廖小偉，王元清，周暉，石永久

(1.清華大學(xué) 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

?

鍋爐鋼結(jié)構(gòu)大板梁構(gòu)造焊接接頭的力學(xué)和斷裂韌性試驗(yàn)

廖小偉1，王元清1，周暉2，石永久1

(1.清華大學(xué) 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

鍋爐鋼結(jié)構(gòu)大板梁對接焊接接頭在施工及運(yùn)營中，會(huì)產(chǎn)生裂紋缺陷。為了評估在役大板梁對接焊接接頭的鋼材性能，并為基于斷裂力學(xué)的大板梁焊接缺陷安全性評定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過真實(shí)模擬構(gòu)造華東某電廠鍋爐大板梁120 mm厚Q345B下翼緣厚板對接焊接接頭，結(jié)合單軸拉伸、低溫沖擊和三點(diǎn)彎曲斷裂韌性試驗(yàn)，研究了該構(gòu)造焊接接頭母材、熱影響區(qū)及焊縫處的基本力學(xué)性能、沖擊韌性和斷裂韌性。研究結(jié)果表明：母材和熱影響區(qū)鋼材力學(xué)性能穩(wěn)定，而焊縫處力學(xué)性能指標(biāo)離散性偏大；隨溫度降低，母材、熱影響區(qū)及焊縫處鋼材沖擊功值減少；焊縫處的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度較高、CTOD特征值較小，韌性性能較差。厚板對接焊接接頭的焊縫區(qū)成為防斷設(shè)計(jì)和評估的重點(diǎn)控制區(qū)域。

鍋爐鋼結(jié)構(gòu)；大板梁；對接焊接接頭；力學(xué)性能；沖擊韌性；斷裂韌性

大板梁是電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)體系中的主要受力構(gòu)件，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、單體重量大、承受荷載高、受力復(fù)雜等特點(diǎn)。它既要承受上萬噸的荷載，懸吊整個(gè)鍋爐的重量，保證鍋爐的安全；同時(shí)，其自身也要具有很高的安全可靠性[1-2]。因此，其在保證電廠鍋爐的安全可靠運(yùn)營中，占據(jù)著至關(guān)重要的位置。

由于大板梁的單體構(gòu)件尺寸大，其翼緣板和腹板在制作過程中要進(jìn)行焊接施工[3-4]。而在環(huán)境、荷載和施工因素等的影響下，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)大板梁在焊縫位置處會(huì)不可避免的出現(xiàn)裂紋缺陷[5]，這些裂紋缺陷可能會(huì)擴(kuò)展而導(dǎo)致大板梁結(jié)構(gòu)的斷裂破壞；另外，大板梁的翼緣板和腹板屬于厚板結(jié)構(gòu)，其裂紋缺陷處的應(yīng)力狀態(tài)隨板厚增加向平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變，使其發(fā)生脆性斷裂的傾向增大[6]，從而極大地危脅著整個(gè)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)體系的安全。

因此，在前期工作[7-11]的基礎(chǔ)上，本文采用華東某電廠鍋爐大板梁下翼緣板實(shí)際使用的120 mm厚Q345B鋼板和焊接工藝，并在相同的大板梁加工廠重新模擬制作了該大板梁翼緣厚板對接焊接接頭。從單軸拉伸試驗(yàn)、低溫沖擊韌性試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲斷裂韌性試驗(yàn)的角度，研究了大板梁厚板對接焊接接頭鋼材母材、熱影響區(qū)和焊縫的力學(xué)性能和斷裂韌性，一方面對大板梁厚板對接焊接接頭的鋼材材質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，積累鍋爐大板梁工程厚板鋼材試驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一方面，也為采用基于斷裂力學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)大板梁焊接缺陷安全性評定方法的研究提供分析參數(shù)[12-14]。

