模擬海水環境中X60管線鋼的應力腐蝕裂紋擴展

王志成,趙建平,李衛衛

(1. 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210000； 2. 南京工業大學，南京 210000；3. 上?？肆颦h?？萍脊煞萦邢薰?，上海 200000)

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模擬海水環境中X60管線鋼的應力腐蝕裂紋擴展

王志成1,趙建平2,李衛衛3

(1. 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210000； 2. 南京工業大學，南京 210000；3. 上?？肆颦h保科技股份有限公司，上海 200000)

X60；應力腐蝕開裂；擴展速率；臨界應力強度因子

海洋環境十分復雜，海底管道一旦發生失效會造成十分嚴重的經濟和環境后果，因此海底管道腐蝕問題一直廣受關注。對于海水中的油氣管道的而言，有內腐蝕和外腐蝕之分，當前對管道內部介質(如含H2S、CO2等成分)引起的腐蝕問題研究較為廣泛，而對于由管道外部海水或海泥引發的應力腐蝕開裂的研究則相對較少。X60管線鋼是當前海底管道工程常用的一種材料，因此研究X60管線鋼在海水環境中應力腐蝕裂紋擴展的速率，對于這類管道的安全評價和壽命預測具有重要的意義。本工作采用改進的WOL預裂紋試樣研究了某海底管道工程使用的X60管線鋼在海水環境下的應力腐蝕裂紋擴展規律。

1 試驗

1.1 試驗原理

采用改進的WOL預裂紋試樣進行應力腐蝕試驗。在整個試驗過程中，改進的WOL試樣刀口處的初始張開位移基本保持不變，當裂紋擴展時，一方面由于裂紋長度a增大，應力強度因子KI增大；另一方面隨著裂紋的擴展，加載螺釘松弛，使施加于試件的載荷變小，導致裂紋尖端的KI下降，且載荷下降對KI的影響大于a增大的影響，因此隨著裂紋的擴展，裂紋尖端的KI不斷下降，當KI下降到某一值而使裂紋停止擴展，該KI值被認為是應力腐蝕臨界應力強度因子KISCC。在試驗過程中，定時測量裂紋的長度，相應求得KI值，通過da/dt與KI的關系，即得到材料的應力腐蝕裂紋擴展速率。

1.2 試樣的制備

試樣的制備參照了GB/T 15970-1998《金屬和合金的腐蝕-應力腐蝕試驗》、GB12445.3-1990《高強度合金楔形張開加載(WOL)預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法》和相關文獻[3-4]。試驗采用恒位移下的改進楔型張開加載(WOL)預裂紋試樣，試樣采用加載螺栓自身加載，載荷大小由缺口端的張開位移控制。為了抑制裂紋在試驗中分叉，試件采用淺的側面槽，側面槽采用半圓形，試樣兩側面的槽深共為試樣厚度的10%，即0.8 mm，如圖1所示。

圖1 改進WOL試樣圖Fig. 1 Modified WOL specimen

為縮短試驗時間，采用3個平行試樣進行應力腐蝕裂紋擴展速率的試驗。

1.3 預制疲勞裂紋及預加載荷

改進的WOL試件的試樣缺口用鉬絲切割加工，缺口尖端為圓弧狀，不能反映結構內的真實裂紋，為了模擬和反映結構中存在的尖銳裂紋，對改進的WOL試件進行預制裂紋。

①預制疲勞裂紋之前必需用汽油等溶劑將試樣的表面和線切割清洗干凈、吹干；

②試樣的初始裂紋在Pfmax=5.2 kN，載荷幅值為2.4 kN，平均載荷值為2.8 kN，加載頻率f為10 Hz的條件下預制；

③用于預制疲勞裂紋的試驗機，對試樣加載時， 應做到使切口附近應力分布對稱，并且施加載荷的

誤差不超過±2.5%；

④為保證疲勞裂紋分析的有效性，應檢查兩側面上的疲勞裂紋，使與裂紋中心面偏離均不大于10度；

⑤最終裂紋長度至少在側面越過切口2.5%W或1.25 mm(兩者中的較大值)。裂紋可以在比預期KISCC高的KI值下預制，但在裂紋擴展的最后0.5 mm疲勞裂紋要在盡可能低的最高應力強度下完成(一般應低于預期的KISCC的60%)；

⑤最終疲勞裂紋的長度，需滿足平面應變條件，見式(1)：

(1)

