一种X80管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的研究*

2014-01-23张骁勇张灵芝李辉辉

焊管 2014年3期

王博，张骁勇，马晶，张灵芝，李辉辉

（西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065）

0 前言

全球石油、天然气需求量的增加促进了管线工程研究的迅速发展。为了提高输送效率、降低能耗以及减少投资，长输管线向高压、大直径的输送方向发展，并对管线用钢提出了高强度、高韧性、耐腐蚀性、高焊接性等要求，管线钢的生产技术也得到了快速发展[1]。目前世界上已经建成多条X80管线钢管道[2]，对X80管线钢的研究取得了全方位的进展，但就其焊接接头疲劳裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值的研究还比较少，所以对X80管线钢在这一方面的研究十分有意义。

疲劳通常指材料在变动载荷作用下的行为[3]。由于钢管一般埋于地下，要长期在变动载荷状态下工作，一旦形成裂纹源，裂纹易在变动载荷作用下扩展直至断裂，因此有必要对管线钢疲劳裂纹扩展速率进行研究。对于焊接钢管来说，对X80管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究具有实际意义。本研究利用高频疲劳试验机对X80焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了测定，确定焊接接头在不同应力比下的疲劳裂纹门槛值。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验钢板为国内某厂生产的X80管线钢，板厚18.4mm。试验用X80焊缝采用沿轧制方向埋弧焊接而成，焊缝的化学成分见表1，焊缝常规力学性能见表2。

1.2 试验方法及计算

1.2.1 疲劳裂纹扩展试验

试验设备为PLD-10电液伺服疲劳试验机，直流电位法微机辅助测试系统。根据GB 9447—1988标准规定，选取标准SE（B）试样，试样尺寸为150mm×25mm×8mm，如图1所示。

表1 试验焊缝的化学成分%

表2 试验焊缝力学性能

图1 疲劳裂纹扩展试样尺寸

为了模拟管线钢的实际受载条件，采用循环载荷加载，加载的应力比R分别为0.1，0.3，0.5，0.7和0.9，加载频率80～100 Hz。试验中，为测定近门槛区的裂纹扩展速率采用升降法[4]。其步骤为：从某一载荷或应力强度因子幅ΔKi（对应裂纹扩展速率约为10-5m/cycle）开始，逐级降载到裂纹扩展速率小于10-7m/cycle。然后，逐级升载到裂纹扩展速率约在10-5m/cycle时，进行恒载试验直到试件断裂。裂纹长度监测采用直流电位法微机辅助测试系统，系统的监测精度为0.003mm。

1.2.2 裂纹扩展速率da/dN的计算

处理疲劳裂纹扩展试验数据的常用方法有割线法、人工作图法、差分法、二参数幂函数拟合法和递增多项式等方法。最常用的为割线法。本试验采用递增多项式法,通过几个试验点的拟合，得到一段a-N曲线，然后求导得到（da/dN）。

1.2.3 应力强度因子范围ΔK的计算

应力强度因子范围ΔK实际上是将应力范围σ和裂纹长度a复合而来的。即

式中：Kmax，Kmin分别为最大和最小应力强度因子值，MPa·m1/2。对应于最大与最小载荷的应力强度因子，并随裂纹长度的增加而变化；Y为材料的常数。

对于三点弯曲试样SE（跨距为S=4W）有

式中：W为试样宽度；B试样厚度；Pmax为循环载荷中最大载荷；R为应力比。

以上计算疲劳裂纹扩展速率（da/dN）若采用递增多项式法计算，则式（2）中的a应用Ni对应的拟合裂纹长度来代替求得。

1.2.4 材料常数C和m的计算

对于Paris公式而言，适用于疲劳裂纹扩展速率曲线Ⅱ区（即亚临界扩展阶段），式中C和m是材料的常数，

对式（4）两边取对数有，

由式（5）可以看出， lg（da/dN）与 lgΔK 呈直线关系，其斜率为m，截距为lgC。计算出的材料常数C和m可以检验数据处理的准确性。

2 结果与分析

2.1 （da/dN）-ΔK 曲线

试验记录疲劳循环次数、裂纹开裂长度和随裂纹扩展试验机载荷相应变化的读数。对各试件的Ni和ai数据进行回归统计，得到a-N回归曲线方程，求导得出（da/dN）曲线方程。根据断裂力学理论，由标准三点弯曲试样的裂纹尖端强度因子范围ΔK计算表达式（即式（1））求出的Ki与对应（da/dN）i数据再次进行回归，即得da/dN与ΔK关系曲线。