1　試驗(yàn)概述

根據(jù)GB/T 228-2002[15]，GB/T 229-2007[16]和GB/T 21143-2007[17]的規(guī)定對大板梁120 mm厚下翼緣厚板構(gòu)造對接焊接接頭的母材、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材進(jìn)行了常溫單軸拉伸，測得其彈性模量E、屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu、斷后伸長率A和斷面收縮率Z；系列低溫下的夏比V型缺口沖擊韌性試驗(yàn)，測得其沖擊功Akv隨溫度的變化曲線，得到了韌-脆轉(zhuǎn)變溫度；常溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測得其三點(diǎn)彎曲試樣跨中荷載-刀口張開位移曲線(P-V曲線)，得到裂紋擴(kuò)展阻力曲線和最大荷載點(diǎn)對應(yīng)的裂紋尖端張開位移CTOD特征值δm。

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用厚板構(gòu)造對接焊接接頭由華東某電廠原鍋爐大板梁制造商—青島東方鐵塔公司生產(chǎn)制作，對接接頭由兩塊120 mm厚的Q345B鋼板拼接焊制而成，見圖1。所采用的厚板鋼材和焊接工藝，與實(shí)際大板梁下翼緣對接焊接接頭完全一樣，從而保證試驗(yàn)試樣數(shù)據(jù)能最大限度地反映實(shí)際翼緣板拼接焊縫接頭的力學(xué)性能和斷裂韌性。

該對接焊縫坡口形式為X型，如圖2所示。采用藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(E501T-1焊絲)和單絲自動(dòng)埋弧焊(H10Mn2焊絲)相結(jié)合的焊接方法，具體焊接工藝參數(shù)如表1所示。

圖1　厚板構(gòu)造對接焊接接頭示意圖Fig.1 Schematic illustration of thesimulated welded joint of lower flange thick plate

圖2　構(gòu)造對接焊接接頭細(xì)節(jié)Fig.2 Detailed diagram of the simulated welded joint

Table 1 Welding process parameters of the simulated welded joint

焊接道次焊接方法電流/A電壓/V焊接速度/(cm·min-1)1,9氣保焊220-26024-2830-352,10氣保焊280-32030-3425-303-8埋弧焊550-60028-3235-40其它埋弧焊600-65030-3435-40

1.2試驗(yàn)試樣

拉伸、沖擊和三點(diǎn)彎曲試樣均根據(jù)GB/T 2975-1998[18]的規(guī)定，從構(gòu)造焊接接頭的母材、熱影響區(qū)和焊縫位置處取樣。拉伸試樣為標(biāo)準(zhǔn)圓棒，形狀和尺寸按照GB/T 228-2002加工制作，其平行段長50 mm，直徑10 mm，見圖3，拉伸試樣沿鋼板的軋制方向取樣，每個(gè)位置處沿厚度方向均取樣6件；標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣，根據(jù)GB/T 229-2007加工制作，見圖4，每個(gè)工況下取樣3件；標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，根據(jù)GB/T 21143-2007加工制作，試樣厚度B=36 mm，寬度W=72 mm，加載時(shí)兩支座間距S=4W=288 mm，見圖5，每個(gè)位置處取樣3件。沖擊試樣和三點(diǎn)彎曲試樣，均在軋制平面內(nèi)垂直軋制方向取樣，使缺口方向與軋制平面垂直；取樣區(qū)域靠近1/3板厚邊緣范圍內(nèi)。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣Fig.3 Uniaxial tensile specimen

圖4　標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣Fig.4 Charpy V-notch impact specimen

圖5　標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣Fig.5 Three-point bending specimen

1.3試驗(yàn)設(shè)備

拉伸、沖擊和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)均在清華大學(xué)航空航天學(xué)院的力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，單軸拉伸試驗(yàn)在CSS-220電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；沖擊試驗(yàn)在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其中夏比沖擊試樣采用酒精和液氮的混合液體進(jìn)行冷卻，并至少在混合液體中浸泡15 min以上；三點(diǎn)彎曲試樣的預(yù)疲勞裂紋在INSTRON高頻疲勞機(jī)上進(jìn)行，然后在CSS-220電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行基于單試樣柔度法的加卸載試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1單軸靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2給出了厚板構(gòu)造對接焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫位置處拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果(平均值)，均能很好的滿足GB/T 1591-2008的要求；斷后伸長率遠(yuǎn)大于GB/T 1591-2008對150 mm厚Q345B鋼板伸長率不小于18%的規(guī)定，表現(xiàn)出了良好的塑性性能；三位置處鋼材的彈性模量表現(xiàn)出了相對一致性。

