分析评定焊接接头蠕变破坏的一种新方法.pdf

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1、焊 管 第 2 4卷第 2期 2 0 0 1年 3月 2 g 分 析 评 定焊 接 接 头 蠕 变破 坏 的一 种 新 方 法 屈 金 山(西 南交 通大 学 材 料 系 王 元 良 四 川 成 都61 0 03 1)摘要介 绍 了一种 分析 和 评定 高 温 下长 期 服 役 的焊 管 焊 接接 头蠕 变破 坏 的新 方法，这 种名 为“低温 破 断 断 口分析”方 法使 用 的 试样，制 样 工艺 过程 简单，对 制 样者 的 技艺 水 平 要求 不 高，且 不 宜 产 生 由于 试样 的制 备方 法引 起 的误 解。分 析扫 描 电镜 断 口形 貌，应 用 金相 定 量 分析 方 法，从

2、 分 折 断 口的二 维 图象 获 得 的数据，可 以定 量 地 反 映在 役 构件 蠕 变破 坏 的程 度。实践 表 明，过 种 分 析 评定 方 法 是 可 行 的。主 题 词蠕 变 破坏低 温 断 裂焊 接接 头断 口分 析评定 在 锅 炉、电 厂 以 及 化 工 等 高 温 环 境 下 长 期 服 役 的焊 接 构 件，焊 接 接 头 的 蠕 变 破 坏 是 一种 空 洞 型 蠕 变 裂 纹 扩 展，最 终 造 成 构 件 断 裂 的物 理 过 程 _ I 。因 此，根 据 在 役 构 件 材 料 的 损 坏状 态，分 析 和评 定 构 件 剩 余 的寿 命，做 出 是 继 续 使 用

3、、立 即 维 修 还 是 马 上 替 换 的 明 智 选 择，以保 证 设 备在 设 计 寿 命 内 的安 全 运 行，可 靠 的 检 测 及 评 定 蠕 变 破 坏 的方 法 无 疑 是 非 常 必 要 的 从 事 后 的 调 查 分 析 知 道，蠕 变 破 坏 主 要 起 始 于 焊 缝 表 面 下 的 内 部，在 焊 缝 外 表 面 没 有 明 显 破 坏 迹 象 的条 件 下，已 发 展 到 即 将 断 裂 的 程 度，这 就 使 得 用 无 损 检 测 方 法 从 焊管外 侧检测存 在很大 的困难。虽 然超声 波 检 测是 一 种 常 用 的 方 法，但 这 种 方 法 并 非 可

4、靠。除 了 受 焊 管 表 面 特 征 如 焊 缝 尺 寸 和 几 何 形 状 等 因 素 制 约 外，目前 的超 声 波 检 测 技 术 在 检 测 蠕 变 破 坏 的 动 态 过 程 方 面 还 存 在 困 难。常 规 的 破 坏 性 检 测 技 术(如 金 相 分 析 和 断 口显 微 组 织 观 察 技 术 等)是 目前 唯 一 能 直 接 提 供 早 期 蠕 变 破 坏 证 据 的 有 效 方 法，但 这 种 方 法 不 仅 费 用 高，金 相 试 样 的 制 备 耗 费 大 量 时 间 和 精 力，而 且 对 试 样 制 备 者 的 制 样 技 艺 要 求 较 高。因 此，找 到

5、一 种 合适 的、对 试 样 制 备 者的 制样 技 艺要求 较 低，且 便于 评 定焊 管 焊 接 接 头 蠕 变 破 坏 程 度 的 分 析 方法 具 有 重 要 的 意 义。本 文介 绍 的 低 温 破 断 断 口分 析 就是 满 足 上 述 要 求 的这 样 一 种 新 方 法。1 断 口分 析 试 样 的 制 备 1 1截 取 试 样 因 为 试 样 的 制 备 是 一 个 周 期 长、费 用 高 的 过 程，必 须 在 试 件 允 许 的 范 围 内，特 别 注意 考 虑 在 合 适 的 部 位 选 择 取 向 合 理 的 试 样，试 样 应 具 有 代 表 性。能 反 映 构 件

