TIG修復(fù)水下疲勞裂紋

1、TIG水下疲勞裂紋修復(fù)摘要：一種海洋管疲勞裂紋的修復(fù)方法已經(jīng)出現(xiàn)。這種方法通過定期的檢查（例如磁粉探傷可以探測(cè)到5mm以內(nèi)的裂紋），來對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行測(cè)試和判定大小。該方法的主要優(yōu)勢(shì)在于很容易使用，因?yàn)樗奖氵\(yùn)輸和安裝使得裂紋探測(cè)到以后就可以快速修復(fù)，因此這套設(shè)備可以安放在定期進(jìn)行檢測(cè)的船上。在實(shí)施修復(fù)工作之前要先準(zhǔn)備并確保高質(zhì)量的焊接過程，需要考慮到管腳的參數(shù)并選擇所使用的焊接設(shè)備。這種方法的提出可以在裂紋擴(kuò)展的初期延長疲勞壽命，這就避免了使用更加昂貴的修復(fù)技術(shù)例如管夾緊。關(guān)鍵詞：裂紋；疲勞；無損的；近海；管節(jié)點(diǎn)；焊接一、 緒論在焊接件使用過程中受到循環(huán)載荷容易引發(fā)疲勞裂紋。裂紋早期會(huì)在焊接件

2、的焊趾處出現(xiàn)，早期的裂紋檢測(cè)和修復(fù)可以防止裂紋擴(kuò)展最終引發(fā)失效，參見API RP2A。對(duì)于水下環(huán)境，比如海洋石油開采業(yè)，疲勞裂紋修復(fù)成本高并且復(fù)雜；這方面的綜合參考由UEG海洋研究提供。在這項(xiàng)工程中，現(xiàn)在提出了以重熔基礎(chǔ)材質(zhì)的修復(fù)疲勞裂紋的方法。這項(xiàng)裂紋去除方法跟別的修復(fù)方法例如輸油管線夾緊技術(shù)相比可以降低修復(fù)成本。通過大量的查閱疲勞裂紋的修復(fù)方法，Smith和Hirst推薦了一種有參考價(jià)值的方法。別的疲勞裂紋修復(fù)方法是建立在機(jī)械的裂紋去除的基礎(chǔ)上，參考Rodriguez-Sanchez等人的研究。然而，基礎(chǔ)材質(zhì)重熔的疲勞裂紋修復(fù)法能否在水下的環(huán)境中輕易使用還有待于測(cè)試。海洋輸油管線夾緊技術(shù)已

3、經(jīng)廣泛的使用在裂紋修復(fù)中。這種方法包括了昂貴的制造和安裝費(fèi)，因?yàn)樵谛迯?fù)過程中需要一艘特別的船以及船員，一旦夾鉗在使用中，就需要經(jīng)常性的釘張力評(píng)估以確保節(jié)點(diǎn)承載力可以通過鉗夾傳遞。Wimpey Offshore Engineers &Constructors Ltd提出了鉗夾的設(shè)計(jì)和螺栓張力的計(jì)算指南。本文中，使用TIG焊接技術(shù)來重熔基礎(chǔ)材料并消除疲勞裂紋，這種方式可以很好的保證原板料的厚度并且延長疲勞壽命。TIG被公認(rèn)為水下疲勞裂紋修復(fù)的可行技術(shù)，事實(shí)上，它可以在一定的深度內(nèi)被用來熔化基體金屬；在熔化和焊接的影響下，可以去除裂紋尖端并且修復(fù)裂紋表面。這種方法受制于重熔焊接的穿透能力，本

