0. 引言

近年來,一些高溫、高壓、超深高酸油氣田被開發,高酸性環境中的H2S、CO2、單質硫等對油氣的開采及運輸造成了巨大困難[1]。兼顧性能與成本的需要,以雙金屬復合管為主的新型材料在耐蝕油氣輸送中發揮著越來越重要的作用[2],也較好地解決了管線鋼的腐蝕問題[3]。疲勞斷裂是油氣輸送管線在服役過程中的失效形式之一[4],具有突發性,給生產安全造成極大的危害[5-6]。在管線生產和安裝過程中,焊接是不可避免的環節,焊接接頭通常被認為是管線中的薄弱位置。開展輸送管線焊接接頭不同區域疲勞裂紋的擴展及其斷裂失效研究,對預判管道可能存在的安全風險非常重要。近年來,國內外學者對雙金屬復合管焊接接頭的顯微組織、斷裂行為和應力腐蝕等方面進行了大量研究[4,7-9]。其中,疲勞裂紋作為不銹鋼和鎳基合金雙金屬復合管焊接接頭的一種常見服役缺陷,受到了廣泛關注,但是未見有關雙金屬復合管中L360MS管線鋼焊接接頭疲勞裂紋擴展及壽命預測的研究。

管道疲勞壽命的預測方法主要包括斷裂力學方法、損傷力學方法、疲勞裂紋擴展曲線法（裂紋長度a-循環次數N曲線法）和局部應力-應變法[3]。其中,斷裂力學方法利用描述疲勞裂紋擴展速率的Paris公式來計算疲勞壽命,該方法考慮的因素較多,反映的疲勞信息更全面,更接近材料或結構的實際情況,因此在挪威船級社和法國船級社的規范性指導性文件中得到推薦使用。為給建立以疲勞壽命分析為基礎的雙金屬復合管焊接接頭可靠性評估體系提供參考,作者以NiCrMo-3合金作為焊接材料,對L360MS管線鋼/N08825鎳基合金雙金屬復合管進行多層多道對接焊,剝離N08825鎳基合金覆層后,以L360MS管線鋼實際運行條件為試驗參數,對L360MS管線鋼焊接接頭進行疲勞裂紋擴展試驗,基于Paris公式研究了疲勞裂紋擴展行為,并對疲勞壽命進行預測。

1. 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

母材為氣田集氣管線更換工程采用的新L360MS管線鋼/N08825鎳基合金雙金屬復合管,L360MS中的M代表熱機械軋制態,S代表酸性服役管線。焊接材料選用ERNiCrMo-3合金焊絲或ENiCrMo-3合金焊條。L360MS管線鋼和焊接材料的化學成分見表1[10]。

選用全自動鎢極氬弧焊（保護氣體為純度不低于99.99%的氬氣）打底、焊條電弧焊填充的多層多道焊工藝對復合管進行焊接,采用較小的熔合比[5],焊接坡口采用V型坡口,尺寸如圖1所示。在焊接過程中嚴格控制層間溫度不高于100℃,具體焊接參數見表2。焊接完成后,為消除接頭殘余應力,將焊接接頭在600℃下保溫3h,爐冷。對焊接接頭進行100%的射線和超聲無損檢測,確保接頭無氣孔、裂紋等缺陷。焊接完成后,將2mm厚的覆層N08825鎳基合金剝離,剩余的L360MS管線鋼規格為?710mm×24mm。