6、 特 征所 需 要 的 试 样 的 数 量 取 决 于 构 件 的 尺 寸、复 杂 性、使 用 条 件 等。低 温 破 断 断 口分 析 采 用 的是 截 面 为 矩 形 的 试 样，边 长 尺 寸 通 常 为 5 1 2 mm，试 样 长 度 视 焊 件 尺 寸 确 定，一 般 为 4 0 8 0 mm 锅 炉、电 厂 以 及 化 工 设 备 等 使 用 的 焊 接 管，最 常 见 的 发 生 蠕 变 破 坏 的部 位 是 焊 接 接 头 上 靠 近 熔 合 线 的 焊 接 热 影 响 区(HAZ)金 属 和 焊 缝(W M)金 属、双 面 开 坡 口 接 头 正 反 面 焊 缝 金 属 的

7、 交 汇 点，故 低 温 破 断 断 口分 析 试 样 最 经 常 的 取 样 部 位 如 图 1所 示 图 1(a)为 分 析 熔 合 线 附 近 的 焊接 热 影 响 区金 属 和 焊 缝 金 属 蠕 变 破 坏 行 为 时 采 用 的 试 样 截 取 部 位 示 意 圈，试 样 长 度 方 向基 率 上 与熔 合 线 走 向平 行。图 1(b)是 分 析 焊 缝 金 属 交 汇 点 处 断 口时 试 样 截 取 部 位 示 意 图，试 样 基 本 上 平 行 于 焊 管 的 内壁(或 外壁)，而 与熔 台 线成 一定 角 度。维普资讯 http:/ 挥 管 2 0 0 1年 3月 图 l

8、(c)则 给 出 了分 析 研 究 焊 缝 金 属 断 口时 试 样 的截 取 部 位。在 一 个 试 件 上 同时 截 取 多 个 试 样 时，要 注 意 试 样 的 准 确 编 号。1 2切 割 试 样 有 些 情 况 下，截 取 的 试 样 尺 寸 大 小 台 适，但 大 多 数 情 况 下 需 要 进 一 步 的切 割 加 工 有 各 种 各 样 的 切 割 工 艺 方 法，但 不 管 选 用 何 种(a)肾 外 恻 方 法，基 本 要 求 是 决 不 允 许 因 切 割 加 工 而 改 变 试 样 整 体 的 组 织 状 态 切 割加 工 通 常 会 使 切 口表面 有些损伤(如 变

9、形、过烧 等)，但 必须 使 切 口表 面 的损伤 程度降低 到最低 限度。切 口的 损 伤 程 度 因使 用 的切 割 方 法 和 被 切 割 材 料 的 种 类 不 同存 在 很 大 差 异 建议 采 用 砂 轮 切 片 机 切 割，并 辅 冷 却 液 冷 却 试 样 焊 管 外 傅 试 样 丌 块 n 忾 试 样 J r 缺 n忙 f c1 凰 1试样 截 取部 位 及 已开切 口试样 示 意 图 1 3 磨 光 试 样 磨 光 是 试 样 制 备 过 程 中一 个 十 分 重 要 的 环 节，因 为 切 割 工 序 产 生 的 损 伤 部 分 必须 在 此 过 程 中 清 除 掉。要

10、指 出 的是 切 割 时 造 成 的 过 烧 难 于 靠 磨 光 除 掉，选 择 切 割 方 法 时 应 注 意。经 过 磨 光 工 序 后，试 样 表 面 只 允 许 存 在 磨 光 最 后 一 道 工 序 留下 的 细 小 损 伤(即 浅 的 变 形 层)，蹦 保 证 能 在 下 一 步 抛 光 工 序 中 清 除 掉 实 际 上，本 文 介绍 的 断 口分 析 方 法 采 用 的 试 样 无 需 进 行 磨 光 后 的 抛 光 工 序 这 就 使 试 样 的 制 备 变 得 相 对 简 单 试 样 磨 光 时，应 尽 量 降 低 磨 光 操 作 中 产 生 的 热 量 对 试 样 的 影

11、 响。通 常 采 用 湿 磨 法，以 流 水 作 润 滑 剂。水 流 可 减 少 磨 光 时 在 试样 表 面 产 生 的 摩擦 热，避 免 显 微 组 织 发 生 变 化，还 可 将 磨 屑 和 脱 落 的 磨 粒 冲走，使 磨 粒 的 尖 锐 棱 角 始 终 与 试 样 的 表 面 接 触，保 持 良好 的磨 削作 用 此 外，还 可 以 改 善 实 验 室 的 清 洁 卫生 条 件。通 常 采 用 粒 度 为 l 2 0、2 4 0、3 2 0、4 0 0和 6 0 0的 碳 化 硅 砂 纸 磨 光，一 般 以 粒 度 为 6 0 0 的砂 纸 作 为试 样 磨 光 的 最 后 一 道

