全尺寸疲勞試件疲勞斷口分析

胡艷華，牛虎理，劉 劍

中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

疲勞斷裂是焊接結構最常見的失效機制之一[1]。由于疲勞破壞是低應力作用下損傷累積的結果，使得各種因素對疲勞破壞的影響十分敏感。所有焊接接頭均含有缺陷或不連續區域，其形式為幾何尺寸缺陷或冶金缺陷，如各種裂紋、未熔合、高硬度部位等；而這些缺陷又常位于應力集中處，因此研究焊縫接頭形式及焊接缺陷對于提高對焊接結構疲勞斷裂過程的認識有重要意義。

疲勞斷口記錄了斷裂過程的許多信息。由于應力條件差異，疲勞斷口有其獨特的特征，而這些特征又會受到材料本身的性質、應力大小及狀態、環境因素的影響而發生變化，所以疲勞斷口的分析是研究疲勞斷裂機理、分析斷裂原因的重要手段之一。根據疲勞裂紋的形成及擴展過程，典型的疲勞宏觀斷口可分為三個區域：疲勞源、穩擴區和瞬斷區[1]。疲勞源為疲勞裂紋的萌生地，一般發生在構件表面存在應力集中的部位，但如果構件內部存在缺陷，也可在構件內部發生；穩擴區的宏觀特征為該區域常呈現出垂直于疲勞裂紋擴展方向的貝殼狀或海灘波紋狀的條紋，這些貝殼狀的推進線是在使用過程中循環應力振幅變化或載荷大小改變等所遺留下的痕跡；瞬時斷裂區是疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時，發生快速擴展并導致構件瞬時斷裂而形成的端口區域，其宏觀特征與靜載斷裂的斷口一樣，脆性材料為結晶狀斷口，延性材料為放射性或人字紋花樣，在構件邊緣形成剪切唇。

為了滿足海洋隔水管的全尺寸疲勞性能評定要求和工程應用需求，本文針對多接頭隔水管剛度大、載荷施加難度大的特點，開展了φ323.9 mm×18 mm海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗研究，并通過高清相機和三維視頻顯微鏡對疲勞試件的斷口進行了宏觀和微觀觀察與分析，為疲勞失效分析提供了重要依據。

1 試驗方法

1.1 多接頭全尺寸疲勞試件制備

全尺寸疲勞試驗采用的隔水管材質為X65 鋼，其規格為φ323.9 mm×18 mm×10 000 mm，管材化學成分見表1，其屈服強度、抗拉強度和伸長率如表2所示[2]。

表1 化學成分（質量分數）/%

表2 力學性能

管道全尺寸疲勞試驗接頭形式為環焊縫對接接頭，環焊縫采用雙V 型復合坡口型式，坡口形式和尺寸如圖1所示，焊接方法為STT 打底+自保護藥芯焊絲半自動焊填充、蓋面。

圖1 坡口形式及尺寸

為了消除封頭效應對加載試驗結果的影響，兩端采用焊接堵頭封堵；在一端堵頭上制作進（出）水口，進（出）水口共用同一根軟管，在另一端距離管道端部不遠處鉆一小孔，并焊上閥門，用于排出管道內部的空氣[2]。

1.2 全尺寸疲勞試驗的載荷施加方式

海洋隔水管全尺寸疲勞試驗采用四點彎曲+內壓聯合加載方式，相位角為0°，即作動器同步動作。彎曲加載時，作動器傳輸的加載載荷作用在對稱于環焊縫的位置，確保最大彎矩在管道環焊縫處。內壓加載通過連接在管道端部的液壓子站施加，加載載荷在管道圓周截面內引起相同數值的周期應力[3]。通過設定不同的波形、應力比和內壓壓力，可模擬管道在不同受力狀態和內部介質壓力狀態下的工況，以測試多接頭隔水管的全尺寸疲勞性能。

1.3 疲勞斷口分析試塊的制備

全尺寸管道疲勞試驗結束后，根據全尺寸管道疲勞破壞的外部特征判斷疲勞源部位，采用氣割方法以疲勞裂紋源為中心，初步截取尺寸大約為600 mm×500 mm 的分析用試塊。為防止氣割過程中溫度過高導致疲勞斷口受熱氧化而影響分析效果，所以保持氣割切口與疲勞源具有足夠的距離，同時在氣割過程中采用濕布覆蓋疲勞源部位的辦法對取樣的區域進行冷卻。氣割后，疲勞試件發生內外貫穿的斷裂，試塊的裂紋遠比氣割前在疲勞試件外表面觀察到的裂紋更明顯，這主要是因為在氣割過程中裂紋周圍區域受熱膨脹而使裂紋進一步張開，以及氣割后樣塊裂紋又失去了周圍約束的緣故。

使用高清相機、三維視頻顯微鏡對試塊拍攝宏觀斷口形貌照片，進行疲勞斷口觀察分析，綜合全尺寸試樣的疲勞信息，分析確定影響疲勞強度的關鍵因素。

2 試驗結果

2.1 疲勞試塊的宏觀分析

（1）圖2為疲勞試塊表面宏觀照片。疲勞斷口試塊被切割為左、中、右三段，分別標記為試塊I、II、III。圖2（a）～（c）是管道內表面高清照片；圖2（d）～（f）為對應位置外表面照片，其中虛線為內表面焊縫焊趾位置。

