張建國１,董俊華１,高炳軍１,富陽２

(１．河北工業大學化工學院,天津３００１３０;２．廣東省特種設備檢驗研究院中山檢測院,中山５２８４００)

摘　要:采用裂紋圓棒(CRB)試驗法對PE１００管材熱熔對接接頭進行了不同載荷比的疲勞裂紋擴展(FCG)試驗,研究了此對接接頭的疲勞裂紋擴展機制,并通過外推法得到靜載荷下的抗慢速裂紋擴展(SCG)性能.結果表明:當載荷比R 相同時,隨著最大初始應力強度因子K max的增大,PE１００管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴展速率增大,疲勞壽命縮短;當K max相同時,隨著R 的增大,疲勞裂紋擴展速率減小,疲勞壽命增大;裂紋逐步擴展區銀紋纖維拉伸長度的減小與裂紋穩定擴展區次生裂紋與主裂紋疊加均加快了熱熔接頭的裂紋擴展速率;利用外推法得到靜載下使用壽命為５０a時所允許的最大初始應力強度因子為０．５５５MPa??m１/２.

關鍵詞:PE１００管材;熱熔對接接頭;抗SCG性能

中圖分類號:TH１４５．４　　　文獻標志碼:A　　　文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００３６Ｇ０６

SCGResistanceofButtＧFusionJointofPE１００PipeTestedbyCrackedRoundBarMethod

ZHANGJianguo１,DONGJunhua１,GAOBingjun１,FUYang２

(１．SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin３００１３０,China;

２．ZhongshanDepartmentofGuangdongSpecialEquipmentInspectionInstitute,Zhongshan５２８４００,China)

Abstract:Thecrackedroundbar(CRB)methodwasusedtotestthefatiguecrackgrowth(FCG)behaviorof

PE１００pipebuttＧfusionjointunderdifferentloadratio．ThefatiguecrackpropagationmechanismofPE１００pipebuttＧ

fusionjointwasdiscussed．Theslowcrackgrowth (SCG)resistanceinstaticloadingconditionwasobtainedby

extrapolation．TheresultsshowthatwhenloadratioR wasthesame,thefatiguecrackpropagationrateofPE１００

pipebuttＧfusionjointincreasedandthefatiguelifeshortenedwiththeincreaseofmaximuminitialstressintensityfactorK maxWhenKmaxwasthesame,thefatiguecrackpropagationratedecreasedandthefatiguelifeextendedwiththeincreaseofR．Thestretchedlengthofcrazingfibrilsinthecrackdiscontinuousgrowthregionreducedandthesecondarycracksoverlaidthe maincrackinthecrackstablegrowthregion whichacceleratedthecrackpropagationrateofbuttＧfusionjoint．Theallowablemaximuminitialstressintensityfactorwas０．５５５MPa??m１/２fortheservicelifeof５０yearsunderstaticloadingconditioncalculatedbyextrapolation．

Keywords:PE１００pipe;buttＧfusionjoint;SCGresistance

０　引　言

聚乙烯(PE)管材因其諸多優良特性而得到廣泛的應用[１Ｇ２].較大管徑的PE 管材多采用熱熔對接方式進行連接,在焊接過程中,不可避免地會產生諸如氣孔、夾雜等焊接缺陷,從而影響PE管道的安全使用.通常認為在長期靜載下PE管材的主要失效形式是由蠕變裂紋萌生(CreepCrackInitiation)和蠕變裂紋擴展(CreepCrackGrowth,CCG)引起的慢速裂紋擴展(Slow Crack Growth,SCG)失效[３Ｇ４].研究PE管材慢速裂紋擴展行為的傳統方法主要包括缺口管道試驗(NPT)、賓夕法尼亞單邊缺口試驗(PENT)、全缺口拉伸蠕變試驗(FNCT)等.這些方法一般需要提高試驗溫度或加入表面活性劑來縮短試驗時間,而裂紋圓棒(CrackedRoundBar,CRB)試驗法可在室溫和不使用表面活性劑的情況下進行,具有試驗持續時間短、試驗結果與實際情況吻合良好等優點.此外,CRB方法還可以利用疲勞裂紋擴展(FatigueCrackGrowth,FCG)性能參數,通過外推法得到靜載荷下的SCG 性能參數.在２０１５年,國際標準化組織將CRB方法確定為測定PE管材抵抗慢速裂紋擴展能力的標準方法之一,標準號為ISO １８４８９－２０１５(E).國內外學者[３Ｇ８]采用CRB 方法對PE 管材進行了一系列研究,但利用該方法對PE 管材熱熔對接接頭性能的研究鮮有報道.

為了研究PE１００管材熱熔對接接頭的抗SCG性能,作者對PE１００管材熱熔對接接頭進行了CRB試驗,探討了應力強度因子K 以及載荷比R 對裂紋擴展行為和疲勞壽命的影響,通過斷口形貌觀察,研究了PE１００管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴展機制,并通過外推法得到靜載荷下的SCG 參數,進而確定指定使用壽命下允許的最大初始應力強度因子,為PE１００管材的安全使用提供依據.

