X90/X100管線鋼超聲疲勞斷口分析

李炎華，池 強(qiáng)，李 鶴，陳宏遠(yuǎn)，吉玲康

1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安710077）

2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （陜西 西安710077）

目前，我國(guó)天然氣消費(fèi)量年均增長(zhǎng)率以“加速度”方式遞增，國(guó)內(nèi)的天然氣需求一直存在著巨大缺口，且我國(guó)天然氣資源和進(jìn)口天然氣主要集中在西部地區(qū)，需要通過(guò)管道實(shí)現(xiàn)“西氣東輸”。高壓大流量長(zhǎng)距離輸送是我國(guó)天然氣輸送管道技術(shù)的發(fā)展方向，而提高管道材料的強(qiáng)度是增加管道輸量的有效方式。以500×108m3/a輸量為例，X90/X100與X80相比，可以有效減小壁厚從而降低鋼管制造難度，節(jié)約鋼管采購(gòu)成本。據(jù)測(cè)算，在管線的口徑和壓力確定后，鋼級(jí)每提高一個(gè)等級(jí)，可以減少用鋼量約8%～12%。因此，X90/X100管線鋼的應(yīng)用是輸氣管道向更高壓力、更大口徑發(fā)展最為有效和經(jīng)濟(jì)的途徑[1-5]。

對(duì)于高鋼級(jí)管線鋼中的大型夾雜物，在西氣東輸二線板材和鋼管的質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這些大型夾雜物的存在會(huì)對(duì)高鋼級(jí)管線鋼的使用性能帶來(lái)潛在危害。X90/X100管線鋼的強(qiáng)度更高，可能對(duì)大型夾雜物的敏感性更大，但大型夾雜物的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，給取樣檢測(cè)評(píng)價(jià)帶來(lái)很大困難。如何建立或者規(guī)范相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，是表征X90/X100板材、鋼管產(chǎn)品中大型夾雜物水平的關(guān)鍵所在。由于超聲疲勞試驗(yàn)方法可以在很短的時(shí)間周期內(nèi)獲得完整疲勞斷口，而如果試樣在斷面最大夾雜物部位起裂，即有可能表征出夾雜物尺寸與X90/X100管材疲勞性能之間的關(guān)系。

1 夾雜物在疲勞斷口上的典型特征

研究人員針對(duì)含夾雜物的FV520B高強(qiáng)度不銹鋼進(jìn)行了疲勞研究，研究結(jié)果表明，在含夾雜物的高強(qiáng)度不銹鋼斷口上，夾雜物通常會(huì)呈現(xiàn)出“魚(yú)眼”特征，如圖1所示。這種特征也成為判斷金屬構(gòu)件是否從夾雜物處疲勞開(kāi)裂的主要依據(jù)。

研究人員針對(duì)4種碳鉻鋼進(jìn)行了超聲扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)[6-8]，研究結(jié)果表明：疲勞裂紋主要萌生于MnS和氧化物夾雜，斷口上可見(jiàn)魚(yú)眼特征，如圖2所示。這一研究結(jié)果再次說(shuō)明，夾雜物導(dǎo)致金屬疲勞開(kāi)裂的主要斷口特征為“魚(yú)眼”標(biāo)記。

圖1 高強(qiáng)度不銹鋼斷口上的“魚(yú)眼”特征

圖2 高強(qiáng)度不銹鋼斷口上的夾雜物特征、“魚(yú)眼”特征

研究人員針對(duì)鎳基合金夾雜物在疲勞開(kāi)裂過(guò)程中的角色進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：疲勞裂紋率先在夾雜物內(nèi)萌生，萌生后經(jīng)歷近5 000周循環(huán)后擴(kuò)展到夾雜物外面。圖3給出了夾雜物在鎳基合金中的形貌。圖4給出了裂紋在夾雜物處萌生時(shí)的掃描電鏡二次電子像[9-13]。

圖3 高強(qiáng)度不銹鋼斷口上的夾雜物特征

圖4 鎳基合金中夾雜物附近的滑移帶以及夾雜物處開(kāi)裂

針對(duì)夾雜物在金屬疲勞開(kāi)裂過(guò)程中的行為研究越來(lái)越多，但主要針對(duì)的是高強(qiáng)度的合金，如高強(qiáng)鋼，高溫合金等，這些合金的強(qiáng)度一般在1 500 MPa以上，屈服強(qiáng)度也高于1 000 MPa。針對(duì)夾雜物對(duì)低屈服強(qiáng)度材料疲勞行為研究的報(bào)道仍然較少。

2 夾雜物對(duì)X90/X100管線鋼疲勞行為的影響

超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)技術(shù)不同，超聲疲勞試樣一端自由，另一端與位移放大器相聯(lián)接，在位移放大器的激勵(lì)下發(fā)生諧振，并在試樣中生成諧振波。因此，超聲疲勞試樣的設(shè)計(jì)必須滿足試驗(yàn)系統(tǒng)諧振條件[14-16]。超聲疲勞樣品如圖5所示。

