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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天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目 CL600CL600 4040“/“/CL600CL600 4848“ “高压大口径全焊接球阀高压大口径全焊接球阀国产化国产化试制试制 裂纹尖端张开位移（裂纹尖端张开位移（CTODCTOD） 试验研究报告试验研究报告 委托单位：四川精控阀门制造有限公司委托单位：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单位：西南交通大学力学与工程学院 试试 验验 人：包陈，贾琦，陈龙，姚博人：包陈，贾琦，陈龙，姚博 负负 责责 人：蔡力勋人：蔡力勋 报报 告告 人：蔡力勋，包陈人：蔡力勋，包陈 西南交通大
2、学力学与工程学院西南交通大学力学与工程学院 二二0 0一一0 0年四月年四月 1 天然气长输管道关键设备国产化研制应用项目 CL600 40“/CL600 48“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化试制”技 术条件所要求的裂纹尖端张开位移（CTOD，crack tip opening displacement）试验。高压大口径全焊 接球阀型号为 CL600 40“、CL600 48“，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 API5L X70
3、钢级管线钢管和 API5L X80 钢级管线钢管，服役环境温度为-2942，输送介质为管 输天然气，介质温度 093，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，
4、 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 2 图 1 为 CL600 40“/CL600 48“高压大口径全焊接球阀产品照片。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
5、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/T 21143-2007金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法 ASTM E1820-0108aStandard test method for measurement of fracture toughness API 1104-2005Welding of pipelines and related facilities DNV-OS-C401-2004Fabrication and testing of offshore s
6、tructures 3 3 材料、试样与试验条件 试验材料取 CL600 40“/CL600 48“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CSiMnPSCrNiMoVTiCuAlFe LF20.210.280.920.0100.0040.070.060.020.01/0.12/其余 F600.190.221.190.0130.0080
7、.10.040010.010.020.26/其余 X700.180.221.290.0090.0060.130.10.070.070.020.4/其余 LF2+LF2 埋弧焊 0.0530.391.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余 LF2+F60 埋弧焊 0.0530.391.530.0180.0070.0170.2630.0010.01/0.061/其余 F60+X70 氩弧焊 0.070.721.440.0070.018/0.20.120.024其余 F60+X70 埋弧焊 0.0530.391.530.0180.0070.0170.2630
8、.0010.01/0.061/其余 对于试验试样型式，GB/T21143-2007 推荐了三点弯曲试样（SEB，single edged bending）和紧凑拉 伸（CT，compact tension） ，两类试样均可用于 CTOD 试验，且 CTOD 特征值属于材料特性，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，每组材料中选用一个试样作为标定 试样，试样型式如图 5 所示。四种焊缝材料按照图 6 所示两个方向截取 CT 试样，其中立式标注为 A， 卧式标注为 B，表
9、 2 列出了各组试样的详细信息。 试样的制备按照以下流程依序完成：锻件毛坯要求毛坯采购毛坯交付（含质量证明文件）毛 坯进厂复验（外观/尺寸、化学成分、力学性能、无损检测、非金属夹杂物、金相组织、晶粒度）合 格毛坯入库加工外形/坡口按焊接工艺规程 （WPS） 施焊试件过程检查/监督/记录清理检查打磨 焊缝/热影响区(HAZ, heat affected zone)超声波检测（UT）合格试件按试样图取样加工检验 标识。 图 5 a) CT 试样型式 4 图 5 b) 标定试样型式 图 6 a）CTOD 试样取样示意图 立式（标注为 A） 5 图 6 b）CTOD 试样取样示意图 卧式（标注为 B）
