張建國(guó)１,董俊華１,高炳軍１,富陽(yáng)２

(１．河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,天津３００１３０;２．廣東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院中山檢測(cè)院,中山５２８４００)

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

關(guān)鍵詞:PE１００管材;熱熔對(duì)接接頭;抗SCG性能

中圖分類號(hào):TH１４５．４　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　　　文章編號(hào):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(yōu)良特性而得到廣泛的應(yīng)用[１Ｇ２].較大管徑的PE 管材多采用熱熔對(duì)接方式進(jìn)行連接,在焊接過(guò)程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)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(rèn)為在長(zhǎng)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(kuò)展(CreepCrackGrowth,CCG)引起的慢速裂紋擴(kuò)展(Slow Crack Growth,SCG)失效[３Ｇ４].研究PE管材慢速裂紋擴(kuò)展行為的傳統(tǒng)方法主要包括缺口管道試驗(yàn)(NPT)、賓夕法尼亞單邊缺口試驗(yàn)(PENT)、全缺口拉伸蠕變?cè)囼?yàn)(FNCT)等.這些方法一般需要提高試驗(yàn)溫度或加入表面活性劑來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間,而裂紋圓棒(CrackedRoundBar,CRB)試驗(yàn)法可在室溫和不使用表面活性劑的情況下進(jìn)行,具有試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間短、試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況吻合良好等優(yōu)點(diǎn).此外,CRB方法還可以利用疲勞裂紋擴(kuò)展(FatigueCrackGrowth,FCG)性能參數(shù),通過(guò)外推法得到靜載荷下的SCG 性能參數(shù).在２０１５年,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將CRB方法確定為測(cè)定PE管材抵抗慢速裂紋擴(kuò)展能力的標(biāo)準(zhǔn)方法之一,標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ISO １８４８９－２０１５(E).國(guó)內(nèi)外學(xué)者[３Ｇ８]采用CRB 方法對(duì)PE 管材進(jìn)行了一系列研究,但利用該方法對(duì)PE 管材熱熔對(duì)接接頭性能的研究鮮有報(bào)道.

為了研究PE１００管材熱熔對(duì)接接頭的抗SCG性能,作者對(duì)PE１００管材熱熔對(duì)接接頭進(jìn)行了CRB試驗(yàn),探討了應(yīng)力強(qiáng)度因子K 以及載荷比R 對(duì)裂紋擴(kuò)展行為和疲勞壽命的影響,通過(guò)斷口形貌觀察,研究了PE１００管材熱熔對(duì)接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制,并通過(guò)外推法得到靜載荷下的SCG 參數(shù),進(jìn)而確定指定使用壽命下允許的最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子,為PE１００管材的安全使用提供依據(jù).

１　試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料是由道達(dá)爾石化提供的牌號(hào)為XS１０的PE１００級(jí)注塑管材,管材公稱直徑為２５０mm,標(biāo)準(zhǔn)尺寸比(外徑/壁厚)為１１. 采用ABF２/GATOR２５０型焊機(jī)對(duì)PE１００管材進(jìn)行熱熔對(duì)接焊接,焊接時(shí)環(huán)境溫度為２６．５ ℃,操作電壓為２２０V,加熱板溫度為２３２ ℃,加熱時(shí)間為１６０s,冷卻時(shí)間為４８０s.沿軸向截取一段含熱熔接頭的管材并制

成圓棒,預(yù)制裂紋的方向垂直于軸線并與熱熔對(duì)接面重合,預(yù)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(cè)控EUMＧ２５K２０型拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī),對(duì)CRB試樣施加正弦脈動(dòng)載荷,頻率f＝２．５Hz,試驗(yàn)溫度為２３ ℃.按照ISO１８４８９－２０１５(E),CRB試驗(yàn)的試樣編號(hào)和載荷參數(shù)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(yīng)力強(qiáng)度因子.采用凱爾測(cè)控NSDS２１００型非接觸式變形測(cè)量系統(tǒng)記錄裂紋張口位移δ 隨載荷循環(huán)次數(shù)N 的變化.采用FEINova NanoSEM４５０ 型場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌,利用ImageJ軟件對(duì)斷口的銀紋纖維進(jìn)行測(cè)量.采用能量色散X 射線檢測(cè)技術(shù)(EnergydispersiveXＧraydetector,EDX)對(duì)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)顆粒的化學(xué)成分進(jìn)行分析.

２　試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１　δＧN 曲線

由圖２(a)~(c)可知:相同R 下,當(dāng)K max較大時(shí),試驗(yàn)初期δ 增長(zhǎng)率逐漸降低,中期δ 增長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定,斷裂前δ 增長(zhǎng)率急劇增大;當(dāng)K max較小時(shí),δ具有階梯增長(zhǎng)的特征,K max越小,這種階梯出現(xiàn)的次數(shù)越多,階梯間δ 增長(zhǎng)率越低,甚至出現(xiàn)平臺(tái),低δ

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

接近于靜載荷時(shí),這種階梯出現(xiàn)的次數(shù)越多,階梯間δ 增長(zhǎng)率越低,甚至出現(xiàn)平臺(tái),低δ 增長(zhǎng)率段或平臺(tái)所經(jīng)歷的循環(huán)周次越多;相同K max下,R 越大疲勞壽命越長(zhǎng).