１　試樣制備與試驗方法

試驗材料是由道達爾石化提供的牌號為XS１０的PE１００級注塑管材,管材公稱直徑為２５０mm,標準尺寸比(外徑/壁厚)為１１. 采用ABF２/GATOR２５０型焊機對PE１００管材進行熱熔對接焊接,焊接時環境溫度為２６．５ ℃,操作電壓為２２０V,加熱板溫度為２３２ ℃,加熱時間為１６０s,冷卻時間為４８０s.沿軸向截取一段含熱熔接頭的管材并制

成圓棒,預制裂紋的方向垂直于軸線并與熱熔對接面重合,預制裂紋的深度aini＝１．５mm,CRB試樣的幾何尺寸如圖１所示.

采用凱爾測控EUMＧ２５K２０型拉扭疲勞試驗機,對CRB試樣施加正弦脈動載荷,頻率f＝２．５Hz,試驗溫度為２３ ℃.按照ISO１８４８９－２０１５(E),CRB試驗的試樣編號和載荷參數見表１所示,表中R 為載荷比(R ＝Fmax/Fmin,Fmax為最大載荷,Fmin為最小載荷),K max為最大初始應力強度因子.采用凱爾測控NSDS２１００型非接觸式變形測量系統記錄裂紋張口位移δ 隨載荷循環次數N 的變化.采用FEINova NanoSEM４５０ 型場發射電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌,利用ImageJ軟件對斷口的銀紋纖維進行測量.采用能量色散X 射線檢測技術(EnergydispersiveXＧraydetector,EDX)對裂紋穩定擴展區顆粒的化學成分進行分析.

２　試驗結果與討論

２．１　δＧN 曲線

由圖２(a)~(c)可知:相同R 下,當K max較大時,試驗初期δ 增長率逐漸降低,中期δ 增長率趨于穩定,斷裂前δ 增長率急劇增大;當K max較小時,δ具有階梯增長的特征,K max越小,這種階梯出現的次數越多,階梯間δ 增長率越低,甚至出現平臺,低δ

增長率段或平臺所經歷的循環周次越多;相同R下,K max越小疲勞壽命越長.由圖２(d)可見:相同K max下,當R 較小時,試驗初期δ 增長率逐漸降低,中期δ 增長率趨于穩定,斷裂前δ 增長率急劇增大;當R 較大時,δ 具有階梯增長的特征,R 越大即越

接近于靜載荷時,這種階梯出現的次數越多,階梯間δ 增長率越低,甚至出現平臺,低δ 增長率段或平臺所經歷的循環周次越多;相同K max下,R 越大疲勞壽命越長.

２．２ 斷口形貌

由圖３和圖４可知:試樣外側是預制裂紋形成的光滑平面,內側為疲勞斷口,疲勞斷口可劃分為逐步擴展區、穩定擴展區和瞬時斷裂區;隨著 Kmax的增大,逐步擴展區的范圍減小,穩定擴展區的范圍增大;熱熔對接接頭 CRB試樣的斷口比母材的更加粗糙,穩定擴展區出現密集的韌窩.圖２中δＧN 曲線所揭示的裂紋逐步擴展過程在圖３和圖４中表現為明暗相間的環狀條紋,這是由于裂紋尖端的應力集中導致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發生,這兩種機制相互交替構成了裂紋逐步擴展的SCG 行為[９Ｇ１０].由圖５可知,銀紋損傷是由靠近裂紋尖端連續的纖維和充滿空穴的連續薄膜構成的.

圖２中δＧN 曲線所揭示的裂紋逐步擴展過程在圖３和圖４中表現為明暗相間的環狀條紋,這是由于裂紋尖端的應力集中導致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發生,這兩種機制相互交替構成了裂紋逐步擴展的SCG 行為[９Ｇ１０].由圖５可知,銀紋損傷是由靠近裂紋尖端連續的纖維和充滿空穴的連續薄膜構成的.

