（化工过程机械专业论文）尿素合成塔用15mnvr板的断裂与疲劳性能研究.pdf

摘要 摘要 尿素合成塔是尿素合成装置的关键设备。但是焊接残余应力、制造缺陷、 应力腐蚀等因素的存在致使尿塔层板开裂，严重的甚至导致爆破事故。尿塔无 疑成了一个存在严重安全隐患的设备。为杜绝事故再次发生，对尿塔材料行为 的测试研究十分必要。 作者从山东峄山某报废尿塔取样，进行了层板材料1 5 m n v r 的室温拉伸、 中温拉伸、室温摆锤冲击试验。并与齐鲁一化尿塔、平阴尿塔的材料性能进行 了对比分析。结果表明，材料的下屈服强度等各项力学性能指标均在标准要求 范围之内。邹城尿塔材料的室温拉伸、中温拉伸以及室温摆锤冲击性能均与齐 鲁一化尿塔相当；其室温拉伸性能优于平阴尿塔，抗脆断性能不如平阴尿塔。 采用带有预裂纹的c ( t ) 试样进行了中温疲劳裂纹扩展试验。利用试验机自 带的电炉加热和保温，并由柔度法反算裂纹长度。分别用p a r i s 公式、f o r m a n 公式以及王泓公式对试验数据进行了描述，获得了p a r i s 公式和f o r m a n 公式的 指数和系数。结果表明，p a r i s 公式对稳定扩展区的裂纹扩展速率进行了很好 的描述，但部分f o r m a n 公式拟合数据的相关系数不高。服役后材料的裂纹扩展 速率未见明显升高，且与取样位置关系不大。它随平均应力的增加而增加，但 在裂纹稳定扩展区的影响不明显。而王泓公式对试验数据的估算值与试验数据 差别较大，不适宜用来分析本试验数据。 按标准推荐的多试样法、采用带有整体刀口的s e ( b ) 试样进行了裂纹尖端 张开位移试验。获得了室温下材料的裂纹扩展阻力曲线，确定了c t o d 特征值 瓯。= 0 0 8 8 m m ，最= o 1 9 1 m m 。验证了厚度b 5 m m 即可获得稳定临界c t o d 值这一结论。并以汽轮机材料2 0 c r 3 m o w v 钢的断裂韧度与温度的关系作为参 照，给出了1 8 0 时1 5 m n v r 钢的断裂韧度估算值。 在补充、积累层板包扎高压容器材料的疲劳裂纹扩展及断裂韧度性能数据 的同时，也为评价层板包扎高压容器的剩余寿命提供了基础数据和理论基础。 关键词尿素合成塔；断裂韧度；疲劳裂纹扩展：裂纹尖端张开位移 a b s t r a c t a b s t r a c t u r e ar e a c t o r sa r et h ek e ye q u i p m e n t so fu r e as y n t h e s i sd e v i c e s h o w e v e r , c r a c k i n g o fl a y e r sw a si n d u c e db e c a u s eo fr e s i d u a lw e l d i n gs t r e s s ，m a n u f a c t u r i n gd e f e c ta n d s t r e s sc o r r o s i o n s e r i e sc r a c k i n gm a yl e a dt os e r i o u su r e ar e a c t o rb l a s t i n ga c c i d e n t s u r e ar e a c t o r sa r ee q u i p m e n t sw i t hs e c u r i t yr i s k sd e f i n i t e l y i t sn e c e s s a r yt ot e s ta n d s t u d yt h em e c h a n i c sb e h a v i o ro ft h eu r e ar e a c t o rl a y e r s t h ea u t h o rt o o ks a m p l e si nad i s a b l e du r e ar e a c t o rf r o maf a c t o r yo fs h a n d o n g p r o v i n c e t e n s i l et e s t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rr o o mt e m p e r a t u r ea n dm e d i u m t e m p e r a t u r e ，a sw e l la si m p a c tt e s tu n d e r r o o mt e m p e r a t u r e t h em a t e r i a lp r o p e r t i e s a r ec o m p a r e dw i t ho t h e ru r e ar e a c t o r s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h em a t e r i a l p r o p e r t i e si n c l u d i n gt e n s i l es