圖 1焊接坡口尺寸示意

Figure 1.Schematic of welding groove size

1.2 試驗方法

按照GB/T 4340—2009,采用HXD-2000TM/LCD型顯微硬度計測L360MS管線鋼焊接接頭根部焊道和填充焊道的截面硬度分布,載荷為9.8N,保載時間為10s。按照GB/T 228.1—2010和GB/T 2651—2008,采用SHT4605型萬能試驗機在室溫下對焊接接頭進行拉伸試驗,拉伸速度為1mm·min−1,試樣尺寸如圖2所示,共測3個試樣。管道的疲勞斷裂多源于交變應力,管道運行時輸送壓力的波動范圍通常在15%~20%。為簡化計算,在計算管道疲勞裂紋擴展時只考慮管道在停止輸送或者失效（泄露或爆裂）等情況下的壓力波動（即應力比R≈0.1）,不考慮管道運行中頻繁發生的小壓力波動（R≈0.8）。按照GB/T 6398—2017,在焊接接頭的母材、焊縫以及熱影響區（HAZ）截取疲勞試樣,其中HAZ的取樣位置如圖3所示,試樣為標準緊湊拉伸（CT）試樣,試樣取向皆為L-T（L為長度或主變形方向,T為寬度或最小變形方向）,尺寸如圖4所示,每組不少于3個試樣。將所有試樣的兩面打磨光滑后,采用PWS-50型電液伺服疲勞試驗系統預制長度為2mm的疲勞裂紋,試驗頻率f為8Hz,R=0.1,最大載荷為4.5kN,加載方式為正弦波,試驗溫度為25℃；預制疲勞裂紋完成后,保持其他試驗參數不變,將最大載荷降為4kN進行疲勞裂紋擴展試驗。試驗過程中采用三晶YC10/2型斷裂力學夾式引伸計通過柔度法[11]測量裂紋長度a,并記錄相應的循環次數N。待裂紋擴展至試驗載荷急劇下降時停止試驗。

圖 2焊接接頭拉伸試樣尺寸

Figure 2.Size of tensile specimen of welded joint

圖 3HAZ疲勞試樣的取樣位置

Figure 3.Sampling position of HAZ fatigue specimen

圖 4CT試樣尺寸

Figure 4.Size of CT specimen

疲勞裂紋擴展試驗后截取金相試樣,經打磨、拋光后用體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕母材和HAZ,用王水腐蝕焊縫,然后用DME200M型光學顯微鏡觀察裂紋擴展路徑。

2. 試驗結果與討論

2.1 接頭硬度分布

由圖5可以看出,焊接接頭的硬度分布非常不均勻,L360MS管線鋼母材的硬度在170~185HV范圍,焊縫的硬度在220~250HV范圍,焊縫硬度的起伏較大。填充層的硬度高于根焊層,這是由于在焊接過程中根焊層受上層焊道熱輸入的影響,發生了回火軟化。此外,在焊縫與母材的界面處出現了硬度跳躍的區域,尤其是左側熔合線,最高硬度出現在緊鄰熔合線的焊縫一側,這是由于近熔合線的焊縫區域出現了富碳區,起到了強烈的固溶強化作用,并產生了類馬氏體組織[15]；緊鄰硬度最高點的焊縫硬度最低,這是因為鎳、鉻元素向母材的遷移使固溶強化作用減弱而導致的[16]。近熔合線的HAZ一側出現了相對的硬度低谷,該區域的局部軟化是由于在焊接過程中發生了高溫回火。母材與焊縫在熱導率和線膨脹系數等熱性能方面的差異導致HAZ產生較大的殘余應力,使二者界面處的顯微硬度升高。

圖 5L360MS管線鋼焊接接頭的截面硬度分布

Figure 5.Section hardness distribution of L360MS pipeline steel welded joint

2.2 接頭拉伸性能

L360MS管線鋼焊接接頭的屈服強度和抗拉強度分別為463,557MPa,斷后伸長率為11.6%,斷裂位置均位于母材上,這說明焊縫的抗拉強度高于母材,呈現高強匹配狀態。由圖6可以看出,拉伸應力-應變曲線呈現明顯的圓屋頂狀特征,未見明顯的屈服平臺,表現出連續屈服狀態,說明焊接接頭具有良好的變形能力。

圖 6L360MS管線鋼焊接接頭試樣的拉伸應力-應變曲線

Figure 6.Tensile stress-strain curves of L360MS pipeline steel welded joint samples

2.3 疲勞裂紋擴展路徑

由圖7可見,母材的顯微組織主要為鐵素體+珠光體。鐵素體具有較高的抗開裂性能,但是其強度和韌度不高,變形儲存能較低。珠光體包含鐵素體和滲碳體,比鐵素體具有更好的力學性能。在裂紋擴展驅動力較小,即應力強度因子范圍ΔK較低時,疲勞裂紋主要沿鐵素體和珠光體晶界擴展,擴展方式為沿晶擴展；當裂紋擴展驅動力較大（即ΔK較高）時,疲勞裂紋直接貫穿軟質相鐵素體,主要以穿晶方式擴展。硬質相珠光體在偏轉裂紋擴展路徑和阻礙裂紋擴展過程中扮演著重要角色,裂紋穿過珠光體的擴展路徑與珠光體片層的取向有關[12]。

