延长钛合金海洋舰船结构件的使用寿命

对于船舶制造工业来说,现阶段延长海洋舰船的使用寿命是科研急需解决的问题。这主要与缩减新的和维修现役的船舶的资金投入有关。

要延长船舶使用期限,最重要的一点是延长船舶的船体构件,目前它的使用期限为20-25年。

    按照时间和负载周期数的真实运转情况、船体构件的实际技术状态和金属的机械性能是延长船舶结构件使用期限的主要指标。

还应该考虑到,通常按照时间和负载周期数的实际使用寿命会大大低于制品的名义寿命。因此,可以根据两个最新的指标来延长海洋船舶结构件的使用期限。

海洋结构件船体的实际技术状态,通常可以根据负载量较大的船体结点的鉴定缺陷结果确定:固定接头的对接区域和结构件剧烈的刚性变化;相邻的焊接垫套与加强肋之间的区域;焊接饱和分布区域及其它等等。

可以从结构件上切取试样确定金属的机械性能,但并非适用于所有状况。此时,根据“普罗米修斯”中央结构材料科学研究院和克雷洛夫中央科学研究院共同研制的一种特殊方法,可以计算剩余寿命,从而证明结构件是否存在缺陷。

本文所述的研究结果是由近α钛合金Ti-4Al-2V制成的现代化水下研究装置在服役20年后延长船体使用期限的可能性。

该装置主体是直径为5m、厚度为100mm且有两个球形隔舱的圆柱体,它由模锻件坯料制成,焊接采用的是手工氩弧焊。

该装置包括可视航海装备,因此需要在主体上开孔并使用焊接垫套加固。

利用无损检测法(目视、表面张力探伤、超声检测和X射线检测)鉴定水下研究装置。结果显示,无论是主体金属,还是焊接件都没有发现缺陷。

    为了便于开孔,需从主体上切割直径为400mm的圆孔形面板,这些面板主要用于:

——基体金属和金属焊缝的金相分析;

——基体金属和金属焊缝的化学成分和机械性能的研究;

——断口组织试验;

——基体金属和焊接件的工作性能的研究(低周疲劳强度、在空气和海水中的断裂韧性)。

基体金属的化学成分研究结果显示,该合金完全符合GOCT 19807-91标准的Ti-4Al-2V合金。基体金属和焊接件的试样的氢含量为0.004%,允许氢含量为0.008%。

金相研究结果显示,基体金属和承重结构焊接件的组织符合标准的近α钛合金组织。焊缝组织为铸造组织。

对断裂试样的断口组织进行研究可知,断裂特性符合金属的韧性断裂,基体金属和焊接件的试样断口形态特征为纤维构造。

对焊接件不同区域的硬度值研究结果显示,热处理影响区的硬度与基体金属的硬度一致,焊缝处的硬度值较低一些,符合添加材料2B合金(Ti-2Al-1.5V)。由于缺少该合金原始态的试验数据,为便于比较,使用该合金标准技术供货条件下的数据。

 

研究结果显示,所有的机械性能都符合原始材料的要求,焊接件能保证所需的强度和塑性。

研究“砂漏型”试样的低周强度可知,基体金属和焊接件的强度符合当代供货条件的要求(图2)。

根据GOCT 25.506-85标准,在空气中进行三点负载韧性断裂试验,可以确定基体金属和焊接件的裂缝强度。利用名义尺寸为30×60×260mm的棱柱形试样,在空气和海水中进行试验。试验结果显示,基体金属和热影响区在空气中的断裂韧性比较高,达到KC =122-140Mpa×m1/2

在海水中获取的断裂韧性的预测值为KISCC =97-126 Mpa×m1/2

获取的基体金属和热影响区在空气和海水中的断裂韧性值,经过长时间工作后,其性能不会低于初期试验的原始态相似材料的性能。

综上所述试验结果,可以确定,复合合金Ti-4Al-2V是深水海洋技术中主体船体材料,在使用20年后其机械性能不会改变。

结合获取的主体的实际状态和实际机械性能得出,可以延长现代化水下装置主体的使用期限这一结论。

在实际中,虽然会出现所研究的复合合金的钛合金结构件出现裂缝这一特殊情况,但是这种裂缝与使用条件无关,与在建造时未遵循工艺有关。

例如可以研究一个深水装置的焊接垫套受损的状况。

通过目测表面缺陷和借助于表面张力探伤,可以确定该装置的主体和焊接件的实际技术状态。

 

一般在主体结构上没有缺陷,裂缝一般出现在焊接垫套和与主体焊接的焊缝处。根据焊接垫套所在的缺陷,一般采取的措施是切割或替换。

为了确定切割下的焊接垫套的裂缝形成原因,需进行以下研究:

——基体金属和金属焊缝的金相研究;

——基体金属和金属焊缝的机械性能和化学成分的研究;

——裂缝表面的断口组织试验;

3  切割的焊接垫套的外观图        ——通过X射线法研究焊接垫套的表面剩

 

余应力。

  切割的焊接垫套的外观图见图3。焊接垫套是由与基体材料类似的复合合金的锻件制成。

    在研究从焊接垫套不同区域切割的横向切片的宏观组织时,发现在焊接垫套表面有熔焊金属,虽然任何一种熔焊-焊接工艺并未有这样的规定。

向主体结构焊入焊接垫套后,在其表面应做如下辅助工作:在周边焊接尺寸为10×15mm的导槽,用以放置X射线照相胶片;在焊接垫套边缘补焊尺寸为10×20mm的衬垫,衬垫通过机械车削加工而成;在端面熔焊14个不规则的螺纹孔。