4、文研究了這些限制，并給出了結(jié)論。二、 疲勞裂紋的檢測(cè)和分級(jí)為了避免關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的突然失效，NDE要求檢測(cè)并對(duì)不連續(xù)的焊接件表面進(jìn)行分級(jí)。MPI是用于空氣和水下不連續(xù)金屬焊接件表面檢測(cè)的指標(biāo)，這種技術(shù)可以對(duì)長度進(jìn)行分級(jí)但是不能對(duì)疲勞裂紋深度分級(jí)，ACFM一種電磁技術(shù)可以對(duì)在空氣中或者水下的管節(jié)點(diǎn)處的疲勞裂紋進(jìn)行深度以及長度上的分級(jí)。ACFM水下檢測(cè)設(shè)備可由潛水員或者機(jī)器人攜帶。為了比較這兩種NDE技術(shù)，提出了PoD曲線。這個(gè)信息和目前的工作相關(guān)，TIG焊接的重熔深度需和高的PoD曲線相匹配以確保水下裂紋修復(fù)方法的可靠性。圖1展示了從不同物體中收集的MPI數(shù)據(jù)的PoD曲線?？梢钥闯觯瑱z測(cè)一個(gè)1mm深的

5、裂紋的可能性從48%到54%不等。一般的變化規(guī)律顯示更深的裂紋有更大的PoD價(jià)值。圖2展示了ACFM檢測(cè)技術(shù)的PoD曲線。1mm裂紋檢測(cè)到的可能性從44%到60%并且80%的裂紋深度超過2mm。根據(jù)圖1和圖2中的PoD曲線，我們可以得出這樣的結(jié)論當(dāng)裂紋深度大于或等于3mm時(shí)通過MPI和ACFM檢測(cè)出的可能性大于等于90%。三、 疲勞裂紋形貌疲勞裂紋的擴(kuò)展形狀是由a/c決定的，a表示裂紋深度，c表示裂紋長度的一半。隨著裂紋的深入，a和c遵循同樣的變化規(guī)律。本文作者預(yù)先做了實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)參考文獻(xiàn)中的裂紋形貌，并把裂紋初級(jí)階段擴(kuò)展a/c的比率展示在圖3中。此外，圖3也展示了兩個(gè)疲勞試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明在

6、這種情況下的裂紋擴(kuò)展模式，裂紋擴(kuò)展從裂口迅速擴(kuò)展到裂紋最合適的擴(kuò)展模式。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)裂紋的早期擴(kuò)展有參考價(jià)值，可以從材料表明裂紋的長度估算出裂紋的深度。從T型版的焊接接頭疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)來看，在純彎曲下的裂紋擴(kuò)展形狀可由以下兩公式計(jì)算。這個(gè)公式符合圖3展示的裂紋擴(kuò)展形態(tài)。T表示板的厚度。Dover等人提出海洋管接頭裂紋擴(kuò)展率的下界，由以下等式描述?？梢钥闯龉剑?）和（3）可以很好的符合，公式（2）和（4）近似符合；圖3中也驗(yàn)證了這些公式。這些相似是由于管狀節(jié)點(diǎn)，即使是軸向加載，在焊接區(qū)主要還是承受彎的壓力。之前有研究稱表面裂紋的擴(kuò)展形貌取決于板厚。因此公式（1）、（2）可以在一般情況下使用，并且可

7、以通過MPI水下設(shè)備來檢測(cè)裂紋長度以此來確認(rèn)裂紋深度。四、 疲勞使用壽命的提高大量的提高焊接接頭疲勞使用壽命的技術(shù)已經(jīng)得到測(cè)試。其中的一些技術(shù)是焊趾的研磨，TIG焊接，錘擊，裂紋通過研磨消除并且通過濕法焊接填充這些凹槽。前面兩種方法改變了焊趾的幾何結(jié)構(gòu)，第三種方法引入了壓力，第四種焊接方法由濕法焊接填充材料。在圖4中展示了一些疲勞壽命提高技術(shù)的結(jié)果，在人造海水中這些技術(shù)被運(yùn)用在屈服強(qiáng)度272MPa的鋼上。關(guān)于焊接條件下的疲勞壽命，我們可以看出在第一處兩種情況下錘擊表現(xiàn)出最優(yōu)的疲勞壽命。在第二處，帶有陰極保護(hù)的焊趾去除法，低壓處比高壓處表現(xiàn)更好，這是由除料的部位所決定的。在自由腐蝕的條件下，可以