圖 7母材的疲勞裂紋擴展路徑形貌（裂紋向右擴展）

Figure 7.Morphology of fatigue crack propagation path in base metal (crack propagating to right): (a) intergranular propagation and (b) transgranular propagation

由圖8可見,焊縫的疲勞裂紋周圍組織主要為等軸奧氏體。當ΔK較低時,裂紋幾乎沿直線擴展,穿過焊縫的等軸晶區,擴展方向與加載方向垂直。隨著ΔK的繼續增加,疲勞裂紋擴展路徑出現曲折,并伴有分叉現象,甚至出現環形裂紋。這種現象會導致疲勞裂紋的擴展速率有所減緩,并在裂紋周圍產生微量塑性變形[13]。在疲勞裂紋擴展過程中,晶界原子受到相鄰晶粒位向的影響而排列混亂,處于較高的能量狀態,這促使晶界及其鄰近區域為降低系統能量變為各種元素和雜質偏析的擇優聚集地,導致晶界強度降低[13]。另外,當裂紋從一個晶粒擴展到相鄰晶粒時,疲勞裂紋會因兩晶粒內部的有利滑移面間的取向差而沿下一晶粒中最有利于滑移的面進行擴展,從而使裂紋擴展方向出現偏轉,產生一定的曲折[14]。在圖8（b）中的2處裂紋曲折中,左側位置裂紋的擴展方向出現了與加載軸平行的現象,右側再次發現環形裂紋。這2處較大的裂紋曲折出現在多層多道焊的交界上,這是由于多層多道焊工藝使焊縫組織中的奧氏體進一步細化,力學性能得到提高,阻礙了疲勞裂紋在焊縫中的擴展。

圖 8焊縫的疲勞裂紋擴展路徑形貌（裂紋向右擴展）

Figure 8.Morphology of fatigue crack propagation path in weld (crack propagating to right): (a) parallel cracks and (b) circumferential crack

由圖9可見,HAZ的疲勞裂紋擴展路徑處于焊接接頭的細晶區,焊接熱循環中的正火處理使該區域組織為細小的珠光體和鐵素體。與母材相同,當裂紋擴展驅動力較小時,裂紋主要沿鐵素體和珠光體晶界擴展,當裂紋驅動力較大時,裂紋主要以穿晶方式擴展。與母材相比,HAZ中裂紋曲折幅度較大,裂紋分支較多。與HAZ相比,焊縫中裂紋曲折幅度更大,這也說明焊縫具有較高的疲勞裂紋擴展抗性。

圖 9熱影響區的疲勞裂紋擴展路徑形貌（裂紋向下擴展）

Figure 9.Morphology of fatigue crack propagation path in heat affected zone (crack propagation downward): (a) crack twisting and (b) crack branching

2.4 疲勞裂紋擴展速率

由圖10可以看出,母材、HAZ、焊縫中的疲勞裂紋穩定擴展期較長,而快速擴展區相對較短。統計不同區域試樣進入疲勞裂紋快速擴展區的循環次數可知：母材試樣在循環40000周次之前,裂紋長度幾乎不發生變化,當循環次數達到約80000周次時,裂紋長度開始快速增加,可以確定疲勞裂紋在循環80000周次后,進入了快速擴展區,裂紋發生失穩擴展；HAZ試樣在循環大約60000周次之前,裂紋長度幾乎無變化,當循環次數達到120000周次時,裂紋長度開始快速增加,裂紋進入快速擴展區；焊縫試樣在循環大約100000周次之前,裂紋長度幾乎無變化,當循環次數達到200000周次時,裂紋長度開始快速增加,裂紋進入快速擴展區。

圖 10接頭不同區域試樣的典型a-N曲線

Figure 10.a-Ncurves of different samples from different zones of joint: (a) base metal sample; (b) HAZ sample and (c) weld sample

采用Smith法[17]對疲勞裂紋長度-循環次數數據進行處理,計算出疲勞裂紋擴展速率da/dN。采用Smith法求得的裂紋擴展速率反映的是裂紋整體的擴展速率,具體計算公式如下：

式中：Ni為實時循環次數,i表示實時計數；N1為初始循環次數；a1為開始計數時的初始裂紋長度；ai為實時裂紋長度；B0,B1,B2為待定系數,可根據試驗數據通過回歸法得到。