t r e n g t ha n dt o u g h n e s ss t i l ls a t i s f yt h es t a n d a r da f t e r s e r v i c e t h e ya r eq u i t ec l o s et ot h ev a l u eo fu r e ar e a c t o rf r o mq i l u t h et e n s i l e s t r e n g t hi sh i g h e rt h a nu r e ar e a c t o rf r o mp i n g y i n ，b u tt h et o u g h n e s si sl o w e r f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nt e s tu n d e r18 0 cw a sc a r r i e do u tb yu s i n gc o m p a c t t e n s i o ns p e c i m e n s t h ec r a c kl e n g t hw a sc a c u l a t e db yc o m p l i a n c em e a s u r e m e n t m e t h o d t h et e s td a t aa r ed e s c r i b e db yp a r i sf o r m u l a ，f o r m a nf o r m u l aa n dw a n g s f o r m u l as e p a r a t e l y t h ep a r a m e t e r so fp a r i sf o r m u l aa n df o r m a nf o r m u l aa r eg o t f r o mt h et e s t t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ed a t aa r ed e s c r i b e dq u i t ew e l lb yp a r i s f o r m u l a t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t eh a s n ti n c r e a s e do b v i o u s l ya f t e rs r e v i c e a n di ti si n d e p e n d e n to ft h ep o s i t i o nw h e r et h es p e c i m e n st a k e n t h ea v e r a g es t r e s s d o e s n ta f f e c tt h ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t em u c hi nt h es t a b l ec r a c kg r o w t ha r e a b u t d a t ae s t i m a t e db yw a n g sf o r m u l aa r em a r k e dd i f f e r e n tf r o mt h et e s tr e s u l t s c t o dt e s tw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt or e s i s t a n c ec u r v em e t h o db yu s i n g s e ( b ) s p e c i m e n s t h er e s i s t a n c ec u r v e so ft h em a t e r i a la r eo b t a i n e db yt h et e s t ，a s w e l la sc t o dc h a r a c t e r i s t i cv a l u e t h er e s u l t sv a l i d a t et h ec o n c l u s i o nt h a ts t e a d y 6 c c a nb eo b t a i n e dw h e nt h et h i c k n e s so fs p e c i m e n si sb i g g e rt h a n5 m m r e f e r r i n g t ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t u r et o u g h n e s sa n dt e m p e r a t u r eo f2 0 c r 3 m o w v s t e e l ，t h ef r a c t u r et o u g h n e s so f15 m n v ru n d e r18 0 ci sa