8、看出在第三處，焊趾去除法和TIG焊接法表現(xiàn)出同樣的疲勞壽命延長，更大的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在高壓區(qū)域。建立在用TIG提高疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，同時(shí)也改變了焊趾的幾何結(jié)構(gòu)；由于TIG焊接接頭平滑可以降低應(yīng)力集中。然而，必須注意選擇合適的焊接參數(shù)，焊槍的位置最好在焊趾線上等等因素。五、 疲勞裂紋的熔焊在本文中，試圖通過TIG熔焊來修復(fù)水下可以通過熔化來修復(fù)的疲勞裂紋。最初的表面裂紋可以通過這種方法修復(fù)，這種方法建立在MPI裂紋長度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，由圖3展示的裂紋表面生長形狀來測(cè)算裂紋深度。因此，可以通過熔焊方法修復(fù)的深度為裂紋深度加上一個(gè)額外長度，如圖5所示。額外長度考慮到了裂紋深度的不確定量以及熔深。如果給出a

9、和T的值，就可以根據(jù)公式（1）、（2）算出a/c 的比率；因此，2c可以算出來。例如，如果a=3mm，T=19.1mm,那么a/T=0.157；從公式（2）得出a/c =0.13，2c=46mm。之前對(duì)裂紋深度的計(jì)算建立在公式（1）、（2）的裂紋長度基礎(chǔ)上，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在4個(gè)板的厚度上進(jìn)行的，結(jié)果在圖6中展示出來。在海洋檢測(cè)活動(dòng)中，通常用MPI判斷裂紋，因此，只有長度可以分級(jí)。在裂紋長度知道后可以通過圖6估測(cè)裂紋深度；從而熔深就等于裂紋深度加上額外長度。根據(jù)之前提到的例子，裂紋深度3mm，要求熔深達(dá)到4.5mm?；仡櫼幌聢D1，當(dāng)裂紋深度大于3mm，在MPI之下有90%PoD。六、高壓焊接室為了實(shí)

10、施本文的修復(fù)任務(wù)，需要一個(gè)焊接室，因?yàn)門IG焊接是在干燥空氣環(huán)境下使用惰性氣體保護(hù)。為了證明提出方法的可行性，經(jīng)過論證焊接室越小越好。為了估算室的大小和浮力，認(rèn)為一條使用MPI帶有90%PoD的裂紋被認(rèn)為是K型接頭，如圖7所示。TIG熔化焊的焊趾長度達(dá)46mm，加上起點(diǎn)前的25mm和結(jié)尾后的25mm，一共長度達(dá)到96mm。焊接室的大小要能讓一個(gè)焊接操作工單手持焊槍從開口出伸進(jìn)去。焊接室中的水最初由氣體取代，然后是由焊接過程中的氣體排開，在焊接過程中不再需要高壓氣體，因?yàn)槭抑械臍怏w制造了一個(gè)壓縮氣體泡正好等于水的壓力。焊接室的窗口必須是透明的，這樣焊工就可以看到裂紋的路徑。據(jù)測(cè)算，窗口可達(dá)550

11、mm寬，400mm高，400mm深，造成的浮力約為90Kg。這么大的浮力可以沿著管節(jié)點(diǎn)和室傳遞到K接頭處，在垂直方向的力可以由尼龍繩抵消，如圖8。七、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證惰性氣體保護(hù)焊是典型的使用直流正接或者交流。使用這種接線方式，使得70%的熱量在基體金屬上。30%的熱量被電子損耗。因此，深而窄的TIG焊接采用直流正接。氬和氦常用來保護(hù)TIG電弧以及熔化金屬。更多的使用氬氣是因?yàn)?，氬氣價(jià)格低廉且容易起弧和操作。焊接過程造成的熔化尺寸完全不同，也就說在100A的電流下，氦氣熔化的金屬多于氬氣。這是由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同，熱量在氣體陽極表面的傳遞氦氣比氬氣好。另外一個(gè)解釋是氦氣和氬氣的電離能不同，分別是2.

