X80管線鋼在管道凹陷狀態下的應變演變特征

朱麗霞 武 剛 李麗鋒 羅金恒 田 野 徐春燕 林 睿

1.中國石油集團石油管工程技術研究院 2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室3.中石油管道有限責任公司西部分公司 4.中國石油新疆油田公司油氣儲運分公司

0 引言

X80管線鋼具有高強度和良好的抗延性斷裂能力，是目前輸氣管道的主導材料之一，其管道服役過程中的安全問題備受關注。管道建設及運行過程中往往會產生管道失效，常見的失效原因有機械損傷、材料缺陷、腐燭、焊縫缺陷等，其中第三方破壞產生的機械損傷是最主要的原因之一，而機械損傷最常見的缺陷類型是管道凹陷[1-5]。

油氣管道凹陷是指由于管壁永久塑性變形而使管道橫截面發生的總變形[6]，沒有產生溝槽、裂紋和腐蝕等其他缺陷的平滑凹陷為單純凹陷，凹陷的形成是一個復雜塑性應變發生的過程。凹陷對管道安全運行的影響主要有4個方面[7-8]：①凹陷導致管壁變形產生應力集中并降低承壓能力或者直接導致其破裂泄漏；②周期性的內壓波動也可能使凹陷區域出現疲勞損傷乃至斷裂；③對于一些延性較差的長期服役管道，即使凹陷引起的應力集中不大，也可能引起管道裂紋的產生甚至加快應力腐蝕速率；④較深的凹陷會影響清管器及內檢測器等設備運行，給管道的檢測和管理帶來困難。油氣管道的凹陷一直是管道完整性維護的主要問題之一，國外對于含凹陷管道的評估方法通常是將凹陷深度作為主要指標，多數以外徑的6%作為評價缺陷管道需要立即修理或移除的邊界條件。研究和現場應用表明基于凹陷深度的評估方法并不能準確反映管道的實際工作狀態，評價規范也逐步將應變納入評價指標[9-12]，例如ASME B31.8[9]將應變的6%納入邊界條件，我國標準SY/T 6696[13]對單純凹陷也規定應變大于6%需要修復。研究和分析凹陷管道的殘余應力及應變的形成規律及分布對含凹陷管道的安全服役行為具有十分重要的現實意義[14-16]。

對于實際的含凹陷管道而言，其應力、應變分布很難測量，且管體承受的應變并非單一應變，因此實驗對管道在外力作用下變形行為的等效塑性應變（Equivalent Plastic Strain，又稱 PEEQ）進行研究，PEEQ是ABAQUS記錄變形過程而提出的一個表征塑性應變累積值的量，是整個變形過程中塑性應變的累積結果。有限元模擬可以較好地模擬凹陷參數對等效塑性應變分布等特征的影響，有助于判斷含凹陷管體的危險位置，更好地研究鋼管的失效行為[17-19]。基于此，利用ABAQUS有限元分析軟件研究不同內壓及外部載荷作用下含單純凹陷X80鋼管的等效塑性應變分布情況，并針對無內壓管道鋼管凹陷區進行了實時XTDIC應變采集。通過驗證模型結果，研究了單純凹陷下鋼管的等效塑性應變分布規律，探討了單純凹陷條件下管線鋼應變硬化規律和微觀結構響應。

1 試驗材料與方法

1.1 ABAQUS有限元分析

以X80高鋼級管線鋼管為研究對象，其規格為 ?1 219 mm×18.4 mm×12 000 mm， 主 要 參 數有：密度（ρ）為 7.8×103kg/m3，彈性模量（E）為210 000 MPa，泊松比（ν）為 0.3，屈服強度（σy）為628 MPa，其應力—應變曲線如圖1所示。通過ABAQUS有限元建立完整的12 m管道模型及直徑為150 mm的圓球形施痕物。對施痕物和管道進行網格劃分（圖2），考慮到施痕物與管道相互接觸及其實際工況，管道網格的密度由兩端向中心逐漸增加。

圖1 試驗用鋼管的應力—應變曲線圖

圖2 管道模型和圓球形施痕物網格劃分示意圖

為了更好地反映管道在施工和運行過程中壓力、凹陷深度和等效塑性應變之間的關系，分別模擬了無內壓及工作內壓為6 MPa狀態下，不同凹陷深度對應變的影響。分別對管道不施加內壓和施加6 MPa工作內壓，模擬管道在建設施工和服役工作兩種情況，通過改變凹陷深度來研究等效塑性應變的變化趨勢，工程上指導管道的安全施工和服役。令施痕物垂直于管道軸線對管道施加凹陷缺陷，隨后移除施痕物，記錄不同下壓深度所產生的應變云圖和凹陷區域不同深度下的應變變化曲線。