l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r i i i 山东大学硕十学位论文 t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nd a t ao fu r e ar e a t o rm a t e r i a la r es u p p l i e db yt h e t e s t t h ef r a c t u r et o u g h n e s sd a t aa r ea c c u m u l a t e da tt h es a m et i m e b a s i cd a t af o r e s t i m a t i n gt h er e s i d u a ll i f eo fu r e ar e a t o r sa r ea l s op r o v i d e dh e r e k e yw o r d su r e ar e a c t o r ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n ：c r a c k - t i p o p e n i n gd i s p l a c e m e n t 符号说明 符号说明 a 断后伸长率，；u 无量纲柔度； a 标称裂纹长度，n f i n ；v 缺口张开位移，m m ； a o 初始裂纹长度，m m ： y 的塑性分量，m m ： 田终止裂纹长度，m m ；w 试样宽度，m m ： 召试样厚度，m m ；z 断面收缩率，； 6 0 原始韧带，m m ； z 刀口厚度，m m ； e 弹性模量，m p a ；口裂纹稳定扩展量，m m f 施加的力，n ；a k 应力强度因子范围，m p a m 2 ： h 式样高度，m i l l ；斌e f r 有效应力强度因子幅，m p a m “2 ； 尺应力强度因子，m p a m “2 ；眠h 疲劳裂纹扩展门槛值，m p a m “2 ： 墨c 平面应变断裂韧度，m p a m 2 ；a p 载荷幅，k n ； k v 2 v 型缺口在2 m m 摆锤刀刃下的氐0 5 表观起裂c t o d 值，m m ； 冲击吸收能量，j ； 载荷循环次数： &叫t o d 临界值，m m ； 最条件起裂c t o d 值，m m ； 瓤最大疲劳载荷，n ；6 。最人载荷c t o d 值，m m ： r 应力比；y 泊松比： 氏下屈服强度，i v p a ；仃正应力， v l p a ； 抗拉强度，m p a ；流变应力，l v i p a ； s 弯曲试样加载跨距，m m ； 仃。平均应力，m p a 。 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主! j 盘曼 e t期： 、i 叶广 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亟_ 韭一导师签名： 、l 咿 衄率 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 尿素合成塔( 以下简称“尿塔) 是氮肥生产企业的关键化工设备，是供二 氧化碳、液氨在高温高压下反应合成尿素的主体设备。尿塔制造工艺复杂，选 材严格，造价昂贵，目前主要采用层板包扎结构型式。据课题组掌握的资料， 我国仅化肥生产装置中，层板包扎结构的尿塔就有约4 0 0 台。 2 0 0 5 年3 月2 1 日，山东平阴发生层板包扎尿塔爆破事故，造成4 人死亡， 3 2 人受伤，直接经济损失3 0 0 0 余万元【l 】。国家有关部门加大了对尿塔的监管 力度，2 0 0 5 年8 月国家质量监督检验检疫总局下发通知【2 j ，要求各省、自治区、 直辖市质量技术监督局进一步加强尿塔生产使用检验工作。 随后对其它尿塔的全面检验表明，已有大量尿塔层板产生了严重的应力腐 蚀【3 】3 。我国因层板应力腐蚀开裂极为严重而报废的尿塔就达6 台之多1 4 】。开裂 最为严重的塔共发现裂纹及开裂5 4 处，最长处达2 5 0 0 m m ，裂穿4 层层板。尿 塔无疑成了一个存在严重安全隐患的设备。因此如何对在用尿塔的剩余寿命作 出有效的和可信的评估就成为了目前迫切需要解决的问题，也是事关社会公众 安全、农业化肥供应和化肥及设备生产企业经济利益的重大问题。 2 0 0 6 年山东大学联同合肥通用机械研究院、山东省特种设备检验研究院及 青岛科技大学等多家企事业单位申请了国家8 6 3 计划专题课题层板包扎高 压容器剩余寿命试验评价技术( 课题编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 4 1 7 ) 。本课题作为子课 题，主要研究尿塔层板用材1 5 m n v r 的常规力学性能、断裂韧度及中温疲劳裂 纹扩展性能，积累相应的材料性能数据，为主课题提供基础数据和理论基础。 