對式（3）進行求導即可得到疲勞裂紋擴展速率：

用裂紋長度來計算與疲勞裂紋擴展速率相對應的裂紋尖端應力強度因子范圍ΔK,計算公式為

式中：ΔP為最大載荷與最小載荷之差；B為試樣厚度,4mm；W為試樣寬度,40mm；α為裂紋長度與試樣寬度的比值,α≥0.2。

疲勞裂紋穩定擴展區即疲勞裂紋擴展第II階段的擴展曲線在雙對數坐標下基本上呈線性,采用Paris公式[18]可以表示為

式中：C,n為材料常數,由試驗確定。

將式（6）兩邊取對數得到：

對不同試樣的da/dN與ΔK進行線性回歸,即可獲得材料常數C和n值。不同試樣的da/dN-ΔK關系曲線如圖11所示,所得材料常數和相關系數如表3所示。由表3可以看出,在同一應力比0.1下,L360MS管線鋼焊接接頭不同試樣的材料常數C不在同一數量級上,說明母材、HAZ、焊縫的疲勞裂紋擴展速率不在同一水平。材料常數C由大到小的順序為熱影響區、母材、焊縫,可知熱影響區、母材、焊縫的疲勞裂紋擴展速率依次減小。絕大多數金屬材料的疲勞裂紋擴展速率指數n一般在2~4之間,L360MS管線鋼焊接接頭的n值基本符合規律[19]。

圖 11接頭不同區域試樣的da/dN-ΔK關系曲線

Figure 11.da/dN-ΔKcurves of different samples from different zones of joint

由圖12可以看出,在雙對數坐標下,疲勞裂紋擴展速率和疲勞裂紋尖端應力強度因子范圍并不完全呈現單一的線性關系,其中母材和熱影響區曲折較為明顯。疲勞裂紋擴展行為與試樣斷面的微觀結構有關,而轉折發生的位置與疲勞裂紋擴展路徑和斷裂方式有關[20]。在同一應力比下,焊接接頭不同區域的疲勞裂紋擴展速率不相同,其中母材和熱影響區的疲勞裂紋擴展速率較快,焊縫區域最慢。

圖 12接頭不同區域試樣的da/dN-ΔK雙對數關系曲線

Figure 12.da/dN-ΔKdouble logarithmic relationship curves of different samples from different zones of joint

3. 焊接接頭疲勞壽命預測

作者主要研究輸送管道在服役過程中發生事故或停機維修（應力比R=0.1）引起的較大應力波動對管道疲勞壽命的影響。斷裂力學方法利用描述疲勞裂紋擴展速率的Paris公式來計算管道疲勞壽命,在Paris公式中,裂紋擴展速率是一個與當前裂紋長度有關的函數[18],由初始裂紋長度擴展到臨界失穩裂紋長度所需要的循環次數,即為疲勞壽命。對Paris公式兩邊積分可得：

式中：Nf為管道的疲勞壽命；a0為初始裂紋長度,即管道中初始缺陷的尺寸；ac為裂紋失穩擴展的臨界長度,一般取導致疲勞裂紋失穩擴展的尺寸。

考慮到管道泄漏也是一種常見的管道破壞形式,因此對于表面未穿透裂紋,研究其沿管道壁厚方向的擴展比研究裂紋沿管體擴展更有工程意義。試驗中給出的是疲勞裂紋沿管體（包括母材、熱影響區和焊縫）周向擴展的結果,而要實現對管體壁厚方向的疲勞裂紋擴展速率的研究,需要對試驗結果進行修正。參考文獻[21],Paris公式也適用于表面裂紋的擴展過程,不同的是對于沿裂紋深度方向和沿裂紋長度方向擴展需要分別采用不同的疲勞裂紋演變方程進行計算。如圖13所示,表面半橢圓裂紋沿長度方向擴展的B點應力比A點高10%,因此當裂紋沿深度（即管道壁厚）方向擴展時,應采用如下的修正常數：

式中：CA,CB分別為表面裂紋沿深度和長度方向擴展的Paris材料常數。

圖 13表面半橢圓裂紋示意

Figure 13.Schematic of surface semi-elliptical crack: (a) whole tube body and (b) local amplification of crack position