圖5 圓形超聲疲勞試樣

超聲疲勞研究具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于其高頻率，縮短試驗(yàn)時(shí)間數(shù)百倍乃至上千倍，因而適用于循環(huán)周次極高的壽命試驗(yàn)和極低裂紋擴(kuò)展速率研究，尤其對(duì)疲勞極限和裂紋擴(kuò)展門檻值的研究；節(jié)省時(shí)間，可作更多的試驗(yàn)，獲得更多的結(jié)果等。

圖6給出了X90樣品超聲疲勞斷口的宏觀像。可以看出斷口有明顯發(fā)熱燒傷的發(fā)藍(lán)特征，所有斷口均可以分為3個(gè)典型區(qū)域：裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，同時(shí)在斷口上還能觀察到明顯的疲勞弧線。

圖6 X90樣品超聲疲勞斷口宏觀像

前面研究結(jié)果表明：夾雜導(dǎo)致鋼疲勞開(kāi)裂的斷口上具有顯著的“魚(yú)眼”特征。在針對(duì)某X90管線鋼樣品進(jìn)行超聲疲勞試驗(yàn)后，通過(guò)斷口掃描電鏡觀察，如圖7所示，在該管線鋼超聲疲勞斷口的裂紋源處并未見(jiàn)到在夾雜物萌生疲勞裂紋產(chǎn)生的“魚(yú)眼”特征，這說(shuō)明夾雜物并不是引起管線鋼疲勞開(kāi)裂的主要原因。在管線鋼中現(xiàn)有夾雜物的水平下，夾雜物不會(huì)引起管線鋼疲勞開(kāi)裂。

夾雜物在高強(qiáng)度鋼的疲勞斷裂過(guò)程中將扮演重要角色，在高強(qiáng)度鋼的疲勞開(kāi)裂過(guò)程中，裂紋通常從夾雜物處萌生。但是，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：管線鋼的超聲疲勞裂紋均從表面萌生。這一結(jié)果也說(shuō)明：夾雜物對(duì)X90/X100管線鋼的疲勞行為影響較小。

圖7 X90管線鋼超聲疲勞裂紋源掃描電鏡二次電子像

圖8給出了從某X100管線鋼特征位置樣品超聲疲勞斷口的掃描電鏡二次電子像。超聲疲勞樣品的裂紋源位于樣品的邊緣。因此，該樣品的疲勞裂紋是從表面萌生的，在斷口上未見(jiàn)明顯的“魚(yú)眼”特征，在裂紋源處也未見(jiàn)夾雜物，這表明該樣品的疲勞開(kāi)裂并非由夾雜物引起。

圖8 X100樣品超聲疲勞斷口掃描電鏡二次電子像

經(jīng)分析，其主要原因在于X90/X100管線鋼一般塑性較好，當(dāng)材料受外載荷作用時(shí)，在材料內(nèi)部夾雜物不容易引起較強(qiáng)的應(yīng)力集中，即使產(chǎn)生應(yīng)力集中也較容易通過(guò)塑性變形降低應(yīng)力集中的影響。相反，在高強(qiáng)度金屬材料中，夾雜物處容易導(dǎo)致較強(qiáng)的應(yīng)力集中。一方面，夾雜物的強(qiáng)度不如基體，所以在夾雜物處率先萌生疲勞裂紋；另一方面，疲勞裂紋萌生以后，由于基體變形能力較差，不容易通過(guò)塑性變形消耗應(yīng)力集中對(duì)基體的影響，因此裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致最終疲勞斷裂。此外，夾雜物在高強(qiáng)度鋼中疲勞試驗(yàn)時(shí)，其內(nèi)部萌生疲勞裂紋后可能還存在缺口效應(yīng)。研究表明：X90/X100管線鋼的屈服強(qiáng)度一般集中在600～900 MPa，屬于強(qiáng)度較低的材料，夾雜物對(duì)管線鋼疲勞斷裂影響較小，在管線鋼受循環(huán)載荷時(shí)，一般不會(huì)在夾雜物處萌生疲勞裂紋。X90/X100管線鋼疲勞斷口在超聲疲勞過(guò)程中的散熱狀況較差，導(dǎo)致局部發(fā)熱也可能是導(dǎo)致超聲疲勞斷口在試樣表面起源的重要因素。

3 結(jié)論

夾雜物導(dǎo)致金屬構(gòu)件疲勞斷裂后，其斷口上的主要特征是“魚(yú)眼”特征。在管線鋼超聲疲勞斷裂的樣品的斷口上均未見(jiàn)“魚(yú)眼”特征，這說(shuō)明在管線鋼受交變載荷或循環(huán)載荷作用時(shí)，夾雜物對(duì)管線鋼疲勞性能影響較小，不容易導(dǎo)致管線鋼疲勞開(kāi)裂，管線鋼的疲勞裂紋主要從樣品表面萌生。

對(duì)于X90/X100管線鋼，較容易通過(guò)塑性變形，消耗夾雜物引起的應(yīng)力集中，所以不容易從夾雜物處萌生疲勞裂紋；對(duì)于高強(qiáng)度材料，不容易通過(guò)塑性變形消耗夾雜物引起的應(yīng)力集中，夾雜物的強(qiáng)度本身低于基體，所以容易在夾雜物萌生疲勞裂紋并最終導(dǎo)致其疲勞裂紋。