在焊接垫套表面发现的裂缝也就是出现在上述的焊接表面

 

对焊接件一些区域的显微组织进行研究,结果显示,与近α合金半成品(轧制板、锻件)和金属焊缝的组织特性相比,没有任何差别。

基体金属(板和锻件)和焊缝金属通过光谱分析法确定化学成分,结果显示,合金元素和杂质含量均在标准技术文件的要求范围内。

测量焊接件的HV硬度,结果显示,没有出现与平均值有大的偏差的情况,Ti-Al-V复合合金的焊接件不同区域的硬度为:基体金属为280,300HV;热影响区为300,315HV;焊缝金属为240,250HV。

通过标准圆柱形试样拉伸试验和冲击试验获取的焊接垫套金属的机械性能,以及标准技术文件要求的机械性能指标见图5

在从焊缝和焊接槽切下的两个试样上进行裂缝断口组织研究,此时裂缝为自然裂缝(图6)。

研究第一个试样裂缝表面结果显示,分布在靠近焊缝外表面的一些金属损伤点引起了断裂。因此,在7mm长的断裂表面发现了5处损伤点。每个损伤点是直径为0.5mm的扁平状圆形,呈现出纤维状径向褶痕。

由扁平状和小尺寸缺陷可以推测,由于局部拉伸力的作用,在一定范围内金属损伤点就发展成为“缺口”。四散的径向褶痕显示,由于局限性的位移而发生了塑性变形。根据出现的形态特征,可以将其归为局部缺口源,它与较高的气体饱和以及局部氧化有关。

 

▉—波动区域;--- —供货技术条件要求,不小于

 

在详细研究断裂表面特别是局部缺口源,曾经确定了以直径为150±50μm的同心圆区,在那里出现了二次裂缝。靠近同心圆区,在金属的化学成分中发现有氧、硅和碳,其含量明显高于标准技术文件要求的范围。同时上述这些元素在裂缝表面分布的很不均匀:靠近外表面处为碳和氧,在距表面深度0.2mm处为氧和硅。

 

    从金属熔接槽处切下的第2个试样,在损伤中心的边界出现了树状晶体,是具有过渡成分的钛碳化物和钛氧化物。

    在标准杂质含量的金属区域,裂缝并未扩散。

    利用“普罗米修斯”中央结构材料科学研究院研制的X射线自动应力测量仪测量主体焊缝垫套的剩余应力,该测量仪配置有IBM的控制应用程序模块和测量结果处理系统。

    曾在四个区域进行了测量。第一个和第二个区域位于焊接衬垫裂缝处10mm和30mm处。第三个和第四个位于焊接槽距离拉伸裂缝的250mm和100mm处。测量结果见表1。

 

                     1  X射线法测量应力结果

 

区域号

距离裂缝处,mm

应力值,MPa

1

10

530±50

2

30

480±50

3

250

335±50

4

100

275±50

 

海洋研究装置的主体负载的主要方式是全方位压缩。在这样的使用条件下,弯曲应力和剩余焊接应力是裂缝形成和发展的主要原因。

在焊接垫套的环形焊缝处形成封闭区域,本身就具备了足够高的反剩余焊接应力。现阶段正在试验以确认在熔焊区也存在较大的剩余焊接应力。

早期多次研究和使用复合合金Ti-4Al-2V的经验显示,在合金元素和杂质的标准含量下,合金具有较高的强度(瞬时断裂强度和极限强度)和周期负载强度,也存在剩余焊接应力。对于该合金来说,在指定的使用期限内,只有在杂质含量较高的非质量的脆性材料上会提前出现裂缝。

通过裂缝断口组织试验可以确,在一些焊缝区和焊缝边材存在脆性材料。

这些区域的杂质含量明显高于标准要求的许可范围,从而形成钛碳化物(TiC2)、钛氧化物(TiO)和氧化硅(SiO),这可以得出在制造装置时焊接和熔焊工艺损伤的结论。这种损伤引起:第一,热氧化后基体金属的边材表面清理得不够彻底;第二,在焊接和熔焊时焊缝表面的保护性惰性气体不够。

根据自身特点,上述裂缝应属于工艺性的,是在剩余焊接应力的作用下再加上运转负载引起的延时断裂。

结论

    关于延长钛合金海洋结构件长期运转后的使用期限这一课题,曾进行了一系列研究,主要有:通过验证和缺陷检查确定材料的实际状态;同原始态半成品进行比较,确定材料的物理-机械性能。

该文主要研究了材料的物理-机械性能,以及海洋复合合金Ti-4Al-2V在长期运转后,断裂特性没有发生变化,从而证明合金具有较高的稳定性。

基体材料和焊接件的缺陷检查和验证结果,以及获取的工作特性是延长Ti-4Al-2V海洋合金结构件基体材料使用期限的根据。

应该指出,即使存在与违反焊接和熔焊的工艺有关的工艺缺陷(裂缝),也不会导致结构件断裂或失去密封性,这说明合金具有较高的抗裂缝扩散强度。

研究复合钛合金Ti-4Al-2V的结果验证了其具有较高的运转性能和作为海洋结构件的安全性。