1.2 X80管線鋼單純管道凹陷預制

為了驗證研究模擬結果，選取一定管道凹陷深度，預制X80管線鋼單純凹陷。試驗管道為?1 219 mm×18.4 mm 的 X80 螺旋縫埋弧焊管，在 1 500 t復合加載試驗系統上對管道母材進行凹陷壓制（圖3），如圖3-a、b所示，壓頭為半球形，壓頭直徑為150 mm，壓入凹坑深度為101.6 mm（8.33%OD，OD表示鋼管外徑，下同），回彈后凹坑深度為87.373 mm（7.17%OD），且凹坑底部未發現裂紋。

圖3 預制管道凹陷模型圖

1.3 應變監控和微觀結構分析

采用XTDIC采集系統對鋼管內表面凹陷區域應變場進行實時測量，得到不同凹陷深度下管體的應變云圖。為了研究凹陷區域各個位置微觀組織對凹陷的影響，分別距離凹陷中心0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm取D-1、D-2、D-3試樣，經粗磨、細磨、拋光后，用2%硝酸酒精溶液侵蝕待測面，用光學顯微鏡觀察其表面組織，用透射電子顯微鏡觀察其內部結構，并在樣品表面測得顯微硬度（圖4）。制備透射電鏡試樣時在細砂紙上單向磨薄至100 nm左右，剪出直徑3 mm左右試樣，在液氮和酒精混合液下用電解雙噴減薄穿孔對試樣進行再次減薄。

圖4 測試取樣示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 工作內壓條件下模擬管道凹陷深度對應變的分布影響

工作內壓（6 MPa）下，不同管道凹陷深度下的應變云圖如圖5所示。由圖5可以看出，不同管道凹陷深度下，凹陷區的應變分布規律相同。應變分布呈圓環擴散狀，凹陷區軸向應變的影響范圍廣于徑向，最大應變并非出現在凹陷中心，而是出現在距離凹陷中心一定距離處，且最大軸向應變值高于最大徑向應變值。隨著距離凹陷中心距離的增大，徑向應變及軸向應變在達到峰值后快速減小。

凹陷區軸向和徑向等效塑性應變與凹陷中心距離的分布曲線如圖6所示。隨著凹陷深度的增加，凹陷區的最大應變隨之增大，且同一凹陷深度的軸向應變均略大于徑向應變。當凹陷深度為10%OD時，最大應變為0.35，此時，管道已經發生明顯的塑性變形，與X80管線鋼拉伸行為中的塑性變形相似，在此階段其應力—應變曲線沒有明顯的屈服平臺，管道表現出典型的非線性，具有較大的均勻塑性伸長率、屈服強度和抗拉強度，出現明顯的應變硬化現象，在凹坑中心附近的應變硬化程度最大。

圖5 6 MPa內壓下不同管道凹陷深度模擬應變結果圖

圖6 6 MPa內壓下不同管道凹陷深度下應變分布曲線圖

2.2 內壓對凹陷狀態應變分布的影響

圖7 為無內壓條件下，不同管道凹陷深度下等效塑性應變的分布模擬結果。由圖7可以看出，凹陷深度為6%OD和8%OD時，凹陷管道上的應變分布呈橢圓狀，且徑向影響范圍明顯小于軸向的應變區域。當凹陷深度到10%OD時，這種不均勻分布明顯減小，軸向應變區域略大于徑向，而應變都是呈現先增大后減小的變化趨勢。

圖7 無內壓下不同管道凹陷深度下模擬應變結果圖

圖8 不同管道凹陷深度有無內壓情況下的應變分布曲線圖

圖8 為不同管道凹陷深度下的等效塑性應變分布曲線，其中E6%OD、E8%OD、E10%OD分別表示工作內壓6 MPa下的應變，6%OD、8%OD、10%OD是無內壓下的應變。由圖8可知，不同凹陷深度下的應變表現出相同的分布特征，隨著與凹陷中心距離的增大，應變值逐漸增大，達到極大值后隨距離的增大而減小。同時，不論徑向、軸向，有內壓條件下的應變遠高于無內壓條件下的應變；在相同內壓條件下，隨著凹陷深度的增大，應變量增大，且相同內壓及凹陷深度下，同一位置處的軸向應變普遍大于徑向應變。無內壓情況下，凹陷深度由6%OD增大到10%OD，最大應變由0.15增大到0.24，增幅1.6倍，可見凹陷深度每增大1%OD，應變增量0.4；內壓為6 MPa時，凹陷深度由6%OD增大到10%OD，最大應變由0.17增大到0.42，增幅2.47倍，凹陷深度每增大1%OD，應變增量0.62。可見，凹陷深度越大，內壓與深度對應變影響的疊加效應越大。

