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淺談我國壓力容器用鋼斷裂特性研究的發展

    研究裂紋體力學行為的新學科——斷裂力學,50年代在國際上逐步發展起來,60年代末到70年代初引入我國,并迅速在工程上得到實際應用。
  本文對其發展歷史作簡短的回顧,并根據當前國內技術發展的需要,指出已有工作存在的欠缺和今后需要開展的工作。
  一、歷史回顧
  一斷裂力學理論為壓力容器缺陷評定提出了新的材料力學性能指標一斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率等,也即本文所指的材料斷裂特性。斷裂力學理論的應用必須以材料斷裂性能數據為基礎。因此,材料斷裂性能數據的測試,積累及有關的試驗研究工作就成為斷裂力學應饜的一個塞要方面•由于常用壓力容器用鋼大多屬于中低強度鋼,且板厚大多在30~50mm以下,因此主要采用材料的延性斷裂韌性作為評定指標•回顧過去近20年的工作,大致可以分為兩個階段來評述。
  70年代,是在新裂力學理信紙研究的指導下,結合工程實際的需要,多照顧外有關標準規范或文獻資料,測試和積累數據,隨時開展有關測試技術的試驗研究,并逐步組織制定我國關試驗方法標準至1978年正式提出了制定延性斷裂韌性試驗方法國標的任務通用機械研究所負責組織“裂紋張開位移(COD)試驗方法標準的研究和編制,北京鋼鐵研究總院負責組織•利用阻力阻曲線確定金屬材料延性斷裂韌度的試驗方法”標準的研究與編制。
  前者組織了對五種壓力容器常用多鋼材對比試驗,后者組織了對十種鋼材和有色金屬的對比試驗,并分別研究了各種因素對試驗結果的影響口兩項標準予1980年由國家標準總局予以頒布,即(GB2038-.80和GB2368——80) 這兩項國標的頒布是我國70年代斷裂力學研究的重要成果,使我國成為當前國際上同時具有COD和J積分兩項試驗方法標準的唯一國家。這里需要附帶說明一下,關于平面應變斷裂韌度Kc試驗方法,在此期間YB2038-80和GB2358-80 在進行斷裂韌性測試與試驗方法研究的同時,國內也開展了疲勞裂紋擴展速率的試驗研究,獲得了一些工程應用所需的數據•并在稍后一些時間制定了HB5216-82“金屬材料疲勞紋擴展速率試驗方法”,以后又上升為GB98-86。
  80年代在70年代斷裂力學研究及應用的基礎上,80年代初國內開展了壓力容器缺陷評定規范研究工作。在為一課題中,壓力容器常用鋸斷襲特性研究被列為重點項目之一。幾年中通用機械研究所和中國通用機械工程公司負責組織有關單位進了大量的數據測試和試驗方法及壓力容器用鋼斷據測試和試驗方法有關單位進行了大量的數據測試選用原則的研究。 通過試驗, 匯集了國內大量的壓力容器常用鋼材裂韌數據和疲勞裂紋擴展速率數據, 并于1984年完成CVDA~1984《壓力壓容器缺陷評定規范》的編制工作。 CVDA規范的誕生使我國斷裂力學的工程應用進入了新的實用化階段, 在生產中產生了重大的社會經濟效益。
  值得指出的是, 在此期間,北京鋼鐵研究總院提出了焊區新斷裂韌度的多剖面測定法(亦稱金相剖面法)并得到了不少單位進一步研究和推廣應用,成為一種簡便的COD測試方法。通過所等單位進行了模擬高應變區的斷裂韌性測試及應奕疲勞方面的研究, 鋼鐵研究總院進行了確定氣體介質條件下門限應力強度因子KIBCC的WOL試樣法的研究, 為實際工況條件下的現場試驗提供了經驗。為實際工況條件下的現場試驗提供了經驗。 這些工作對國內壓力容器用鋼斷裂性的測試研究工作具有一定的開拓性。
  二、存在的欠缺
  我國在斷裂力學領域內的研究工作從無到有, 并且迅速在壓力容器缺陷評定中得到了應用,取得了顯著的社會經濟效益。與此同時, 在壓力容器用鋼斷裂特性的測試和數據積累方面也做了大量的工作, 為今后的技術發展打下了良好的基礎。 但由于各方面條件的限制, 也還存在某些方面的欠缺和不足之處。
  大致可歸納如下。
  1、缺乏全面的規劃和系統的組織
  雖然地過去組織的幾次聯合攻關中都包括材料斷裂特性的測試與研究,但就壓力容器用鋼斷裂特性的整體來說。 尚缺乏全面的規劃和系統的組織。 具體體現在試驗材料的選擇零散, 缺乏全面的代表性, 大試驗方法、試驗條件和測試技術等方面缺乏嚴格的一致性,特別是70年代的數據, 是在我國尚無一試驗方法標準的條件下參考國外方法測試的, 數據測試缺乏統一的可比性, 在考慮環境因素對材料的損傷, 導致性能退化等方面還只是些零散的工作, 有的甚至還是空白等等。 因此, 雖然試驗數據不少, 但是很難對試驗數據進行系統的歸納和概率統計分析, 得出規范化的工程應用數據。
  2、測試數據大多未考慮材料在使用過程中的損傷與性能退化因素的影響
