海洋石油钢结构抗开裂与止裂性能

发布者: 发布时间:2016/5/16 10:27:52 阅读:次 【字体:

海洋石油钢结构多属于焊接结构,焊接钢结构的脆性破坏通常是在瞬时内发生的,但虽然时何很短,其破坏形式一般仍是由两个步骤组成,即裂纹萌生与裂纹扩展两个阶段。通常是首先在钢结构的最薄弱部位,例如平台导管架的管节点的焊缝处产生脆性裂纹,然后裂纹以极快速度扩展,从而导致钢结构的部分或整体破坏。因此,为了防止结构发生脆性断裂,从对海洋用钢的强度要求来说,还应具有抗开裂与止裂的性能。一般来说,抗开裂性能主要取决于裂纹尖端处局部的材质性能,通常从跪性裂纹产生前的缺口韧性(COD值)以及塑变值等做为测量参量,而裂纹扩展阶段的止裂纹性能主要决定于钢结构的整体性能,常常是以裂纹扩展路线上的韧性指标,如断口晶状断面百分率、裂纹扩展的温度一应力组合以及裂纹扩展的程度等来进行衡量。总之,这种抗开裂与止裂性能需要通过试验来确定,下面即拟围绕试脸进行介绍。

(一}试验方法

1.抗开裂性能的试验方法这里介绍的是天津大学采用的尼伯林克(Niblink)试验方法。这种试验方法是试验前先用读数显微镜测量出试件上缺口的宽度,做为初始值。然后将试件放人冷却槽内冷却到预定的温度,并保温一定时间〔每毫米厚一分钟),自槽中取出试件,使缺口朝下,放在电磁式落锤试验机支座上,迅速进行冲击(一般在10秒内完成)。冲击后,再用读数显微镜检测缺口张开情况,此后将试件再放回冷却槽以相同温度再次冷却及进行冲击,这样反复不断试验,直至按规定缺口根部产生0.06mm残余COD合格值为止(若达不到0.06值,则做为不合洛)。当然,从试验研究要求出发,试件均应一直冲击到打断时为止。这样,即可根据合格值时的试验温度做为许用温度。

采用这种尼伯林克试验方法的优点是:

(1)此法为动载试验,比较符合平台承载情况;

(2)此法系典型杭开裂试验,能够清楚地显示出所测部位(焊缝、熔合线,热影响区等)的抗开裂性能;

(3)此法采用全板厚试件,可以说明应力状态、冶金状态及缺陷状态等板厚的影响;

(4)此法是以逐步增加睡头冲击高度而加载的,能够在一定程度上反映出多次加载造成的加工硬化对构件抗开裂性能的影响;

(5)此法使用逐步提高载荷的加载条件来造成破坏,更接近平台实际钢结构的破坏状况(海上平台钢结构工作期间,很少是一次加载破坏);

(6)此法所用试件的缺口形状比夏比冲击试件的V型缺口以及动撕裂试脸的压型缺口更符合实标情况;再者此法的试件缺口比自然裂纹要钝,在某种程度上减少了应变速率,更实际地模拟了海上平台的受力情况。

2.止裂性能的试验方法:对于海洋用钢的止裂性能是采用落锤试脸的方法,并以落锤试验的无延性转变温度NDT(Nou ductility perature)做为材料的止裂性能指标。落锤试脸引裂是通过在试件上堆焊一道脆性焊波来实现的,脆性焊道将在母材内引起若干微裂纹,即形成了引裂源。落锤试脸时,在一定温度下对试件进行冲击,于是产生脆性裂纹。若此裂纹未扩展到试件侧缘,则认为试件未裂,一直到某温度时该脆性裂纹能扩展到试件侧缘为止。这样,可看出虽然这种试验方法并不能衡量裂纹产生前的参数,而只能是在出现裂纹后,看其是否扩展到试件侧缘,来定出NDT温度。但由于此法是确定材料能否将脆性裂纹止住的温度的,故这种落锤试验的方法仍可用于止裂型试验,而无延性转变通度NDT可能做为止裂温度。

(二)试件制备

1.尼伯林克试验用试件:试件的形状、尺寸和坡口型式如图4一T所示。试件分为焊接接头及母材两种,母材和焊接接头上的焊缝热影响区及熔合线处,均按有关标准规定用线切割机开出了相应的缺口。此外,为了侧定热应变时效影响(即动应变时效),还专门制备有热应变时效试件。这是因为一些钢种对热应变脆化非常敏感,致使热应变时效区成为焊接钢结构中的最脆区,必须对此动应变时效效应进行测定。这种热应变时效试件的制作,是在母材试件上开出10mm深的缺口,然后将试件加热到250℃,保温2小时.并将试件在此温度下放到万能材料试验机上,使其缺口朝下进行三点弯曲加载,待缺口根部张开位移值达到0。

15mm时停机,在将缺口朝上采用四点弯曲加载,将试件压直,这样在试件块口的根部,即可产生动应变时效效应。

2.落锤试验用试件:这种试件系按照ASTM E208一81标准制作,即对A131钢和A537钢分别制作了P1型和P2型试件。同时,为了便于比较,还按照我国规定的落锤试验标准,制备了这两种钢材的焊接接头的P1型和P2型试件,试件的坡口形状以及P1型和P2型试件尺寸。

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