12、52 × 10 -18 and 3.92 × 10 -18 J；高的電離能使得氦氣有更高的電壓，因此可以比氬氣的熱輸入大。電極的形狀也會(huì)對(duì)電弧形狀和熔合區(qū)形狀。焊珠的滲透力隨著電極尖端角度的增加而增大。電極尖端和電極角度的組合可以改善焊接熔深。圖9顯示了頂點(diǎn)角度和截?cái)噫u電極的技巧。頂點(diǎn)角度和電極頭的熔斷以及保護(hù)氣體中氦氣的含量將影響深寬比。圖10顯示的是TIG焊接熔深和氦氣含量以及電極角度的關(guān)系，深寬的比率隨著氬氣被氦氣的取代量以及r2的提高而提高。通常情況下，深寬比隨著氦氬混合氣中氦氣含量的提高而提高。從圖10中可以看出，電極越鈍深寬比越大；然而電流低時(shí)，電弧不穩(wěn)定。眾所

13、周知表面活性元素可以改善深寬比，由圖11中的液流圖可知。向外流體流動(dòng)模式出現(xiàn)在高純度金屬，合金產(chǎn)生寬而淺的焊縫，向內(nèi)流的流動(dòng)模式加上表面的活性元素可以增大熔深。當(dāng)硫元素含量增加到0.01%時(shí)液態(tài)金屬表面張力減?。划?dāng)硫含量超過0.01%時(shí)表面張力快速降低。在熔化的純金屬中加入0.1%的硫可以降低550dynes/cm的表面張力。根據(jù)指定值，硫在結(jié)構(gòu)鋼中的最大含量為0.03-0.05%。因此在海洋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)鋼TIG焊接中，焊縫應(yīng)該是深而窄的。為了驗(yàn)證提出的修復(fù)方案，TIG焊在ASTM標(biāo)準(zhǔn)下的A-36鋼上焊接，焊接深度可以測(cè)量。圖12表示熔焊示意圖。圖13中TIG焊接的深度可達(dá)4mm。這種船用鋼是在

14、氣體環(huán)境下采用直流正接，3.2mm寬，3mm的電弧高度，氬氣加上2%的氧氣，2.5mm/s的焊接速度。隨著電流值得增大，焊接深度增加。當(dāng)電流達(dá)到210A時(shí)熔深達(dá)4.5mm。這些焊接實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室的氣體環(huán)境中完成的。之前做了五組實(shí)驗(yàn)來確定焊接參數(shù)，把焊接速度降至2.1mm/s，由于熱輸入量的增加，使得熔深增加。這種方法的目的在于水下海洋結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋的修復(fù)，在淺水區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此焊接室外的壓力不會(huì)對(duì)電弧造成影響。本文的實(shí)驗(yàn)是在干燥的氣體環(huán)境下有機(jī)器人完成，圖13和圖14的結(jié)果可以認(rèn)為是模擬水下的環(huán)境。八、結(jié)論在通常的海洋結(jié)構(gòu)檢查中，通常把把檢查報(bào)告給操作員，讓操作員去發(fā)現(xiàn)損壞處以及制定修復(fù)計(jì)劃。這種方法耗費(fèi)的時(shí)間決定于操作員。直到修復(fù)完成，在評(píng)估過程中疲勞裂紋一直在擴(kuò)展。疲勞裂紋修復(fù)比如管節(jié)點(diǎn)夾緊技術(shù)比較昂貴而且難實(shí)施。因此在本文中，采用TIG