2.3 凹陷過程中的應變硬化分析

為了研究管道凹陷過程中的實時應變變化，采用XTDIC采集系統對管道凹陷過程中的應變進行采集，圖9所示為不同管道凹陷深度下的應變云圖，研究發現凹陷深度為1%OD時，最大應變出現在凹陷中心，隨著凹陷深度增加，凹陷區的最大應變出現在凹陷的邊緣，其結果與模擬結果相同。隨著凹陷深度的增加，產生應變區域和應變量增加，管體發生明顯的塑性變形。圖10為無內壓情況下有限元模擬和DIC實時采集的應變分布曲線，圖中6%OD、8%OD、10%OD為ABAQUS模擬結果，M3%OD、M6%OD、M8%OD為實測結果。由圖10可以看出，模擬的應變在相同位置的應變變化趨勢基本一致，但實測應變略大于模擬結果應變值，這是由于PEEQ是等效塑性應變，模擬過程中只考慮下壓和回彈情況，而在實際試驗中，管道除了自身的缺陷外，還有可能承受很多方面的應力，對凹陷過程造成影響。

2.4 凹陷過程中應變硬化和組織響應

材料的加工硬化主要取決于等效塑性應變的大小，結合圖7、8可以看出，管線鋼對塑性變形的抗力是隨變形量的增加而增加的，屬于典型的應變硬化機制。據此，提出了針對凹陷狀態下管線鋼的應變硬化區域示意圖（圖11-a），在應變大且集中的凹陷中心出現強硬化區。通過對凹陷區各位置硬度的測定得到圖11-b，管外壁硬度始終小于管內壁，且硬度隨著距離凹陷中心的距離增大而減小。這體現出在凹坑附近出現應變硬化，凹坑邊緣應變硬化不明顯。

圖9 不同管道凹陷深度的應變云圖

圖10 無內壓模擬和實測在不同管道凹陷深度下應變分布曲線圖

圖11 凹陷狀態下管線鋼的應變硬化示意圖

圖12 凹陷不同區域的組織圖

組織研究表明，管道組織均為粒狀貝氏體，遠離凹陷區的粒狀貝氏體之間晶界清晰可見（圖12-a），而凹陷中心由于承受了較大的變形，晶粒沿著變形最大的方向被拉長，組織由晶界明晰的粒狀貝氏體轉變為晶界模糊的變形態粒狀貝氏體（圖12-b）。由此可見，凹陷區底部和側壁晶粒沿著變形最大的方向被拉長，晶格被扭曲，從而誘發形變強化，提高了材料的抗變形能力，產生了應變硬化。由于不同區域組織的顯微變化，使得凹陷區不同部位表現出不同的應變硬化響應。Han等[20]認為管線鋼在變形過程中，隨著應變的增加，位錯的密度大幅度提高，位錯間相互纏繞聚集甚至生成亞晶界，位錯纏結形成的高密度位錯區成為位錯滑移的新障礙，可以顯著提高材料的強度。對比凹陷邊緣發現，凹陷邊緣區在變形過程中產生了應變硬化，使得硬度顯著提高（圖11-b）。X80管線鋼母材和凹陷試樣透射電鏡照片如圖13所示，從圖13-b可以看到在晶界處，位錯在此纏結，晶粒發生滑移，使晶粒拉長、破碎和纖維化。在發生塑性變形前，有很大一部分脫釘的位錯停留在晶界處，但總有一部分位錯尚未到晶界處而處于易動狀態[21]。少量易動位錯的存在可使材料的初始屈服抗力下降。隨著凹陷深度的增加，凹陷中心外緣部分塑性變形量增大，晶界處的位錯也開始運動，降低了均勻塑性變形能力和形變容量，將使得管線鋼產生應力集中、松弛裂紋尖端局部應力和限制裂紋擴展的能力降低，損害管材的缺陷容量，致使承載能力降低，對管線鋼的服役安全性能造成影響。

圖13 X80管線鋼母材和凹陷試樣透射電鏡照片

3 結論

1）不同凹陷深度下的應變表現出相同的分布特征，應變值隨著與凹陷中心距離的增加而逐漸增大，達到應變峰值后隨距離的增大而快速減小。

2）在相同內壓條件下，應變量隨著凹陷深度的增加而增大，且相同內壓及凹陷深度下，同一位置處的軸向應變普遍大于徑向應變；凹陷深度越大，內壓與深度對應變影響的疊加效應越大。

3）凹陷變形過程中，材料初期發生了典型的應變硬化過程，隨著變形的深入，凹陷區底部和側壁晶粒沿著變形最大的方向被拉長，位錯在晶界處纏結，晶格被扭曲，產生了應變硬化。