表2　厚板構(gòu)造焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由離散系數(shù)(=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)可以看出，母材和熱影響區(qū)試樣試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較小的離散型，表明該Q345B厚板力學(xué)性能比較穩(wěn)定；而焊縫材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均表現(xiàn)出了較大的離散型，可能是由于材料的不均勻和焊接缺陷造成的。另外，由于構(gòu)造焊接接頭焊縫數(shù)量的限制，焊縫拉伸試樣考慮了沿厚度方向取樣，這也可能是焊縫離散性偏大的原因。

對比母材、熱影響區(qū)和焊縫的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，母材與熱影響區(qū)鋼材的力學(xué)性能差不多，焊縫則表現(xiàn)出了較高的屈服和抗拉強(qiáng)度，但斷后伸長率要小于前兩者，意味著較差的塑性儲(chǔ)備性能。

2.2沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1沖擊功隨溫度的變化規(guī)律

圖6給出了厚板構(gòu)造對接焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材在系列溫度點(diǎn)下的沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果，由圖6(a)～(d)可以看出3種位置處鋼材的沖擊功值A(chǔ)kv均隨溫度的降低而減少；沖擊功曲線呈現(xiàn)明顯的S型，且在經(jīng)歷某個(gè)溫度點(diǎn)后，沖擊功值迅速降低。母材、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材的沖擊功均能滿足GB/T 1591-2008對Q345B鋼材20 ℃時(shí)沖擊功不小于34 J的規(guī)定，甚至能滿足-20 ℃時(shí)對Q345D級(jí)鋼沖擊功不小于34 J的要求。

2.2.2韌-脆轉(zhuǎn)變溫度

韌-脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料低溫脆性的一個(gè)重要指標(biāo)，工程中，常將其作為防低溫脆性斷裂的重要依據(jù)。沖擊功和溫度的關(guān)系曲線整體上呈S形，大量試驗(yàn)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用式(1)表示的Boltzmann函數(shù)對沖擊功和溫度的關(guān)系曲線進(jìn)行回歸分析，能很好的描述兩者之間的關(guān)系，且具有相關(guān)性好、函數(shù)參數(shù)物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)[19]。

(1)

式中，Akv為沖擊功(J)，E1、E2分別為下平臺(tái)能、上平臺(tái)能(J)；T為溫度變量；Tt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度；Tr為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍，Tr越小，材料越容易由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。

圖6和表3給出了構(gòu)造焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材沖擊功與溫度關(guān)系曲線的Boltzmann函數(shù)擬合結(jié)果?？梢娔覆?、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-21.9，-22.1和-16.7 ℃。3種位置處材料的下平臺(tái)能E1均很低，表明在韌-脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)后，3種材料的抵抗低溫冷脆性能較差；相對而言，焊縫材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度更高，發(fā)生低溫冷脆破壞的傾向更大。

由于該鍋爐大板梁結(jié)構(gòu)在華東地區(qū)冬季的服役溫度一般在-10 ℃以上，因此，母材、熱影響區(qū)和焊縫鋼材的沖擊韌性均在上平臺(tái)區(qū)，具有良好的沖擊韌性性能。

(a)母材；(b)熱影響區(qū)；(c)焊縫；(d)不同取樣位置對比圖6　構(gòu)造焊接接頭沖擊功隨溫度的變化規(guī)律Fig.6 Impact energy versus temperature of the simulated welded joint

材料E1/JE2/JTt/℃Tr/℃相關(guān)系數(shù)母材0199.6-21.911.70.940熱影響區(qū)0186.1-22.110.00.968焊縫5.3230.5-16.711.00.997