根據文獻[22]的研究結果,對于承受內壓的管道或壓力容器,當外表面含有周向半橢圓裂紋（I型裂紋）時,其裂紋尖端的應力強度因子表達式可表示為

式中：KI為I型裂紋尖端應力強度因子；F為應力強度因子系數；Q為Folias膨脹系數；p為管道內壓；R為管道半徑；t為管道壁厚。

則有：

式中：Δp為管道內壓波動范圍。

由于目前油氣管道多采用薄壁大口徑管材制造,裂紋尖端主要處于平面應力狀態,因此采用式（11）計算的結果偏于保守。將式（11）代入式（8）,得：

對式（12）分離變量積分得到的疲勞壽命計算公式為

將母材、熱影響區和焊縫的各組試樣試驗所得C求平均值,分別為5.4641×10−8,4.0839×10−7,3.4867×10−11,n值的平均值分別為2.3524,1.6899,4.3736,再用式（9）對C值進行修正,獲得疲勞裂紋沿深度方向擴展的C值分別為7.0010×10−8,4.8798×10−7,5.5276×10−11。

以熱軋狀態L360MS管線鋼為例計算疲勞壽命,鋼管的規格為?710mm×24mm,管道半徑為367mm,假設在管道內部沿管體周向存在1條裂紋,裂紋長度為50mm,裂紋深度為3mm,即初始裂紋長度a0為3mm。由于只模擬實際管線停輸或失效狀態時的工況,最大載荷為管道的工作壓力（4MPa）,最小載荷為0.4MPa,每月停輸次數按3次估算。在計算管道疲勞壽命時,還需要確定導致裂紋失穩擴展的裂紋尺寸ac,但此臨界裂紋長度不一定是管道壁厚。管道中的某個裂紋可能在擴展到較短長度后就自動引發撕裂失穩擴展,導致管道破壞失效。通常,安全臨近尺寸[23]為管道最大壁厚的1/2,據此確定裂紋失穩擴展的臨界長度ac為12mm。將以上各參數代入式（14）,獲得焊接接頭母材、熱影響區、焊縫中裂紋達到臨界失穩長度時的循環次數分別為554,360,7734周次,即疲勞壽命分別為15.4,10.0,214.8a。可知焊縫的疲勞壽命最長,HAZ中的裂紋雖然有些處于HAZ細晶區,但其總體壽命比母材略短一些,是焊接接頭疲勞性能最為薄弱的區域。

在上述計算中,只考慮了管道中裂紋尺寸大小對疲勞裂紋擴展壽命的影響,而在實際情況下,焊接殘余應力、環境溫度、地層移動、腐蝕介質等都會對管道中疲勞裂紋的擴展產生較大的促進作用。同時,上述疲勞壽命計算公式只包括管道疲勞裂紋穩定擴展階段,實際管道壽命還應包括疲勞裂紋萌生階段的壽命。因此,該疲勞壽命的計算公式具有一定的局限性,對于內部存在沿管體周向半橢圓裂紋的管道疲勞裂紋擴展壽命預測具有一定的參考意義。

4. 結論

（1）L360MS管線鋼/N08825鎳基合金雙金屬復合管中L360MS管線鋼焊縫的硬度在220~250HV,明顯高于母材（170~185HV）,填充層的硬度高于根焊層；焊縫與母材的界面處出現硬度跳躍的區域,硬度最高值出現在鄰近熔合線焊縫區域,最低值出現在熱影響區。焊接接頭的屈服強度和抗拉強度分別為463,557MPa,斷后伸長率為11.6%,斷裂位置位于母材,焊縫呈高強匹配狀態。

（2）L360MS管線鋼焊接接頭母材、熱影響區和焊縫中的疲勞裂紋均以沿晶或穿晶方式擴展,但焊縫中疲勞裂紋擴展路徑更加曲折,并伴有分叉現象,甚至出現環形裂紋。

（3）L360MS管線鋼焊接接頭母材、熱影響區、焊縫的疲勞裂紋分別在循環80000,120000,200000周次后進入快速擴展區,裂紋長度迅速增加；基于Paris公式利用Smith法回歸推導出不同區域疲勞裂紋穩定擴展階段的速率方程,熱影響區的材料常數C最大,母材次之,焊縫最小,在應力比0.1下母材和熱影響區的疲勞裂紋擴展速率較快,焊縫區域最慢。

（4）對材料常數C修正后,得到疲勞裂紋沿深度方向擴展的壽命預測公式,對于內部存在沿管體周向半橢圓裂紋的管道,預測得到焊縫的疲勞壽命最長,熱影響區的疲勞壽命最短,熱影響區是焊接接頭疲勞性能最為薄弱的區域。

文章來源——材料與測試網