1 2 金属材料的疲劳性能研究现状 1 2 1 疲劳裂纹扩展的研究意义 在工程结构和机械设备中，由于频繁承受加载卸载的循环应力以及由 于设备或工艺原因频繁的开、停车，使得压力容器的疲劳破坏现象极为广泛， 据统计有5 0 - - - 9 0 的机械结构的破坏属于疲劳破坏【引。 山东大学硕十学位论文 疲劳断裂过程分为裂纹萌生、裂纹亚临界扩展和失稳断裂三个阶段。尿塔 层板裂纹形成期很短，且由于种种原因投用时已存在裂纹等缺陷，其疲劳寿命 主要决定于裂纹的扩展寿命。所以疲劳裂纹扩展速率是决定构件疲劳行为的重 要特征参量，它可以估算或预测构件的疲劳寿命。特别是对于尿塔这样昂贵、 庞大的工程构件，给出准确的剩余寿命是一项极其重要的工作。因此研究材料 疲劳裂纹扩展规律以及裂纹扩展速率对于合理估计构件总寿命有着重要的意 义。 1 2 2 影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素 对于疲劳裂纹扩展速率，近年来在国内外做了大量的研究工作，取得了不 少成绩1 1 。在单轴循环交变应力下，垂直于应力方向的裂纹扩展速率，一般 可写成以下形式： 一d a ：厂p ，口，c ) ( 1 1 ) 一= ，i f 口c l il li d n 。、。7、 式中c 为与材料有关的常数。 试验发现，影响疲劳裂纹扩展速率的因素主要有平均应力、加载频率、温 度等。 ( 1 ) 平均应力的影响研究表明，当a k 一定时，d a dn 随应力比r ( 0 尺 1 ) 即平均应力盯。的增加而增加，如图l - l 所示。 2 图1 1 平均应力对疲劳裂纹扩展速率的影响1 1 2 1 第1 苹绪论 李小刚【1 3 1 通过测定四个应力比下1 6 m n r ( 即现q 3 4 5 r ，下同) 的疲劳裂 纹扩展速率门槛值，发现门槛值随着尺的升高而减小。庄力健等1 4 1 对试样厚度 为3 8 m m 的1 6 m n r 钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展规律进行了试验研究及 模拟。试验及模拟结果均表明，该试样厚度下，应力比对裂纹扩展速率几乎没 有影响，见图1 2 。 萋 童 要 1 0 - 2 1 0 3 l 旷 l 旷 1 0 r 6 a 盖【m i ，矗，m ) 图1 - 2 四个试样的d a d n - a k 曲线【1 4 i ( 2 ) 加载频率的影响图1 3 是3 0 4 型不锈钢在5 3 8 。c 时频率对d a d n 的影 响【1 2 】，可以看出随着加载频率的降低，d a d n 随之增大。 文献【1 5 】认为低频率有利于裂纹第二阶段的扩展，高频率有利于第一阶段 的扩展。m e r r i c k t l 6 】对w a s p a l o y 合金钢的研究发现，6 5 0 。c 下d a d n 在1 h z 和 0 1 h z 的试验没有差别，然而o 0 1 h z 的试验中d a d n 明显加快，这与断裂方式 由穿晶过渡到沿晶有关。n i r b h a y 1 通过对2 6 1 8 铝合金的研究发现，当r = 0 1 时，加载频率对k 在5 0m p a m 舱到1 3 0m p a m 忱之间d a d n 的几乎没有影响。 图1 33 0 4 型不锈钢在5 3 8 c ，r = 0 0 5 时频率对d a d n 的影响【1 2 】 3 山东大学硕十学位论文 统计资料表明，2 0 世纪6 0 年代以来压力容器由于疲劳裂纹引起的破坏事 故，失效循环周次一般不超过1 0 6 周，所以压力容器的破坏多数表现为低周疲 劳破坏。 ( 3 ) 温度的影响几乎所有的材料性质都与温度有关，疲劳裂纹扩展速率亦 然。一般来说，温度上升，扩展速率增大，反之则降低。 范志超等1 1 8 】通过中温低周疲劳试验，研究了温度对1 6 m n r 疲劳性能的影 响。图1 - 4 是3 0 0 时1 6 m n r 的应力应变曲线，此时材料的屈服平台消失，屈 服极限也有所下降。研究还表明，温度对1 6 m n r 的疲劳性能也有很大的影响， 材料在3 0 0 左右存在“蓝脆 现象，疲劳强度明显高于其它温度，如图1 5 所示，并且3 0 0 。c 时材料的循环蠕变速率、平均应变、循环塑性应变能明显比 其它温度时小，超出这个温度范围，疲劳强度迅速降低；在同一温度下，随着 平均应力和应力幅度的升高，材料的循环蠕变速率增大【l 引。 耄3 0 0 b o - 图1 41 6 m n r 3 0 0 c 时的应力应变曲线【1 8 1图1 51 6 m n r 不同温度下的疲劳性削1 9 】 张萍等【2 0 】对1 6 m n r 在常温、1 5 0 。( 2 、3 0 0 和4 2 5 下的疲劳裂纹扩展速率 进行了测试和分析。结论与上述结果一致：1 6 m n r 在1 5 0 c 和3 0 0 时的疲劳 裂纹扩展速率比2 5 时低，并且3 0 0 时最低，4 2 5 时最高。 ( 4 ) 介质条件的影响李梦丽【2 i 】通过对发生严重层板开裂的某尿塔外部层 板间隙处的结垢物和腐蚀产物的分析发现，腐蚀产物中含有c a 、m g 、c i 等元 素。这说明，对于采用螺纹连接结构检漏系统的尿塔来说，由于检漏蒸汽可能 沿检漏孔或透气孔进入各层层板，尿塔外部层板有可能长期在碱性环境下运行。 