图2所示为不同应力比下X80焊接接头的（da/dN）-ΔK曲线。由图可看出，随着应力比R的增大，相应的扩展速率也依次增大，说明随着应力强度因子的提高，应力比越大，裂纹扩展速率越大。在疲劳裂纹扩展过程中，材料组织对低速区和高速区的（da/dN）影响比较明显，而对中速区的（da/dN）影响不太明显。通常情况下，晶粒越粗大，其疲劳裂纹门槛值ΔKth就越高（（da/dN）≤10-7mm/cycle），同时裂纹扩展速率（da/dN）越低[5]。

图2 不同应力比下X80焊接接头的da/dN-ΔK曲线

如上可知，给Paris公式两边取对数，可得焊接接头的lg（da/dN）-lgΔK曲线。疲劳裂纹扩展速率分低速率区、中速率区和高速率区，疲劳裂纹中速率的lg（da/dN）-lgΔK曲线呈线性关系，这一点从理论和实测数据上都得以证明。一般认为，当裂纹扩展速率（da/dN）≤10-7mm/cycle时，裂纹不会扩展。对试验数据进行整理，将中速扩展区直线部分延伸，疲劳裂纹门槛值取扩展速率（da/dN）=10-7mm/次时对应的ΔK的数值。该取法较实际中门槛值小，偏于安全。

由中速扩展区中直线部分数据回归可得到直线拟合lg（da/dN）=lgC+mlgΔK的曲线方程，并得到材料常数C和m见表3。

表3 不同应力比下焊接接头的Paris公式的C和m

通过以上数据确定da/dN=C（ΔK）m，可以求出对应da/dN≤10-7mm/次时的疲劳裂纹门槛值ΔKth，见表 4。

表4 不同应力比下的ΔKth值和da/dN拟合公式

对比X52管线钢在应力比为0.13，0.35，0.49，0.64和0.75时的疲劳裂纹门槛值分别为6.6，5.1，4.4，3.3和2.2，可知试验钢X80焊接接头有较好的疲劳性能。

2.2 显微组织分析

图3所示为X80管线钢焊接接头及热影响区在扫描电镜下的低倍组织照片。焊缝试样经侵蚀，试样中发现有局部夹渣。X80管线钢在中等焊接热输入下（E=20 kJ/cm）焊缝及热影响区各区域低倍组织照片可以看出，X80管线钢焊缝的显微组织为针状铁素体和多边形铁素体，且以针状铁素体为主，含有少量多边形铁素体。这种针状铁素体不同于管线钢中的铁素体，组织形态为针片状形态。同时，高密度的位错亚结构和弥散分布的微合金碳、氮化合物的沉淀析出等组织结构因素，赋予材料优良的强韧特性[6]，少量多边形铁素体的存在使焊缝的韧性水平有所降低。热影响区以粒状贝氏体为主，组织分布较均匀，这一组织形态所具有的细小的有效晶粒、高密度的位错亚结构和弥散分布的微合金碳、氮化合物的沉淀析出等组织结构因素，使材料具有较好的强韧特性。

图3 X80管线钢焊缝及热影响区各区域低倍组织照片

图4 X80管线钢焊缝的光学显微组织和扫描电子显微组织

图4所示为X80管线钢焊缝的光学显微组织和扫描电子显微组织。这种针状铁素体表现为具有一定长宽比的铁素体片相互交错。

针状铁素体是管线钢焊缝组织中经常可见的组织形态，这不仅是因为焊缝具有形成中温转变产物的冷却条件，而且还因为焊缝中难以避免的夹杂物对针状铁素体的形成有着重要的促进作用。研究表明，焊缝金属中的TiO，TiN，BN，Al2O3·MnO，MnS和 SiO2等都可诱发针状铁素体的形核和成长[7]，形成所谓的晶内形核针状铁素体（IAF，intragranular nucleated acicular ferrite）[8-9]。这种晶内形核针状铁素体如图5所示，其中深黑色椭圆形为夹杂物，板条状针状铁素体依附于夹杂物以不同位向呈放射状生长。

图5 X80管线钢焊缝中的晶内形核针状铁素体

需要指出的是，在焊缝金属中所出现的针状铁素体不同于母材中的针状铁素体。焊缝金属在焊接过程中所形成的针状铁素体多是一种以夹杂物诱发形核的晶内形核针状铁素体。在焊接组织中，当使用针状铁素体这一术语时，人们更倾向于强调它的非平行的、伸长的、多位向析出的针片状形态[10]。如前所述，这种多位向析出的针状铁素体赋予X80管线钢高的强韧性、疲劳性能。