10、 表 2 焊缝试样信息 材料取样方式 试样名义宽度 W /mm 试样名义厚度 B /mm 名义初始裂纹长度 /mm 试样数量 /件 LF2+LF2 焊缝 A（立式）5025278 B（卧式）5025277 LF2+F60 焊缝 A（立式）50252710 B（卧式）50252711 F60+X70 焊缝 A（立式）50252712 B（卧式）50252712 F60+X80 焊缝B（卧式）5022278 试验设备为 MTS809 250kN 电液伺服试验机、 TestStarII 控制系统、 COD （crack opening displacement） 引伸计 MTS632.02F-20
11、和 19JA 型万能工具显微镜。试验装置如图 7图 8 所示。 所用 MTS(material test system)应用软件：(1)MTS 790.50 标准应用软件，该软件用于完成疲劳裂纹 预制和准静态断裂韧度试验的控制；(2)MTS TestStar /SX 编程软件，该软件用于 CTOD 试验的控制以 及载荷与 COD 数据采集。试验温度为常温。 6 图 7 试验装置 图 8 用于断后试样裂纹长度测量的 19JA 型万能工具显微镜 4 试验与数据分析方法 4.1 预制疲劳裂纹 应用 MTS 790.50 标准断裂力学试验软件在 MTS 试验机上对试样精确预制疲劳裂纹。试验预制裂 纹长
12、度增量约 3mm，预制裂纹的时间约 6090 分钟。MTS790.50 软件预制疲劳裂纹的优点是采用等K 控制，既保证裂纹扩展驱动力均匀，还可确保裂纹尖端不出现大范围屈服。 4.2 裂纹尖端张开位移（CTOD）试验方法 7 由于试验材料表现出较高的韧性， 致使由卸载柔度法获得的试样裂纹长度同物理直接测量得到的裂 纹长度存在一定误差，因此本项目 CTOD 试验采用 ASTM E1820-0108a 系列标准推荐的载荷分离法来 获得试样的实时裂纹长度。 4.2.14.2.1 载荷分离法（载荷分离法（LoadLoad SeparationSeparation MethodMethod） 对于裂纹稳定
13、扩展的情形，CTOD 试验关键技术之一为试样在加载过程中的实时裂纹长度的准确确 定，常用方法包括多试样法和单试样法两大类。多试样法为采用多个相同结构和初始尺寸的试样，分别 将各个试样加载到不同的载荷水平， 然后打开试样， 直接采用物理测量的方法获得各试样的裂纹扩展量， 从而得到 CTOD 阻力曲线上数据点。 该方法往往需要至少 8 个试样才能获得一条 CTOD 阻力曲线， 耗费材 料，试验耗时也较多，而且所得试验点分散性大，无效点多。柔度法是最为广泛采用的单试样法之一， 比多试样法更易实施，每个试样都可以获得一条阻力曲线，便于考虑材料的分散性。该方法强烈依赖于 试样弹性卸载过程中的P-V曲线线
14、性度， 且受裂纹前沿平直度的影响较大， 对于普通中低韧性材料具有 良好适应性。而对于高韧性材料，由柔度法测得的裂纹长度同物理测量结果往往差异较大。载荷分离法 是一种可直接从载荷-张开位移曲线中通过初始和终止点裂纹标定获得实时裂纹长度的方法。该方法理 论基础强，操作简便，节省材料和试验时间，在多种金属和非金属材料的延性断裂韧性测试中得到广泛 应用，并被美国 ASTM E1820 系列规范推荐为标准测试方法。 对于多种构形的断裂试样（CT、SEB 等） ，载荷分离理论认为试样在加载过程中，其单位厚度 B 下的载荷P可由与试样裂纹长度a相关的裂纹几何函数G(a/W)和与塑性变形Vp相关的变形函数H(
15、Vp/W) 的乘积来表示， / m pp PWB G a WH VWWB a WH VW（1） 式中，W 为试样宽度，m 为材料参数。在变形初期的小范围区域之外，多数金属材料满足载荷分 离理论。在变形初期的小范围载荷下，试样裂纹尚未扩展，此时产生的小段载荷不可分离现象不影响试 样裂纹扩展过程中的裂纹长度估测。 基于载荷分离理论， 将初始裂纹长度和试验终止裂纹长度作为标定 点并结合标定试样，即可直接从试验试样的载荷-裂纹张开位移曲线中获得实时裂纹长度。 4.2.24.2.2 CTOD 试验过程试验过程 （1）对尖裂纹试样预制疲劳裂纹，预制裂纹增量约为 3mm； （2）采用位移控制对标定试样进行加
16、载，加载速率为 0.02mm/s，加载到接近 COD 引伸计满量程时停 止加载； （3）为了确保试样裂纹均匀扩展，将疲劳预制后的尖裂纹试样参照图 9 开侧槽，侧槽在试样厚度方向 上对称分布，侧槽断面为边长为 3mm 的等边三角形，侧槽根部圆弧半径为 0.2mm；开侧槽的目的是为 8 了让裂纹均匀扩展，使裂纹前沿尽量平直。GB/T 21143-2007 明确规定测定阻力曲线的全部试样都应开 侧槽，且侧槽深度为 0.2B1%，而 ASTM 系列标准和早期国标对侧槽的规定为最大侧槽深度不超过 0.25B。本次试验所开侧槽深约为 0.1B，从试样断口可以观察到裂纹前沿平直度较好，达到了所需效果。 图 9 CT 试样侧槽加工图 （4）对已开侧槽的尖裂纹试样进行位移控制加载，加载速率为 0.02mm/s，当试样的载荷达到最大载荷 并有少量下降时停止加载； （5）对已加载过的尖裂纹试样进行二次疲劳，二次疲劳的循环峰值载荷约为单调加载时最大载荷的 70%，疲劳时间以能够勾出裂纹扩展前沿为准； （6）二次疲劳后，