王政富等1 2 2 j 研究了3 5 n a c l 水溶液介质对a 5 3 7 钢疲劳裂纹扩展速率的影响， 结果表明，腐蚀介质的存在提高了裂纹扩展速率。张明锋等【2 3 】采用w o l 试样 4 o 5 o s o 5 o 5 3 2 2 i l o o n 各一 _ 第1 章绪论 研究了1 6 m n r 和1 5 m n v r 钢在3 0 n a o h 溶液中的抗应力腐蚀性能，分析得 出n a o h 溶液中两中材料均为沿晶开裂。 环境中的氧在高温裂纹扩展过程中有非常重要的影响。氧化物引起裂纹闭 合是近门槛区d a d n 减小的原因，而氧化作用引起的裂纹尖端脆化是p a r i s 区 d a m n 增加的原因【2 4 1 。前已提及，1 6 m n r 在3 0 0 时的疲劳裂纹扩展速率最低， 4 2 5 时最高【1 8 , 2 0 j 。这是因为，1 6 m n r 疲劳裂纹表面的氧化随温度升高而增大， 3 0 0 以下氧沿着裂纹尖端的晶界扩散相对较慢，此时裂纹表面氧化引起的闭合 效应要比晶界氧化脆化更明显，疲劳裂纹扩展速率下降。而4 2 5 时晶界氧化 脆化起主导作用，疲劳裂纹沿晶界扩展，扩展速率提高。 ( 5 ) 过载峰的影响王威强等1 2 5 】对1 6 m n 试件进行超载处理时发现有显著地 迟滞效应，得到与前人一致的结论：超载迟滞效应随超载比的增加而提高；随 超载时裂纹长度的增加而下降。该结论也在压力容器的试验研究中得到验证。 由此可以看出，超载将是提高压力容器疲劳寿命的重要手段之一。值得一提的 是，超载只在一定条件下对疲劳强度起有利作用，且有利作用一般随超载次数 的增加而减小，超过一定次数以后即变为不利作用f 2 6 1 。因此，利用超载提高疲 劳强度时，应严格控制超载比、超载次数等。 除上述几种影响因素之外，试件厚度、热处理等都对疲劳裂纹扩展速率有 影响1 8 , 9 , 2 7 】。疲劳裂纹扩展速率受许多无法控制因素的影响，其稳定性不如屈服 强度和断裂韧度。例如同一材料，不同厂家或不同批量的产品，会呈现不同的 疲劳裂纹扩展速率值【2 7 1 。 1 2 31 5 m n v r 和1 6 m n r 钢疲劳裂纹扩展速率现有数据 研究发现，对钢铁材料，当尺。l 为2 1 0 2 0 7 0 m p a 时，p a r i s 公式的指数 m = 2 4 t 2 8 1 。考虑到试验结果的分散性，各种钢铁材料的保守方程为2 9 1 ： 铁素体珠光体钢 d a m n = 6 9 x1 0 2 ( 从) 3 ( 1 - 2 ) 淬火回火钢 d a m n = 1 3 5 x 1 0 一o ( k ) 2 2 5( 1 - 3 ) 奥氏体不锈钢 山东人学硕十学位论文 d a d n = 5 6 x 1 0 2 ( a 0 3 2 5( 1 - 4 ) 研究人员对1 6 m n r 、1 5 m n v r ( 即q 3 9 0 r ，下同，已被废止使用) 等压力 容器常用钢的疲劳裂纹扩展进行了研究，作者将部分相关试验数据列于表1 1 。 表1 11 6 m n r 和1 5 m n v r 钢d a d n 数据 原始材 试样 应力试验 试验 试验结果 序 材料 料厚度 比 频率 温度 号型式 ( m m ) r ( h z ) ( ) cm l16 m n r i l 4 16 c ( t ) 0 152 54 o lx1 0 93 0 4 216 m n r 【3 0 l1 0 c ( t ) o 14 02 51 2 9 1 0 1 13 5 2 316 m n r l l 3 l1 2 c ( t ) o 11 02 59 8 6 3 x1 0 92 7 6 3 416 m n r 3 1 j 1 6 s e ( b ) 2 52 7 3 x1 0 。1 03 9 l 516 m n r 【3 2 11 6 c ( t ) 0 2 5 0 2 53 0 x1 0 l o3 9 1 616 m n r l 3 1 】 2 0 s e ( b ) 2 51 7 0 x1 0 1 0 3 3 5 716 m n r 【3 1 l 2 2 c ( t ) o 0 5l o2 51 7 7 8 1 0 。1 0 4 0 5 9 816 m n r l 2 0 l8 0 c ( t ) o 11 02 52 4 2 3 3x1 0 93 3 5 9 6 916 m n r i 3 3 】8 0 c ( t ) 0 11 01 5 05 7 7 5 6 x1 0 92 9 7 5 4 1 016 m n r 【3 3 18 0 c ( t ) o 1l o3 0 02 2 8 8 6 x1 0 93 1 9 7 1 116 m n r p 3 18 0 c ( t ) o 1 1 0 4 2 5 1 4 6 6 4 x1 0 。7 2 2 8 9 7 1 215 m n v r l 3 2 12 0 c ( t ) 0 11 4 02 55 4 1 6 5 l o 。1 1 4 6 9 1 315 m n v r p o 3 0 c ( t ) 0 13 02 52 4 6 1 0 。