12、工 序 1 4预 制 切 口 将 在 粒 度 为 6 0 0的碳 化 硅 砂 纸 上 湿 法 磨 光 后 的 试 样 用 硝 酸 乙 醇 溶 液 轻度 腐 蚀 至 接 头 区域 轮 廓 可 辩，以 便 根 据 分 析 研 究 的 需 要 确 定 试 样 上 预 制 导 向 切 口 的位 置 开 切 口 的 目 的是 使 试 样 在 外 加 力 的 作 用 下 在 期 望 部 位 的 某 一 截面上断 开。导 向切 口的预制方法 有多 维普资讯 http:/ 第 2 4卷第 2期 屈 金 山等：分 析 评定 焊 接 接 头蠕 变破 坏 的 一种 新 方 法 3 1 种 我 们 采 用 的 是 珠

13、 宝加 工 时 常 用 的 锯 条，沿 试 样 的环 向 开 切 口，即试 样 每 个 面 上 的 线 切 口与 邻 近 面 上 的线 切 口 彼 此 相 连，切 口 深 度 约 0 5 mm，开 完 切 口的 试 样 如 图 1(d)所 示。1 5打断 试 样 将 已开 切 口 的试 样 冷 却(如 置 于 液 态 氨 中)。因 试 样 尺 寸 和 材 料 种 类 不 同，试 样 冷却 需 要 的 时 间 长 短 也不 同。一 般 地，冷却 时 间 至 少 2 0 mi n 上，使 试 样 内 部 能 达 到 有 效 冷 却，可发 生 脆 断 为 准 试 样 冷 却 后 将 其 打 断 并

14、将 断 后 的 试 样 立 即 沉 浸 在 乙 醇溶 液 中，防 止 断 口表面 上 水 气 凝 结 和 锈 蚀。试 样 置 于 乙 醇 溶 液 中 至 少 3 0 rai n 后 取 出 5 0 7 5C 的 热 风 干 燥 之，然后 存 放 于 有 干 燥 剂 的样 品 盒 中 待 试 样 冷 却 至 室 温 后，装 入 塑料 样 品袋 中，密 封 起 来 为 下 一 步 的 扫 描 电 镜(S EM)分 析 作 好 准 备 试 样 最 好 在 打 断 后 立 即 进 行 扫 描 电镜 分 析。2 试 样 断 口 分 析 2 1断 口形 貌 通 常在 配 有 能 谱 仪(E DS)的 扫

15、描 电 镜 上 对 打 断 后 的 试 样 断 口进 行 分 析，不 仅 可 以 对 断 口的 微 观 形 貌 进 行 分 析，而 且 可 对 断 口 表 面 存 在 的 夹 杂、碳 化 物 等 进 行 定 量 的 化 学 分 析。此 外，由于 扫 描 电 镜 具 有 很 宽 的 放 大 倍 率 调 节 范 围 及 合 适 的 景 深，断 口 图象 富 有 立 体 感。图 2给 出 了 某 C r Mo钢 靠 近 熔 台 线 HAZ金 属 和 焊 缝 金 属 在 1 0 00和 5 0 0 0下 低 温 破 断 断 口形 貌。从 图 2(a)HAZ金 属 断 口形 貌 可 以看 出 主 要 有

16、 二 种 界 面：一 种 是 有 空 穴、粗 糙 的 晶 间 界 面 另 一 种 是 空 穴 中有 碳 化 物 断 口光 滑 的 界 面 前 者 是 多 个 独 立 的 空 穴 长 大、彼 此 交 汇 的结 果 后 者 则 是 独 立 的 空 穴 尚 未 长 大 到 彼 此 交 汇 时 的 结 果。图 2(b)是 靠 近 熔 合 线 焊 缝 金 属 的 断 口形 貌 断 口 以 有 空 穴 的 粗 糙 界 面 为 主。此 外，试 样 在 打 断 过 程 中新 形 成 的 断 面是 显 而 易 见 的。不 管 是 独 立 的 还 是 彼 此 交 汇 的 空 穴 常 常呈多 边形(实 际上为多面

