·7·APIX52焊管管母及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率史耀武史　轩(北京工业大学材料科学与工程学院)(北京巴布科克·威尔科克斯有限公司工程部)　　摘　要　对两种X52管线钢管母及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了测试,发现两种焊管管母虽有50MPa以上强度差,但几乎有相同的疲劳裂纹扩展速率。而且,两种焊管焊缝及热影响区的疲劳裂纹扩展速率均低于管母,但在排除焊接残余应力导致的裂纹闭合效应后,两种焊管焊接接头的疲劳裂纹扩展速率均与管母相当。关键词　管线钢　焊管　母材　焊缝　疲劳裂纹扩展0　引　言焊

2、丝和70%SJ101与30%HJ431混合焊剂。表1　两种X52管线钢化学成分　w%　　油气管线因输送压力的变化等原因引起循环元素CMnSiS[1]应力,从而可能使油气管线产生疲劳破坏。焊管线钢接接头是长输管线的薄弱部位,往往是焊接缺陷、BX520.110.980.220.004应力集中、显微组织和力学性能改变以及焊接残WX520.131.200.300.007余应力共存的部位。因此研究管线钢及其焊接接元素头的疲劳裂纹扩展速率,对管线寿命预估具有重PNbTiCu管线钢要意义。另外,国内外就管线钢,特别是焊管的疲BX520.0160

3、.0310.0230.028劳数据至今公布的很少。本研究对两种X52焊管WX520.0170.0370.0040.039管母及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了测试,同时指出了焊接残余应力对疲劳裂纹扩展速表2　两种X52管线钢焊管管母横向力学性能率的影响。研究结果对油气管线的设计及运行有参考意义。力学性RyöMPaRUTSöMPaD5ö%能管线钢1　试验材料与试件BX52383.9501.740.7WX52438.8553.136.9　　试验用材料为国内两家钢铁企业生产的APIX52管线钢,分别在X52的前面冠以B或W以示区别。螺

4、旋埋弧焊管由宝鸡石油钢管厂完成。　　试验采用紧凑拉伸型CT试样,试样设计参BX52管线钢试样取自5426mm×7mm焊管(37考美国材料试验学会标准ASTME647-83的规号焊管);WX52管线钢试样取自5457mm×6定,试样几何尺寸如图1所示,CT试样厚度mm焊管(20191号焊管)。材料化学成分和力学5mm;线切割用钼丝直径0.12mm。性能示于表1和表2。埋弧自动焊用焊接材料,37CT试样从螺旋埋弧焊管上截取,焊接接头号焊管为:H08MnMoBTi焊丝和70%SJ101与试样沿螺旋缝方向截取,管母试样为管体横向,即30%

5、HJ431混合焊剂;20191号为:H08MnSiTiAl裂纹扩展方向沿管子长度方向。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.·8·焊　　管　　　　　　　　　　　　　　　　　2003年1月$P(2+A)$K=3ö2(0.886+4.64A-BW(1-A)23413.32A+14.72A-5.6A)式中　$P—疲劳载荷幅;B—试样厚度;W—试样有效宽度,A=aöW。上式在aöW≥0.2时有效。2.3　裂纹扩展速率与应力强度幅的关系把疲劳裂纹扩展速率

6、(daödN)作为裂纹尖端应力强度幅($K)的函数,它代表在循环载荷下材料抵抗裂纹稳定扩展的能力,通常用以下Paris-[3]Erdogan关系来表示:图1CT试样设计mdaödN=c($K)式中　c,m是材料、环境、频率、温度、应力比等2　试验方法和步骤的函数。单位:daödN(möcycle);$K(MPa·1ö2m)。　　疲劳裂纹扩展试验在10T程序控制万能疲劳试验机上常温进行。随着裂纹扩展,疲劳试验频所有参加处理的试验数据,均满足试样尺寸率由103Hz逐步降至79Hz,应力比R=0.1,采要求,即:用移动式读数显微镜(30

7、×)测量裂纹长度,测量4(Kmax)2W-a≥PRy精度达到0.01mm。式中　Kmax—应力强度因子最大值;正式试验前,在线切割缺口预制疲劳裂纹,长Ry—试验材料的屈服强度。度约3～4mm,然后逐步记录裂纹扩展长度a和加载循环数N。3　试验结果与讨论2.1　裂纹扩展速率的确定[2]根据ASTME647的推荐,采用七点二次多3.1　疲劳裂纹扩展速率项式对试验得到的a-N数据进行拟合,其局部图2和图3分别为两种焊管管母横向,焊缝拟合方程为:及焊接热影响区的疲劳裂纹扩展速率曲线。按照Ni-C1Ni-C12ai=b0+b1[C]+b2[

8、]Paris-Erdogan关系处理,其疲劳裂纹扩展速率2C2Ni-C1可用下式表示:其中　-1≤≤+1C2(1)BX52钢焊管式中　ai—对应循环次数Ni时的裂纹长度拟合管母横向值;-133.6611daödN=5.7781×10($K)b0,b