1 34 3 9 为便于比较，作者将表1 1 中试验参数已知的数据标示于图1 6 中。由于 1 5 m n v r 的相关数据较少，难以总结规律，仅列出1 6 m n r 的数值。由图可以 看出，r 、试验频率对1 6 m n r 中部稳态扩展区的疲劳裂纹扩展速率影响不大； 1 6 m n r 在1 5 0 和3 0 0 时的疲劳裂纹扩展速率比2 5 和4 2 5 时低，且3 0 0 时最低。 6 第1 章绪论 等 害 g 雪 l0 1 l0 2 l o 1 0 - 4 06 0踟1 0 01 2 0 a r ( m e am r z ) a ) 1 6 m n r 室温( 2 5 c ) 数据b ) 温度不同、其它条件相同的1 6 m n r 数据 图1 - 61 6 m n r 的d a d n 数据比较 1 2 4 疲劳裂纹扩展研究中存在的问题 在正常使用过程中，尿塔频繁承受加载卸载的循环应力1 3 4 。且由于其 它装置或尿塔自身原因( 如外壁或衬里出现裂纹等缺陷) 导致其经常开停车， 所以尿塔又频繁承受开车停车带来的交变载荷，如哥伦比亚尿塔爆破前开 停车2 4 6 次【35 1 ，缅甸单层尿塔开停车6 0 0 次1 3 6 】。所以层板中裂纹的疲劳扩展无 疑是削弱层板强度和抗断裂性能的主要因素之一，研究层板的疲劳裂纹扩展就 显得十分必要。 目前的尿塔用材料1 6 m n r 、3 1 6 l 等钢的疲劳试验研究较多，而其另一常 用材料1 5 m n v r 的疲劳试验研究却很少，工作条件下的疲劳裂纹扩展试验研究 就更少。实际操作工况下的材料疲劳问题，涉及因素多，影响复杂，且有相当 一部分是在中温环境下工作的。所以，1 5 m n v r 钢制压力容器在中温环境下的 服役情况更应引起足够重视。 1 3 金属材料的断裂韧度研究现状 1 3 1 平面应变断裂韧度 材料平面应变断裂韧度蜀c 是对应于构件在静载荷作用下裂纹开始失稳扩 展时的k 值。只有当试件尺寸满足平面应变和小范围屈服的力学条件时，才能 获得稳定的蝎c 值。这时，蝎c 才是材料固有的特性，与试件尺寸无关。 7 山东人学硕十学位论文 平向应变条件对厚度的要求： b 2 5 似j c r l ) 2 小范围屈服条件对裂纹长度的要求： a 2 5 ( k i c r 。l 2 韧带尺寸要求： ( 一口) 2 5 ( k i c r e l ) 2 1 3 2 裂纹尖端张开位移表示的断裂韧度 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 对高强度和超高强度的材料来说，测试k i c 较容易实现，因为这类材料的 火。l 相当高，硒c 较低，试件尺寸较小。对于中、低强度材料，其r 。l 较低，局c 又较高，若要满足平面应变和小范围屈服条件需要相当大的试件。这不仅浪费 材料，还要用大型试验设备【3 7 1 。且对于这种中、低强度和高韧性材料，裂纹尖 端存在较大的塑性变形，难以用线弹性断裂力学准则。 目前对于中、低强度材料断裂韧度的测试有三种途径【3 8 】：( 1 ) 测出，积分临 界值，再转换为k t c ( 2 ) 测定裂纹尖端张开位移( c r a c k t i po p e n i n gd i s p l a c e m e n t ， c t o d ) ，用其临界值6 r 表示断裂韧度；( 3 ) 根据试验总结或半理论分析的规律， 由其它的材料性能指标折算为硒c 。 c t o d 和积分试验是硒c 试验的延伸，但积分试验需要特殊的测量步 骤测量施力点位移，且只适用于裂纹的开裂，不允许卸载。而c t o d 值可以用 小型三点弯曲试样在全面屈服下通过间接方法测出，测试技术比较简单，一定 条件下，测得的结果也较稳定1 3 8 】，所以c t o d 方法在工程界被广泛推广应用。 ( 1 ) c t o d 表示断裂韧度的种类g b t2 1 1 4 3 2 0 0 7 金属材料准静态断裂韧 度的统一试验方法对断裂韧度特征值进行了一些修改和补充。其中，瓯m 表 示当口小于0 2 m m 钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或p o p i n 时的尺寸敏感 断裂抗力；6 。是对应于全塑性特性的第一个最大力平台对应的尺寸敏感断裂 抗力：6 吖r 、表示当口大于0 2 m m 钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或p o p i n 时的尺寸敏感断裂抗力；民：r 。是稳定裂纹扩展为0 2 m m 钝化偏置线时对应的 非尺寸敏感断裂抗力；6 眈b u 口) 是稳定裂纹扩展为0 2 m m 钝化偏置线时对应的尺 寸敏感断裂抗力；a 则表示稳定裂纹扩展开始时的断裂抗力。 3 第1 章绪论 ( 2 ) c t o d 测试技术的研究现状由于物理概念直观、简单以及实际应用的 有效性，c t o d 方法在工程界应用广泛【3 9 4 3 1 。 