17、体)空穴 壁 内凹。有 的 空 穴 内 有 微 粒 存 在 空 穴 内 的 微 粒 为 夹 杂或碳 化物。当多个微 粒存在 于单个 的空穴 中 时，空 穴 的 形 状 通 常 由多 边 形 变 成 圆形(即 由 多 面 体 变 为球 体)。为 便 于 比 较 图 2(c)给 出 了 采 用 常 规 金 相 制 样 工 艺、1 0 0 0 下 的 金 相 图 片，箭 头 标 明 了 空 穴 的位 置。空 穴 均位 于 金 属 的晶 界 上 呈 多 边 形。2 2断 口评 定 从 上 面 的 分 析 知 道，扫 描 电 镜 记 录 下 的 断 口形 貌 尽 管 图象 富有 立 体 感，表现 的 仍

18、 然 是 二 维 截 面 上 的 微 观 组 织 状 态 需 要 应 用 定 量金 相 学 方 法 来 处理 观 察 到 的 二 维 图 象 根 据 数 理 统 计 和 拓 扑 学 的 知 识 已 推 导 出 了 一 些 基 本 公 式 一，由 这 些 基 本 公 式 即 可 从 一 维、二 维 的 研 究 结 果 推 知 三 维 空 间 的 组 织 状 况。对 扫 描 电 镜 的 结 果 进 行 金 相 定 量 分 析，需 要 对 每 个 考 察 的 区 域 拍 摄 至 少 3幅 以 上 的 断 口照 片，在 每 幅 照 片 上 确 定 三 个 量：空 穴 面 积 空 穴 损 坏 的 晶 界

19、 面 积 A 和 晶 界 上 的 空 穴 数 P 。定 义 表 征 低 温 断 口试 样 蠕 变 破 坏 程 度 的 面 积 损 坏 因子 如 下：fl=DA 式 中 D 空穴 面积密度，D 一 A A A 一 空 穴 损 坏 的 面 积 比 A=2 ,A A ；空穴 面 积 总 和；一空 穴 损 坏 的 晶 界 面 积；一空 穴 损 坏 的 面 积 总 和；一测 试 区域 的总 面 积。面积 损 坏 因 子 卢 的 取 值 范 围 显 然 为 0 卢-G 1。D 和 A 均 可 用 金 相 定 量 分 析 方 法 求 得 如 计 点 法、截 线 法、截 面 法 等 从 而 可 求 得 面 积

20、 损 坏 因 子 口。根 据 低 温 破 断 断 口 试 样 S EM 分 析 获 得 的 数 据，可 将 面 积 损 坏 因 子 与 蠕 变 破 坏 寿 命 联 系 起 来。由大 量 的 统 计 数 据 结果 可 以将 维普资讯 http:/ 3 2-焊 管-2 0 0 1年 3月 -H-。嘶I：靛 J 墙 f -蝉 缸 c I【：I I 槐 c J 盘f u 盘 柑 J I 周 2 试 样 S E M 断 口形 貌(a j、()厦盅 柏 闭 片(蠕 变 破 坏 过 程 分 为 四 个 阶 段。第 一 阶段，的 形式 D值 较 小，蠕 变 破 坏 的 程 度 低。当 卢 0 1 5，空 穴

21、主 要 表 现 为 晶 界 上 独 立 存 在0 1 j 卢 0 3 0时，空 穴 则 长 大 到 即 将 彼 此 维普资讯 http:/ 第 2 4卷第 2期 屈 金 山 等：分 析评 定焊 接 接 头躏 变破 坏 的一 种新 方 法 3 3 交 汇 的程 赓。第 二 阶 段，0 3 0 fl 0 7 5，8个 或 更 多个 空 穴 在 同 一 晶 界 上 彼 此 交 汇，空 穴 造 成 的损 坏 面 增 大，此 时 应 特 别 加 强 检 查，尤 其 注 意 焊 补 过 和 易 产 生 应 力 集 中 的 部 位。第 三 阶 段，0 7 5 0 9 0，表 明 微 观 裂 纹 已 扩 展