由圖６可知:與１Ｇ１試樣相比,１′Ｇ１試樣的疲勞斷口上的裂紋逐步擴展區與穩定擴展區之間區分明顯,在逐步擴展區上的銀紋損傷和裂紋擴展之間區分明顯;逐步擴展區的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴展區更加粗糙,在穩定擴展區上出現密集的韌窩.在試樣１Ｇ１、１Ｇ２、１Ｇ３和１′Ｇ１、１′Ｇ２、１′Ｇ３的銀紋損傷斷口的掃描電鏡圖中,采用ImageJ軟件隨機測量２０根纖維的拉伸長度,測量結果列于表２中.由表可知:隨著K max的增大,銀紋纖維拉伸長度逐漸減小,且熱熔接頭試樣逐步擴展區的銀紋纖維拉伸長度小于母材試樣的.由圖２和圖６可知,銀紋損傷的形成先于裂紋的穩定擴展,銀紋纖維被拉伸后產生微觀塑性變形,此過程會持續相當長時間,在整個疲勞壽命中所占得比例比較大.通過由圖６可知:與１Ｇ１試樣相比,１′Ｇ１試樣的疲勞斷口上的裂紋逐步擴展區與穩定擴展區之間區分明顯,在逐步擴展區上的銀紋損傷和裂紋擴展之間區分明顯;逐步擴展區的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴展區更加粗糙,在穩定擴展區上出現密集的韌窩.在試樣１Ｇ１、１Ｇ２、１Ｇ３和１′Ｇ１、１′Ｇ２、１′Ｇ３的銀紋損傷斷口的掃描電鏡圖中,采用ImageJ軟件隨機測量２０根纖維的拉伸長度,測量結果列于表２中.由表可知:隨著 Kmax的增大,銀紋纖維拉伸長度逐漸減小,且熱熔接頭試樣逐步擴展區的銀紋纖維拉伸長度小于母材試樣的.由圖２和圖６可知,銀 紋損傷的形成先于裂紋的穩定擴展,銀紋纖維被拉伸后產生微觀塑性變形,此過程會持續相當長時間,在整 個 疲 勞 壽 命 中 所 占 得 比 例 比 較 大.通 過PE１００母材與熱熔接頭的 CRB試驗結果的對比可以發現,熱熔接頭試樣的銀紋纖維拉伸長度較短,導致接頭的抗SCG能力下降,因此其疲勞壽命明顯縮短.由圖７可知:１Ｇ１試樣的穩定擴展區呈疲勞裂紋穩定擴展的典型特征,上面存在著一些大小不一的顆粒;由于熱熔對接焊接是在非真空條件下完成的,１′Ｇ１試樣穩定擴展區焊縫上不可避免地會產生焊接缺陷,如微氣孔,微氣孔引發的內部次生裂紋與主裂紋疊加,加快了裂紋的擴展速率,并在裂紋穩定擴展區上表現為一系列拋物線形的空心韌窩,同時其中一部分微氣孔處存在一些顆粒.由圖８可知,裂紋穩定擴展區顆粒中的鈦、鋁等元素含量明顯增加,這是由于在 PE 材料的生產過程中需要加入含有鈦、鋁等元素 的 催 化 劑[２].在 高 溫 焊 接 過 程 中,產 生 的微 氣孔造成了試樣內部材料不連續,給裂紋萌生造成有利條件,從而導致次生裂紋的形成.由 PE１００母材及熱熔接頭的 CRB試驗可知,熱熔接頭試樣的疲勞壽命明顯縮短,其主要原因為次生裂紋與主裂紋的疊加加快了熱熔接頭試樣的裂紋擴展速度.

３　FCG 外推與蠕變壽命預測

相關研究[３Ｇ７]表明,在靜載荷與較大R 的疲勞載荷下,斷裂機理基本相似,而且通過外推得到的結果與蠕變試驗結果吻合良好.因此,ISO１８４８９－２０１５(E)允許通過CRB試驗的FCG 性能外推得到靜載荷下材料的SCG 性能,即當載荷比R ＝１時,材料處于靜載荷條件下,此時材料的使用壽命為其蠕變壽命.在圖９(a)所示的K maxＧlgtf 坐標系中繪制不同R 下PE熱熔接頭的CRB試驗失效曲線,在失效曲線上分別取Kmax為０．６５,０．７０,０．７５MPa??m１/２時的數據,再將所得數據按Kmax值分組繪制在圖９

(b)的lgtfＧR 坐標系中,并外推至 R＝１,即可得到靜載荷下 PE 管材熱熔接頭的失效時間,再將圖９

(b)中R＝１時的數據繪制在圖９(a)KmaxＧlgtf 坐標系中并進行連接,便得到靜載荷下最大初始應力強度因子與失效時間的關系.試驗中的 PE１００熱熔對接接頭所允許最大初始應力強度因子和指定使用年限的關系為

式中:Y 為指定使用年限;系數３１５３６０００是以s為單位的一年時間;tf 為失效時間.由此預測可知,PE１００熱熔對接接頭在使用壽命為５０a前提下,所允許的最大初始應力強度因子為０．５５５MPa??m１/２.

４ 結 論

(１)當 R 相同時,隨著 Kmax的增大,PE１００管材熱熔對接接頭的疲勞裂紋擴展速率增大,疲勞壽命縮短;當Kmax相同,隨著R 的增大,疲勞裂紋擴展速率減小,疲勞壽命延長.

(２)熱熔對接接頭在逐步擴展區中的銀紋纖維拉伸長度減小,使接頭的抗慢速裂紋擴展能力下降;在裂紋的穩定擴展區中,焊接過程中產生的微氣孔導致次生裂紋的形成,次生裂紋與主裂紋的疊加加快了熱熔接頭試樣的裂紋擴展速率.

(３)利用外推法確定了PE１００熱熔對接接頭在靜載下、使用壽命為５０a時所允許的最大初始應力強度因子為０．５５５MPa??m１/２.

（文章來源：材料與測試網）