英国在发展c t o d 方法时，用一些物理学方法如电位法、声发射法来检测 试件疲劳裂纹开裂；美国则采用间接方法，即从p y 曲线的形状来判断裂纹 的开裂和扩展。 国内在综合上述几种测试方法的基础上，进行了进一步的试验研究。研究 表明，电位法是确定开裂点行之有效的方法，结果的稳定性和重复性都较好 4 5 1 。当不能用电位法确定开裂点时，还可以用9 5 最大载荷点对应的张开位 移作为临界点来计算临界c t o d 值4 6 1 。 多试样法也是常用的确定裂纹开裂方法1 4 7 , 4 8 】，将形状、尺寸相同，初始裂 纹长度相近的几个试样加载到不同位移水平，获得裂纹扩展阻力曲线，由此确 定材料断裂韧度特征值。而张瑜等4 9 】在采用多试样阻力曲线法测定1 6 m n r 钢 焊接接头常温与低温下的断裂韧度值时，发现结果不能有效地反映出温度以及 焊接部位不同组织引起的断裂韧性差异。所以该方法对焊接接头等非均匀材料 的应用受到一定限制。 作为阻力曲线法的补充，金相剖面法是确定非均质材料断裂韧度特征值一 个十分有效的方法，应用广泛【1 , 5 0 - 5 1 】。它不需专门的仪器，也不必记录f y 曲 线，只要将试样加载到最大力点后停机卸载，然后将试样用线切割机切片，即 可在工具显微镜下直接量取最值。 ( 3 ) c t o d 表示的断裂韧度与k 表示的断裂韧度之间的关系文献 2 8 ，5 2 中 介绍了6 与，的关系 j = a r 。l 6 ( 1 - 8 ) 式中，a 与材料、塑性变形程度和推导过程的简化有关，一般取1 1 2 0 。 文献【2 8 】中给出了j 与k 的关系式 ，：上芏k 2 ( 1 9 ) 结合式( 1 8 ) 、( 1 9 ) 得到艿与k 的关系式 6 ：上三k 2 ( 1 1 0 ) a e r e l 9 山东人学硕十学位论文 1 3 3 影响材料断裂韧度的因素 材料的断裂韧度随材料成分和微观组织的变化而变化。因此，凡是能直接 或间接影响这些内在因素的其它因素，都能对局c 产生影响。 ( 1 ) 温度的影响材料的断裂韧度随温度升高而升高，降温往往会增加材料 强度，而降低材料的断裂韧度5 3 1 ，见图1 7 。武延民等【5 4 1 分别测定了2 0 c 、1 0 c 、 3 0 c 等温度下1 6 m n 钢的断裂韧度 c ，得到了与上述观点一致的结论。 图1 7c r m o 钢断裂韧度与温度的关系5 3 l ( 2 ) 屈服强度的影响对同一种材料，下屈服强度增高，k l c 有所下降，见 图1 7 和图1 8 0 ， k 。( m v a m m ) 0 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 图1 - 8 下屈服强度对断裂韧度的影响5 3 l 尺i m p a ( 3 ) 厚度的影响一般随材料厚度b 的增加而下降2 7 1 ，见图1 - 9 。武延 民等1 5 4 1 通过测定1 6 m n 等结构钢不同厚度试样的断裂韧度，发现厚度对钢材韧 性的影响很大，随着厚度的增加，断裂韧度呈下降的趋势。 l o 第1 章绪论 图1 9 断裂韧度与试件厚度的关系1 2 7 j ( 4 ) 热处理的影响李红英等5 5 】测定了1 6 m n r 钢热轧态、正火空冷以及正 火风冷三种不同状态下的靠曲线，结果表明热处理后的材料具有较高的断裂韧 度。刘新佳探讨了一次淬火、亚温淬火、高温循环淬火等多种热处理工艺对 1 6 m n r 钢低温韧性的影响，结果表明高温循环淬火+ 高温回火工艺具有最佳的 韧化效果。 1 3 41 6 m n r 和1 5 m n v r 钢断裂韧度现有数据 1 6 m n r 钢具有良好的综合力学性能和工艺性能，是目前我国用途最广、用 量最大的压力容器专用钢板。文献 3 2 】给出了上钢三厂生产的1 6 m m 厚热轧钢 板的阻力曲线( 图1 1 0 ，a ，b ，c ) 。方德明等【5 7 1 对服役1 3 年的液化石油气储 罐母材1 6 m n r 的断裂韧度进行了研究，测得6 0 2 = 0 1 8 8 m m ，其值高于文献【3 2 】 中数据，说明服役后材料的断裂性能基本没有发生退化。 吕 g 吣 a ) i 号炉 b ) i i 号炉 山东人学硕 学位论文 g g 吣 c ) 号炉 图1 1 01 6 m n r 钢6 曲线【3 2 】 1 5 m n v 钢在热轧状态具有良好的加工和焊接性能，主要用于制造压力容 器、船舶等。但由于薄板热处理条件不易保证且冲击吸收能量不稳，新的 g b 7 13 - 2 0 0 8 锅炉和压力容器用钢板标准已废止此钢种。图1 1 l 给出 1 5 m m 1 8 m m x 7 2 m m 的1 5 m n v 钢三点弯曲试样的，r 阻力曲线【3 2 1 。 图l 一111 5 m n v 钢矗阻力曲线f 3 2 1 国家钢铁材料测试中心【5 列参照g b t2 3 5 8 1 9 9 4 金属材料裂纹尖端张开位 移试验方法推荐的多试样法对齐鲁一化某尿塔b = 5 m m 的1 5 m n v r 板进行了 c t o d 试验，得到6 = ( 0 3 3 3 7 o 11 0 7 + a a ) n 7 2 2 2 ，6 i = 0 1 4 3 m m ，瓯0 5 = 0 0 8 9 m m 。 