22、为 宏 观 裂 纹，构 件 寿命 仅 剩 原 始 设 计 寿 命 的 5 左 右，很 快 就 将 断 裂，必 须 马 上 更 换。3结 束 语 本 文 讨 论 了 分 析评 定 高 温 下 长 期 服 役 的 焊 管 焊 接 接 头 破 坏 的 一 种 新 方 法。这 种 低 温 破 断 断 口 分 析 方 法所 用 的 试 样 制 样 工 艺 过 程 简 单，对 制 样 者 的 技 艺 水 平 要 求 不 高，有 利 于 减 小 因制 样 技 艺 水 平 的 差 异 而 制 备 的 试 样 分 析 结 果 引 起 的 误 解。利 用 金 相 定 量 分 析 方 法，从 断 口分 析 的 二

23、维 图 象 获 得 的 数 据 可 以 定 量 反 映 蠕 变 破 坏 的 程 度，为 监 测 设 备 的 安 全 运 行 提 供 了 依 据。实 践 表 明，这 种 分 析、评 定焊 接 接 头 蠕 变 破 坏 的 方 法 是 可 行 的。空 穴 长 大 速 率 与 工 作 温度、工 作 应 力 和 定 量 关 系 还 有 待 于 进 一 步 开 展 研 究 工 作 本 文部 分研 究 I作 得 到 了西 南 交通 犬 学 基 础研 究基金(1 9 9 9 XJ O I)资助 在 此 深表 感 谢!参考文献 i 崔 约 贤，王 长 利编 著 金 属 断 口丹 析 哈 尔滨：哈 尔荽 工 业太

24、 学 出版 社，i 9 9 8，4 2 Geor ge FVand er Vo or t M e t at o gr a phy：Pr i nc i pi e a nd Pr a c t i c e 19 84，M c Gr a w Hi _ _ 1 De 3孙 业 英 主编 光学 显微 分 析 北 京：清 华 大 学 出版 社 I 9 9 7 3 4 Lu n d i n C D，K b a n K K，Ya n g D，H i ho n S，a nd Zi e【k e W Fai】ur e ADO 】v s i s o f a Se t ri c e EX po s e d Ho Rh e

25、 a t S t e 0 i n I i n e I n A Ut L 1：t y S t e a 11 P l a nt W RC Bu【l e t L n 3 5 4，J u n e 1 9 9 0 5 Lu ndi n C D，Zhou G Li U W a nd Li u P C r e ep Dama ge Eva l ua t i o n M e t h。d。J。g L e s HEP 2()The M a t e r i a l s Pr op er t i es Counc i l Fe br ua r y 997 6 Zhou GM e t al I U r gi c al

26、Caus es f o r t h e O眦 ur c e of Cr e ep Da m a ge i n Lo g_ T 1 L d 1 nai J y Sea m W e l de d Cr M o H i gh Ene r gy Pi pi ngDi s s er t a t i on f or t he Doc t or of Phi l o s ophy De gr e e The Un v er s t y of Te es s ee U SA A u gu s I 9 97 (收 稿 日 期：2 l )0 0 9 1 9)辽 宁 无损 检 测 学 会 2 0 0 1年 无 损

27、检 测 级 人 员培 训 班 及小 径 管超 声 波 探 伤 培 训班 招 生 通 知 一、根 据 GB9 4 4 5国家 标 准 关于 无 损检 测 人员 培 训 考 核 规 则，辽 宁 省 无 损 检 测 学 会 于 2 0 0 1 年 继 续 举 办 各 类 无 损 检 测 方 法 级 培 训 班(含 I 级)，经 考 试 合 格 者，将 颁 发 中 国元 损 检 测 学 会 级 人员 资 格 证 书。二、我 会 于 2 0 0 1年继 续 举 办 小 管 径 对 接 焊 缝 超 声 波 探 伤 培 训 班，并 随 时 出 售 由我 会 专 家 设 计 的小 管 径 超 探 专 用 试

28、块 和 探 头。欲参 加 培 训 者 请 速 与 辽 宁 省 无 损 检 测 学 会 培 训 部 联 系 培 训 地 点 及 时 间 等“培训 部 所 发 的 具 体 培 训 通 知 为 准。联 系 地 址：辽 宁 省 丹 末 市 春 三 路 2 3号 辽 宁 仪 表研 究所 省学 会 培 训 部 邮编：1 1 8 0 0 2联 系 人：赵 友 杉电子 信 箱：I n n d t i o n l i n e I n g I l 电话：(0 4 1 5)6 1 6 1 l j 7手 机：l 3 9 0 4 9 5 6 7 8 0宅 电：【o 4 1 5)3 1 5 5 6 3 6 辽 宁 省 元 损检 则学 会 维普资讯 http:/