2.3斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1三點(diǎn)彎曲試樣P-V曲線

圖7給出了母材、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材3點(diǎn)彎曲試樣的典型P-V曲線，圖7(a)-(c)分別為母材BM-3、熱影響區(qū)HAZ-1和焊縫WM-3號(hào)試樣的P-V曲線，可以看出3種材料隨著裂紋的緩慢擴(kuò)展，裂紋尖端的斷裂韌度增加，顯現(xiàn)出明顯的塑性擴(kuò)展，試樣承載能力不斷提升，直至最高點(diǎn)；表現(xiàn)出了良好的斷裂韌性性能，這與常溫沖擊韌性的試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。

2.3.2CTOD臨界值δm

這里采用P-V曲線中最大荷載點(diǎn)(Pm, Vm)對應(yīng)的CTOD特征值δm作為臨界值，根據(jù)規(guī)范GB/T21143-2007的計(jì)算公式[17]，即可得到CTOD臨界值δm。

(a)母材BM-3；(b)熱影響區(qū)HAZ-1；(c)焊縫WM-3圖7　構(gòu)造焊接接頭3點(diǎn)彎曲試樣的P-V曲線Fig.7 P-V curves of three-point bending specimens from the simulated welded joint

表4給出了構(gòu)造焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫位置處鋼材的CTOD值δm，可見3個(gè)位置處鋼材的均值δm分別為2.135，2.091和1.780 mm；比較而言，焊縫區(qū)材料的斷裂韌性較差，為構(gòu)造焊接接頭抗斷設(shè)計(jì)中的薄弱區(qū)域，這與沖擊韌性的試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。為了保證大板梁焊接缺陷評定結(jié)果具有較高的安全富裕度，這里可以選取實(shí)測CTOD特征值δm的最小值為1.498 mm。

表4　構(gòu)造焊接接頭的CTOD臨界值δm

2.3.3基于CTOD的裂紋擴(kuò)展阻力曲線

裂紋擴(kuò)展阻力曲線δ-Δa是鋼材裂紋尖端斷裂韌度δ與裂紋擴(kuò)展量Δa的變化關(guān)系，阻力曲線的形式與帶裂紋工作鋼構(gòu)件的斷裂模式有著密切的關(guān)系[20]。這里根據(jù)規(guī)范GB/T21143-2007，采用單試樣法，對每個(gè)試樣通過卸載彈性柔度法，由P-V曲線得到了裂紋擴(kuò)展阻力曲線δ-Δa。

由上小節(jié)可知，母材BM-3、熱影響區(qū)HAZ-1和焊縫WM-3號(hào)這3個(gè)試樣對應(yīng)的CTOD特征值δm最小，表現(xiàn)出較差的抗斷能力。所以，圖8(a)～(c)示給出了這3種試樣的δ-Δa曲線和阻力曲線方程，可為大板梁焊接缺陷的防斷設(shè)計(jì)提供參考。其中，5條平行的直線a，b，c，d和e分別為鈍化線、過Δa =0.1mm的鈍化線偏置線(有效裂紋擴(kuò)展量的左邊界線)、過Δa =0.2mm的鈍化線偏置線、過Δa =0.5mm的鈍化線偏置線和過Δa最大數(shù)據(jù)點(diǎn)的鈍化線偏置線(有效裂紋擴(kuò)展量的右邊界線)。

(a)母材BM-3；(b)熱影響區(qū)HAZ-1；(c)焊縫WM-3圖8　構(gòu)造焊接接頭的裂紋擴(kuò)展阻力曲線Fig.8 Crack growth resistance curves of the simulated welded joint

3　結(jié)論

1)厚板構(gòu)造對接焊接接頭母材、熱影響區(qū)及焊縫處的鋼材的基本力學(xué)性能均能滿足規(guī)范要求，但焊縫處由于材料的不均勻和焊接缺陷，其力學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)出了較大的離散性。