  以往雖然也從一些解剖的舊容器上取料進行過斷裂性能測試, 但目前國內掌握的大多數據基本上都是從未曾使用過的新材料上獲得的。 而我國當前斷裂力學的應用主要是針對在用壓力容器,在壓力容器的長期使用過程, 材料和蠕變損傷,腐蝕環境下的材料損傷, 疲勞及腐蝕疲勞損傷等)從而導致材料性能退化, 因此, 對在用壓力容器的評定, 必須考慮經不同工況條件使用以后的退化性能,在斷裂特性測試中, 必須考慮長期使 用因素的影響。
  3、 斷裂特性測試的試驗條件大多與實際工作條件不一致
  已如前述, 我國當前斷裂力學在壓力容器上的應用主要針對在用容器, 而壓力容器總是在一不定的工況條件下工作, 工作介質和溫度,以及容器的受載狀態等因素勢必對材料性能產生影響, 但由于模擬工況條件進行試驗所存在的困難, 以致目前掌握的新斷裂韌性數據大多是在室溫大氣環境條件下按靜態加載方式試驗獲得的。 這些數據對在通常溫度條件下的非腐蝕環境中工作的容器來說, 一般是適用的, 或者對常溫下未暴露在腐蝕環境中的內部缺陷的評定來說, 通常也是適用的但是, 在不少必須考慮環境因素的評定中, 由于缺少材料的環境斷裂韌性數據(如KISCC等)而使工作難以進行。 盲目采用一些推測數據可能給評定結果帶來極大的不可靠性。
  在壓力容器的疲勞評定中長期采用Paris公式。 疲勞裂紋擴展速率數據大多是在室溫氣環境條件下, 采用高周應力疲勞方式試驗獲得的, 除了環境因素外, 壓力容器的疲勞通常是低周的, 特別是疲勞多發性的接管等高應變區, 往往是屬于低周變疲勞破壞。 因此, 對于壓力容器的疲勞評定, 采用高頻應力疲勞裂紋擴展數據。 一直是人們持懷疑態度的問題。
  4、尚未系統開展冶金及工藝因素對壓力容器用鋼斷裂性影響的研究
現行的壓力容器規范是以強度計為基礎, 而對材料的塑性和韌性要求只是根據長期使用經驗提出的參考性依據。斷裂力學的研究表明, 只有斷裂韌性才是決定容器斷裂力學的研究表明。只有斷裂韌性才是決定容器力學應用研究工作開展以來,在一些新材料、新工藝的研究工作中, 常常也加入了斷裂韌性等斷理解特性測試與評價。 但是鋼材生產的冶金因素和容器制造的工藝因素對材料斷裂特性的影響是很復雜的, 而由于條件的限制, 這方面的工作是零散的, 往往只是測定了一些數據, 而無法對影響因素作出全面系統的評價, 從斷裂的角度提出最佳的材料冶金與工藝參數。
  三、今后應重點開展的工作
  結合我國當前科技發展工作和斷裂力學在“在役壓力容器安全評估”研究中應用的需要, 作者提出如下的一些看法。
  1、全面規劃、 系統組織
  對新材料、新工藝、冶金部門和壓力容器制造部門應系統組織冶金與工藝因素對材料斷裂特性影響的試驗研究,積累數據, 找出規律, 為壓力容器用的鋼材斷裂特性成為鋼材驗收指標和設計參數逐步創造條件。
  在用壓力容器用鋼斷裂特性研究, 對材料選取, 試驗條件與試驗方法的確定, 應統一組織, 相互協調, 使試驗材料有代表性, 試驗數據有可比性。在統一組織測試的基礎上, 收集整理國內已有數據, 進行綜合歸納和概率統計分析, 提出工程應有的規范化數據。
  2、對在用壓力容器的應用, 應重點考慮環境因素的影響
  在組織數據的測試過程中, 首先應盡量選取在典型工況條件下經長期使用過的容器材料進行試驗, 以獲得對在用壓力容器適用的數據。 其次, 應組織對幾種壓力容器常用鋼材在典型工況條件下的損傷特性與性能退化規律的研究。 為評定中數據的選用提供指導原則。 在有條件的情況下, 還可以在實際工況條件下, 進行材料性能退化的跟蹤試驗研究(如采用自加載WOL型試的掛片試驗)。
  3、 研究試驗條件對斷裂特性影響的規律
  通常的試驗都是在室溫大氣環境條件下進行, 已如前述, 雖然已考慮了環境條件的影響, 但這種環境條件下的試驗總是有限的, 不可能包羅萬象。 因此,必須在試驗室進行一些規律性的研究, 為評定應用中數據選用提供指導。 這種規律性研究可以包括:
 ?。?) 溫度對材料斷裂韌性的影響;
 ?。?)典型介質中環境斷裂韌性及裂紋擴展規律的研究。
 ?。?)溫度對疲勞裂紋擴展速率的影響;
 ?。?)低周應變疲勞條件下的裂紋擴展規律研究。
  4、 試驗方法的的完善及特殊試驗方法的研究
  現行的斷裂韌性試驗方法主要提供材料性的一些特性值。 隨著一塑性斷裂力學的發展, 對延性斷裂的壓力容器, 在某些情況下, 可能利用啟裂后的壓力容器, 在某些情況下, 可能利用試驗方法原則上可以提供裂紋穩太擴展的撕裂模量,但具體的確定方法有待完善,以使為今后評定的發展提供進一步的斷理解參數。
  在工程應用中, 有時希望從現場切取少量試驗材料測得斷裂特性數據, 或直接從裂紋斷口上取得材料數據, 或者根據材料的常規性能近似地評估斷裂韌性,因此,有必要進行一些探索性的特殊性試驗方法的研究, 并爭取早日進入實用化階段。
 

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