觀察管道內表面，疲勞裂紋沿焊縫一側焊趾開裂，如圖2（a）～（c）所示。從外表面看，疲勞裂紋擴展路徑較為復雜：試塊I 中裂紋穿過其中一條焊道焊縫區后沿兩條焊道結合位置擴展，如圖2（d）；試塊II 中裂紋沿兩條焊道結合位置開裂，如圖2（e）；試塊III 中裂紋在其中一條焊道焊縫區“曲折”擴展，直至終止，如圖2（f）。

圖2 疲勞試塊表面宏觀照片

（2）圖3為試塊I 疲勞斷口宏觀照片。圖中虛線將斷口大致分成了三個區域，其中A1、A2區為裂紋擴展區域，B 區為瞬間斷裂區。試樣內、外表面附近均出現裂紋擴展區A1、A2（斷口形貌有對稱的特征），一方面由于試樣承受雙向彎曲載荷；另一方面，表明管道內、外表面均有裂紋萌生。結合圖2分析可知，內表面裂紋起源于管道內表面焊趾位置，向外擴展形成A1區；外表面裂紋起源于兩條焊道的結合位置，向內擴展形成A2區；裂紋擴展到剩余面積不足以承擔最大疲勞載荷時，發生靜強度（即過載）斷裂失效，形成粗粒區B。

圖3 試塊I 斷口宏觀照片

（3）圖4為試塊II 疲勞斷口宏觀照片。斷口邊緣存在明顯的棘輪狀標志，表明該處應力集中嚴重；結合圖2（e）分析可知，該應力集中發生在兩條焊道結合處。在管線鋼多道焊過程中，第一焊道焊接熱影響區受第二焊道焊接熱作用，會形成再熱熱影響區。該區域微觀組織呈現出的復雜性和不均勻性致使焊縫疲勞抗力下降[4-5]。

圖4 試塊II 斷口宏觀照片

2.2 多接頭全尺寸試塊疲勞斷口的微觀分析

為進一步分析疲勞裂紋產生的原因，運用三維視頻顯微鏡對疲勞斷口進行進一步觀察和分析，選取典型、有代表性的疲勞斷口微觀照片如圖5所示。

圖5 試塊II 疲勞斷口微觀照片

觀察圖5（a），疲勞斷口靠近管道內表面的區域（包括焊趾位置）存在斷續的焊接未熔合，如圖中A、B 區所示；其中A 區覆蓋了焊趾位置。分析圖5（b），管道外表面附近的疲勞斷口同樣存在熔合不良的區域（C 區）；結合2.1 節的分析，可知該區域出現在兩條焊道的結合處，表明本試驗中兩條焊道未完全融合。一方面，焊縫未熔合缺陷會造成構件有效承載面積減小；另一方面，未熔合區域處于構件形狀不連續甚至發生突變的焊趾和兩條焊道結合位置，因此這些區域應力集中嚴重，在疲勞加載中易作為疲勞裂紋源而顯著加速管道的疲勞破壞。

3 分析與討論

試驗所用全尺寸疲勞試件焊接接頭中存在未熔合等不連續性缺陷，這些缺陷會造成焊縫有效承載面積減小，引起缺陷位置的應力集中。在試件承受循環載荷時，缺陷位置易誘發裂紋或引起開裂，降低試件的疲勞壽命；另一方面，也使焊接接頭中的疲勞裂紋產生階段往往只占整個疲勞過程中一個相當短的時間。

從以上對疲勞斷口的觀察可知，疲勞抗力的薄弱部位分別為試件內表面的焊趾與外表面兩條焊道的結合位置。分析原因有以下幾個方面：其一，焊縫與母材（或第二條焊道與第一條焊道）之間存在的形狀突變導致了應力集中；其二，焊趾和兩道焊縫結合位置存在熔合不良缺陷，降低了有效承載面積，加重了應力集中；其三，焊接熱過程或再熱過程在焊趾和兩條焊道結合位置引入了不可忽視的殘余拉應力[6]；其四，這兩處位置在焊接熱過程或再熱過程的作用下，會出現微觀組織粗化甚至生成脆性組織，導致了疲勞抗力下降[7]。

由圖2（f）可以看到，裂紋在其中一條焊道焊縫區“曲折”擴展且最終終止擴展。這是由于焊縫中存在垂直于焊道的柱狀晶，其取向與裂紋擴展方向成一定角度，裂紋在擴展過程中必須斜切過柱狀晶，其擴展也因此受到較大阻力，最終導致焊道中裂紋路徑較為曲折，疲勞裂紋擴展門檻值得到了提高[7]，因此焊縫區具有較好的抗疲勞裂紋擴展性能。

4 結論

（1）試驗用全尺寸疲勞試件焊接接頭中存在的未熔合等不連續性缺陷降低了試件的疲勞壽命。

（2）試驗用全尺寸疲勞試件疲勞抗力的薄弱部位分別為試件內表面的焊趾與外表面兩條焊道的結合位置。焊縫區疲勞裂紋擴展路徑較為曲折，表明試件具有較好的抗疲勞裂紋擴展性能。

（3）可通過采取加寬對接接頭間的間隙、清潔坡口污染物等措施，防止內側表面焊縫的未熔合；也應設法降低內側表面焊縫余高，打磨外表面焊縫，以減小形狀不連續導致的應力集中，最終提高全尺寸試件的抗疲勞壽命。