2)隨溫度的降低，厚板構(gòu)造對接焊接母材、熱影響區(qū)及焊縫處的夏比沖擊功減少；母材、熱影響區(qū)和焊縫處鋼材的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-21.9、-22.1和-16.7 ℃，焊縫處鋼材表現(xiàn)出較差的抗低溫冷脆性能。

3)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)P-V曲線顯示該厚板構(gòu)造對接焊接接頭表現(xiàn)出良好的斷裂韌性；母材、熱影響區(qū)和焊縫位置處鋼材的δm分別為2.135，2.091和1.780 mm；相對而言，焊縫區(qū)材料的斷裂韌性較差，成為構(gòu)造焊接接頭抗斷設(shè)計(jì)中的薄弱區(qū)域。

4)結(jié)合拉伸、沖擊和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，翼緣厚板構(gòu)造對接焊接接頭的焊縫區(qū)成為鍋爐大板梁焊接缺陷安全性評定和防斷設(shè)計(jì)的主要控制對象。

[1] 黃仁鋒, 姜靜. 中美規(guī)范關(guān)于大板梁設(shè)計(jì)計(jì)算的比較[J]. 鋼結(jié)構(gòu), 2012, 27(Sup): 92-96.

HUANG Renfeng, JIANG Jing. Comparisons of Chinese and American ASD specification on plate girder design [J]. Steel Construction,2012, 27(Sup): 92-96.

[2] 李佳, 張一舟, 董超. 大型鍋爐塔架大板梁分析研究[J]. 工業(yè)建筑, 2013, 43(Sup): 380-382.

LI Jia, ZHANG Yizhou, DONG Chao.Analysis of main girder of large-scale boiler power plant [J]. Industrial Construction, 2013, 43(Sup): 380-382.

[3] 張新峰, 馬立華. 600MW發(fā)電機(jī)組鍋爐鋼結(jié)構(gòu)大板梁制作[J]. 水利電力機(jī)械, 2002, 24(6): 6-13.

ZHANG Xinfeng, MA Lihua.Manufacture of the girder of 600MW boiler island [J]. Water Conservancy &Electric Power Machinery, 2002, 24(6): 6-13.

[4] 袁虎賁, 龔海濤. 凱迪生物質(zhì)能發(fā)電電廠工程大板梁制造工藝方法[J]. 工業(yè)建筑, 2012, 42(Sup): 617-620.

YUAN Huben, GONG Haitao. Manufacturing process and methods of large panel beams for KAIDI biomass power plant project [J]. Industrial Construction, 2012, 42(Sup): 617-620.

[5] 高俊英. 電站鍋爐大板梁翼緣板的焊接工藝[J]. 河北電力技術(shù), 2004, 23(6): 45-46.

GAO Junying. Welding procedure for plate -girder flange of utility boiler [J]. Hebei Electric Power, 2004, 23(6): 45-46.

[6] Kuwamura H, Iyama J, Matsui K. Effects of material toughness and plate thickness on brittle fracture of steel members[J]. Journal of Structural Engineering, 2003, 129(11): 1475-1483.

[7] 王元清, 周暉, 胡宗文, 等. 鋼結(jié)構(gòu)厚板力學(xué)性能的低溫試驗(yàn)研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2011, 33(5): 7-12.

WANG Yuanqing, ZHOU Hui, HU Zongwei, et al. Experimental analysis of mechanical properties of thick plate in steel structure at low temperature [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2011, 33(5): 7-12.

[8] 王元清, 胡宗文, 石永久, 等. 鋼結(jié)構(gòu)厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 7(5): 1-5.

WANG Yuanqing, HU Zongwen, SHI Yongjiu, et al.Experimental study on the impact toughness of thick plate butt weld of steel structure at low temperature [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2010, 7(5): 1-5.

[9] 王元清, 周暉, 石永久, 等. 鋼結(jié)構(gòu)厚板的低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(2): 224-229.

WANG Yuanqing, ZHOU Hui, SHI Yongjing, et al. Fracture toughness tests at low temperature for thick plate in steel structures [J]. Journal of Shenyang University of Technology,2013, 35(2): 224-229.