平阴尿塔15 m n v r 板的断裂韧度通过金相剖面法进行测定，结果为 最= 0 2 2 0 m m ，瓯0 5 = o 1 4 1 m m 【。合肥通用所( 现合肥通用机械研究院) 4 4 - 4 5 】 曾做过厚度为6 m m 的1 5 m n v r 板的c t o d 试验，电位法测得材料临界c t o d 值的范围是0 0 5 3 m m 0 0 8 8 m m 。 1 2 第1 章绪论 1 3 5 断裂韧度研究中存在的问题 尿塔的包扎层板为强度不高、韧性较好、焊接性能良好的钢板，一般为厚 度6 m m 、8 m m 或1 2 m m 的1 5 m n v r 、1 6 m n r 钢板。这类钢板的硒c 不易测得， 需用c t o d 判据来评估材料的断裂韧度。 但目前关于上述厚度范围的尿塔层板材料1 5 m n v r 的c t o d 研究可查数据 不多，亟待进一步完善补充，为尿塔剩余寿命评估提供更精确的材料性能数据。 1 4 课题的研究内容 本课题作为层板包扎高压容器剩余寿命试验评价技术( 国家8 6 3 计划) 的 子课题，主要进行尿塔层板用钢板的力学性能试验。研究内容如下： ( 1 ) 搜集尿塔常用层板材料如1 6 m n r 、1 5 m n v r 等的性能数据，为下一步 的试验研究奠定数据基础； ( 2 ) 协助课题组解剖报废尿塔，观察层板开裂规律，以确定试验方法、试 样类型等； ( 3 ) 从报废尿塔不同筒节、不同层板取样，完成制定试验方案、试样制备 等工作； ( 4 ) 进行层板材料1 5 m n v r 的室温拉伸、中温拉伸、室温摆锤冲击、中温 疲劳裂纹扩展以及裂纹尖端张开位移试验。观察服役后材料的力学性能，测定 材料的断裂韧度以及疲劳裂纹扩展速率，补充、积累相应的材料性能数据，并 综合前人的工作，分析1 5 m n v r 材料断裂韧度及疲劳裂纹扩展数据变化的规律， 为评价层板包扎高压容器的剩余寿命提供基础数据和理论基础。 1 3 2 1 引言 第2 章试样与试验方法 尿素合成反应主要在尿塔内部进行，在中温( 1 8 5 0 c 1 8 8 ) 、高压 ( 1 91 2 m p a - 1 96 m p a ) 条件下液态氩和二氧化碳反应生成甲胺，甲胺脱水生成 尿素。目前崮内有数百套各种不同工艺的尿素装置在运行，其中绝大部分都采 用了国内制造的尿塔，而国内制造的尿塔9 0 以上采用的多层包扎式结构。本 试验的研究对象也不例外。 2 2 现场取样及考虑 取样尿塔是究矿峄山化工有限公司的报废4 4 塔，见圈2 - 1 。谈尿塔于1 9 9 8 年1 1 月投用，2 0 0 5 年山东省尿塔普查时，发现其层板严重腐蚀，没有修复价 值而报废。 图2 1 峄山4 4 尿塔 尿塔主体由l 封头、层板包扎简体、下封头和裙座构成。其中上、下封头 由单层板内表面带极堆焊不锈钢防腐蚀层构成，简体由7 个倚节构成，每个筒 节由包括内衬层、盲层和强度层共1 4 层板包扎构成( 具体结构见表2 1 ) 。上、 下封头及筒节之间通过深环焊缝连接。尿塔设有蒸汽检漏结构用以监测内衬的 泄漏。检漏管与简体以锥管螺纹相连接，结构见图2 2 。 山东大学硕十学位论文 表2 1 峄山4 “尿塔各层材料和作用 名称材料厚度层数作用 隔离介质与碳钢强度 内衬层3 1 6 l ( 尿素级)8 l 层的接触，防腐蚀 开设导流槽，为检漏液 盲层 q 2 3 5 a 6l 提供通道：焊接垫板 内筒 1 6 m n r ( q 3 4 5 r ) 1 21 强度层，承受内压等载荷 89 强度层，承受内压等载荷包扎层板 1 5 m n v r ( q 3 9 0 r ) 62 该尿塔的主要技术参数如下：塔高1 8 3 7 m ，壁厚1 1 0 m m ，内径1 2 0 0 m m ， 设计压力2 1 5 7 m p a ，设计温度1 9 0 ，工作介质为尿素、甲铵溶液等。 不锈钢内筒 、 ；n ll ljii l i 一f 蒌 i 洲m 尸 蒌 i i l v ； r 、 。 5 剽 ： 8 透气孔 检漏管孔 锥管螺纹检漏管 外护扳 环焊缝 盲层扳第一层板 图2 - 2 锥管螺纹连接型式【6 0 1 观察发现，尿塔7 个筒节的外层板和底封头全部开裂，裂纹共有5 4 处，最 长裂纹长达2 5 0 0 m m ，开裂情况如图2 3 所示。对其进行解剖时，发现裂纹从 最外层层板和环焊缝沿同一位置向内开裂，最深处裂穿三层层板，裂纹由外向 内逐渐变短变细，裂至第4 层。第5 层至内衬上没有发现裂纹。层板上的主裂 纹起始于外表面，且这些裂纹从外向内呈树枝状扩展，主要以纵向开裂为主【2 l 】。 由于外包扎层板开裂严重，故主要以1 5 m n v r 层板材料为研究对象。 1 6 量：茎至堑兰曼兰虿鎏 a ) 层板整体开裂情况 _ _ _ _ - = j = 爿 b ) 第4 筒补表面裂纹 c ) 第5 筒节外表面裂纹 图2 - 3 峄山4 “屎塔外层扳开裂情况 为考虑取样位置对疲劳裂纹扩展速率等试验数据的影响分别从尿塔第l 简节( 自塔顶向下数，下同) 的第2