２．２ 斷口形貌

由圖３和圖４可知:試樣外側(cè)是預(yù)制裂紋形成的光滑平面,內(nèi)側(cè)為疲勞斷口,疲勞斷口可劃分為逐步擴(kuò)展區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū);隨著 Kmax的增大,逐步擴(kuò)展區(qū)的范圍減小,穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的范圍增大;熱熔對(duì)接接頭 CRB試樣的斷口比母材的更加粗糙,穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)密集的韌窩.圖２中δＧN 曲線所揭示的裂紋逐步擴(kuò)展過(guò)程在圖３和圖４中表現(xiàn)為明暗相間的環(huán)狀條紋,這是由于裂紋尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發(fā)生,這兩種機(jī)制相互交替構(gòu)成了裂紋逐步擴(kuò)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(xù)的纖維和充滿空穴的連續(xù)薄膜構(gòu)成的.

圖２中δＧN 曲線所揭示的裂紋逐步擴(kuò)展過(guò)程在圖３和圖４中表現(xiàn)為明暗相間的環(huán)狀條紋,這是由于裂紋尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋尖端鈍化和銀紋損傷的發(fā)生,這兩種機(jī)制相互交替構(gòu)成了裂紋逐步擴(kuò)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(xù)的纖維和充滿空穴的連續(xù)薄膜構(gòu)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(kuò)展區(qū)與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)之間區(qū)分明顯,在逐步擴(kuò)展區(qū)上的銀紋損傷和裂紋擴(kuò)展之間區(qū)分明顯;逐步擴(kuò)展區(qū)的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴(kuò)展區(qū)更加粗糙,在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)上出現(xiàn)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(jī)測(cè)量２０根纖維的拉伸長(zhǎng)度,測(cè)量結(jié)果列于表２中.由表可知:隨著K max的增大,銀紋纖維拉伸長(zhǎng)度逐漸減小,且熱熔接頭試樣逐步擴(kuò)展區(qū)的銀紋纖維拉伸長(zhǎng)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(wěn)定擴(kuò)展,銀紋纖維被拉伸后產(chǎn)生微觀塑性變形,此過(guò)程會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間,在整個(gè)疲勞壽命中所占得比例比較大.通過(guò)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(kuò)展區(qū)與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)之間區(qū)分明顯,在逐步擴(kuò)展區(qū)上的銀紋損傷和裂紋擴(kuò)展之間區(qū)分明顯;逐步擴(kuò)展區(qū)的銀紋纖維被梳理拉伸效果更加顯著,裂紋擴(kuò)展區(qū)更加粗糙,在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)上出現(xiàn)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(jī)測(cè)量２０根纖維的拉伸長(zhǎng)度,測(cè)量結(jié)果列于表２中.由表可知:隨著 Kmax的增大,銀紋纖維拉伸長(zhǎng)度逐漸減小,且熱熔接頭試樣逐步擴(kuò)展區(qū)的銀紋纖維拉伸長(zhǎng)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(wěn)定擴(kuò)展,銀紋纖維被拉伸后產(chǎn)生微觀塑性變形,此過(guò)程會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間,在整 個(gè) 疲 勞 壽 命 中 所 占 得 比 例 比 較 大.通 過(guò)PE１００母材與熱熔接頭的 CRB試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),熱熔接頭試樣的銀紋纖維拉伸長(zhǎng)度較短,導(dǎo)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(wěn)定擴(kuò)展區(qū)呈疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)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(duì)接焊接是在非真空條件下完成的,１′Ｇ１試樣穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)焊縫上不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷,如微氣孔,微氣孔引發(fā)的內(nèi)部次生裂紋與主裂紋疊加,加快了裂紋的擴(kuò)展速率,并在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)上表現(xiàn)為一系列拋物線形的空心韌窩,同時(shí)其中一部分微氣孔處存在一些顆粒.由圖８可知,裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)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(chǎn)過(guò)程中需要加入含有鈦、鋁等元素 的 催 化 劑[２].在 高 溫 焊 接 過(guò) 程 中,產(chǎn) 生 的微 氣孔造成了試樣內(nèi)部材料不連續(xù),給裂紋萌生造成有利條件,從而導(dǎo)致次生裂紋的形成.由 PE１００母材及熱熔接頭的 CRB試驗(yàn)可知,熱熔接頭試樣的疲勞壽命明顯縮短,其主要原因?yàn)榇紊鸭y與主裂紋的疊加加快了熱熔接頭試樣的裂紋擴(kuò)展速度.

３　FCG 外推與蠕變壽命預(yù)測(cè)

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

(b)的lgtfＧR 坐標(biāo)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(shí)間,再將圖９

(b)中R＝１時(shí)的數(shù)據(jù)繪制在圖９(a)KmaxＧlgtf 坐標(biāo)系中并進(jìn)行連接,便得到靜載荷下最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子與失效時(shí)間的關(guān)系.試驗(yàn)中的 PE１００熱熔對(duì)接接頭所允許最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子和指定使用年限的關(guān)系為

式中:Y 為指定使用年限;系數(shù)３１５３６０００是以s為單位的一年時(shí)間;tf 為失效時(shí)間.由此預(yù)測(cè)可知,PE１００熱熔對(duì)接接頭在使用壽命為５０a前提下,所允許的最大初始應(yīng)力強(qiáng)度因子為０．５５５MPa??m１/２.

４ 結(jié) 論

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

(２)熱熔對(duì)接接頭在逐步擴(kuò)展區(qū)中的銀紋纖維拉伸長(zhǎng)度減小,使接頭的抗慢速裂紋擴(kuò)展能力下降;在裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)中,焊接過(guò)程中產(chǎn)生的微氣孔導(dǎo)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(kuò)展速率.

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

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)）