[10] 王元清, 周暉, 胡宗文, 等. 鋼結(jié)構(gòu)厚板對接焊縫的低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 44(6): 115-120.

WANG Yuanqing, ZHOU Hui, HU Zongwen, et al. experimental study on fracture toughness of butt weld in thick plate steel structures at low temperature [J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2012, 44(6): 115-120.

[11] Wang Y Q, Liao X W, Zhang Y Y, et al. Experimental study on the through-thickness properties of structural steel thick plate and its heat-affected zone at low temperatures [J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering), 2015, 16(3): 217-228.

[12] Webster S, Bannister A. Structural integrity assessment procedure for Europe of the SINTAP program overview [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2000(67): 481-514.

[13] Kim Y J, Kocak M, Ainsworth R A, et al. SINTAP defect assessment procedure for strength mismatchedstructures [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2000(67): 529-546.

[14] Kiral B G, Erim S.Prediction of fracture behavior of steel beam-to-column connections with weld defect using the SINTAP [J]. Engineering Structures, 2005(27):760-768.

[15] GB/T 228-2002, 金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法[S].

GB/T 228-2002, Metallic materials- Tensile testing at ambient temperature [S].

[16] GB/T 229-2007, 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法[S].

GB/T 229-2007, Metallic materials - Charpy pendulum impact test method [S].

[17] GB/T 21143-2007, 金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].

GB/T 21143-2007, Metallic materials- Unified method of test for determination of quasistatic fracture toughness [S].

[18] GB/T 2975-1998, 鋼及鋼制品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備[S].

GB/T2975-1998, Steel and steel products - Location and preparation of test pieces for mechanical testing [S].

[19] 趙建平, 張秀敏, 沈士明. 材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度數(shù)據(jù)處理方法探討[J]. 石油化工設(shè)備, 2004, 33(4): 29-32.

ZHAO Jianping, ZHANG Xiumin, SHEN Shiming.On the method of data processing for ductile-brittle transition temperature [J]. Petro-chemical Equipment, 2004, 33(4): 29-32.

[20] Zhou H, Wang Y Q, Shi Y J, et al. Experimental study on fracture resistant design method for steel structural components at lowtemperature [J]. International Journal of Steel Structures, 2015, 15(2): 319-333.

Experimental study on mechanical properties and fracture toughness ofthesimulated welded joint of big plate girder employed in boiler steel structure

LIAO Xiaowei1, WANG Yuanqing1, ZHOU Hui2, SHI Yongjiu1

(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry,Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

During construction and operation, crack defects can be induced in the welded joint of big plate girder deployed in boiler steel structures. In order to evaluate the material properties and to offer basic parameters for the safety assessment method, based on fracture mechanics, of welding defects of the in-service big plate girder, the simulated welded joint was made according to that of the lower flange plate of big plate girder employed in an East-china power plant. Mechanical properties, impact toughness and fracture toughness were investigated for steel materials located in base metal, heat-affected zone and butt weld of the simulated welded joint respectively, by conducting the uniaxial tensile tests, Charpy V-notch tests and three-point bending tests. Results indicate that materials of base metal and heat-affected zone show stable mechanical properties, whereas the mechanical indices of butt weld exhibit greater dispersion. Charpy impact energy reduces with the decrease of temperature. Compared with base metal and heat-affected zone steel, the ductile-brittle transition temperature of the butt weld is higher and its CTOD valueδmis lower, implying the worse toughness performance. In summary, more attention should be allocated to the weld zone of the thick-plate welded joint during its fracture resistant design and evaluation.

boiler steel structure; big plate girder; butt-welded joint; mechanical properties; impact toughness; fracture toughness

2015-12-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378289)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20130002110085)

王元清(1963-)，男，安徽霍山人，教授，博士，從事鋼結(jié)構(gòu)研究；E-mail：wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn

TU391

A

1672-7029(2016)09-1803-07