當最終裂紋長度與試樣寬度的比值a/w處在范圍0.45～0.55時為最佳，本次試驗的3組試樣的最終預制裂紋的長度如表1所示。

疲勞裂紋的預制在南京工業大學MTS-880材料疲勞試驗機上完成。

試樣采用加載螺栓自身加載，載荷大小由缺口端的張開位移控制。本工作研究的X60管線鋼屬高強度鋼，參考文獻[3]，試驗施加的初始載荷定為10 kN，對應的刀口處的位移量為 0.318 mm。

表1 經不同時間后裂紋擴展長度

1.4 試驗步驟及過程

為模擬海水環境，將試驗環境定為31.3 g/L的NaCl水溶液(氯離子濃度為19 000 mg·L-1)。測量裂紋的工具為20倍的讀數顯微鏡。在讀數顯微鏡上測量并記錄表面初始裂紋長度；用注射針注射試驗溶液用以排除試樣預裂紋內的空氣并盡快放入盛有已配制好試驗溶液的容器中。用讀數顯微鏡定期跟蹤觀測，記錄裂紋擴展長度及相應的時間當裂紋速率小于或等于1×10-10mm/s時，試驗終止；拉斷試樣；測量裂紋長度。

2 結果與討論

2.1 試驗結果與處理方法

從試樣放入試驗容器并與介質接觸開始計時，每間隔一段時間對WOL試樣的裂紋長度進行測量，獲得其裂紋擴展后的長度如表1所示。

為了求得應力腐蝕裂紋擴展速率da/dt和應力強度因子KI的關系，并得到應力腐蝕臨界應力強度因子KISCC，首先根據測試數據計算應力強度因子KI：

(1)

2.2 裂紋擴展速率的計算

將表1獲得的結果的數據進行處理，以lg(da/dt)為縱坐標，KI為橫坐標作圖，可得到一條曲線，如圖2所示。曲線表明了應力腐蝕裂紋擴展的Ⅰ、Ⅱ兩個階段即裂紋初始擴展階段Ⅰ和穩定擴展階段Ⅱ。穩定擴展階段的da/dt為一常數，通常稱為應力腐蝕裂紋擴展速率。

圖2 WOL試樣在19 000 mg·L-1的氯離子水溶液中的da/dt與KI之間的關系Fig. 2 Relationship between da/dt and KI for WOL specimens in 19 000 mg·L-1 Cl- solution

通過用 Boltzmann函數擬合曲線求平臺裂紋擴展速率，將三個試樣的所有測試數據進行擬合，擬合結果見圖3，得到在模擬海水環境中，X60管線鋼焊縫材料的da/dt=6.4×10-7mm/s。

圖3 Boltzmann 函數擬合結果曲線Fig. 3 Fitting curve by Boltzmann function

2.3 臨界應力強度因子KISCC的確定

(1) 試驗終止時WOL試樣斷口上的有效裂紋長度

(2)

式中:a1、a2、a3分別為斷口上厚度B的方向四等分線處的裂紋長度。

(2) 臨界應力強度因子KISCC

3 結論

[1] 郭琦龍，辜志俊，蘇方騰． 海底管道的防腐蝕[J]． 腐蝕與防護，1996,17(5)：195-197.

[2] 劉鶴霞，張高林，趙景茂，等． 四種鋼材在含CO2鹽水溶液中的腐蝕行為[J]． 腐蝕與防護，2007(4)：202-204.

[3] 吳蔭順． 腐蝕試驗方法與防腐蝕檢測技術[M]． 北京：化學工業出版社，1996.

[4] 潘衛軍，劉慶剛，沈士明． X60螺旋焊管的應力腐蝕開裂試驗研究[J]． 壓力容器，2006(10)：13-15.

SCC Propagation of X60 Pipeline Steel in Simulated Seawater Environment

WANG Zhi-cheng1, ZHAO Jian-ping2, LI Wei-wei3

(1. Jiangsu Special equipment Safety Supervision & Inspection institute, Nanjing 210000, China; 2. Nanjing Tech University, Nanjing 210000, China; 3. Shanghai Clear Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

X60 pipeline steel; SCC; crack growth rate; critical stress intensity factor

2014-03-04

王志成(1981-),工程師,碩士,從事石化裝置風險評估及結構完整性方面的研究,13913027206,zhichengw@tom.com

TG172

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1005-748X(2015)01-0081-03