X65级别海底管线钢低温CTOD性能研究

2023-12-07余宣洵孙照阳吴志文

四川冶金 2023年5期

余宣洵,赵虎,孙照阳,吴志文

(1.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心,安徽马鞍山 243003)

管道输送油气是目前最经济合理的油气输送方式[1],以海底管道为重要途径,远距离向陆地输送海洋平台开采的油气资源。与陆地相比,海洋环境比较恶劣和严峻,海底管道需要满足高强度、高韧性和良好焊接的要求。

由于海底管道在海洋复杂环境中服役时间较长,不仅要受管内环境荷载和流体腐蚀、压力的作用,如管外波流、海底冲刷淤积、滑移变化等,还要承受如落物对管道的冲击、渔网、鱼线等丝状物拖拽的意外载荷的作用,这些海底管道也就可能会发生悬空、移位或损坏等情况。这些隐患对环境和生产都有很大的威胁,所以要求低温条件下海底管线用钢的韧性要高一些,这样才能防止出现破裂的情况[2]。因此,如何合理有效地评估海洋管道的低温断裂韧性,保证海底管道的安全可靠运行,是海洋油气管道制造极为关注的技术问题。

管材低温韧性的优劣是由管材的韧性转变温度决定的,这也是直接影响材料应用范围和使用安全性的重要指标。为了保证石油天然气管道的安全可靠,防止输送管道断裂,必须保证管线用钢的高韧性要求。

与传统的夏比冲击试验评定方法相比,CTOD(裂纹尖端开启位移)能全面反映材料的抗裂抗损能力,成为评价低温韧性的最主要指标之一。CTOD,即裂尖开口位移,它是指裂纹体在承受张开载荷后,在原始裂纹尖端两侧张开的相对距离。CTOD值的大小直接反映了裂纹尖端材料的抗裂能力[3-4],试验所得到的CTOD值越高,说明材料的抗裂性能越好,即韧性越好,试验所得到的CTOD值越低,说明材料的抗裂性能越差,即韧性越差。当材料的某一临界值达到裂口尖端的开口位移CTOD 值时,裂口发生不稳定的扩展[5-8]。

CTOD性能是海底管线用钢低温断裂韧性的重要评价指标,特别是厚规格产品,用于评价裂纹止裂能力,这直接关系到海底管线的使用安全性和服役寿命[9]。可根据国际标准BS7448中规定的材料实际厚度(即全厚度试样)进行CTOD试验制样。这样就把原来的结构(板厚)尺寸保存下来了,测出来的韧性性能就比较准确。这是CTOD试验优于夏比冲击试验的重要特征[10]。

海洋管道系统施工规范DNV-OS-F101规定,必须对管道钢材进行CTOD试验。一般要求ERW焊管海底管路CTOD性能为0 ℃,CTOD值≥0.20 mm,对于低温CTOD性能,用户有时根据使用环境的不同而提出更高的要求。要求具有优良低温CTOD性能的海底管路用钢在-20 ℃条件下CTOD值≥0.30 mm,这将大大提高海底管线的使用可靠性和服役时间。所以,研究海底管线钢的CTOD性能是很有必要的。

本文研究了一种X65级海底管线钢在不同厚度、不同温度下的低温CTOD性能,分析了X65级海底管线钢在不同厚度、不同温度下对CTOD值的影响规律。

1 试验材料及方法

1.1 实验材料

材料选取20.6 mm和14.3 mm厚度规格的X65级别的海底管线钢进行低温CTOD试验,实验钢的化学成分(质量分数,%)如表1所示。实验用钢的化学成分采用了超低P、S、加入微量合金元素(Nb、Ti等)的低碳成分设计体系。

表1 实验钢的化学成分(wt,%)

表2 实验钢的力学性能

实验钢热轧具体方案为:先将实验钢坯用加热炉加热至1200 ℃,保温2小时后,再经两阶段轧制并控制冷却再结晶区和未结晶区,轧制成厚度分别为20.6 mm和14.3 mm的实验钢板,出炉温度控制在1200 ℃左右。终轧温度控制在860 ℃,卷取温度控制在450 ℃,实验钢的力学性能如表 2所示。

根据英国规范BS-7448的标准要求,在板厚为20.6 mm和14.3 mm实验钢板上截取尺寸为9B(长)×2B(宽)×B(厚)的三点弯曲CTOD 试样,B为实验钢板厚度。根据英国规范BS-7448确定缺口位置,标记需要切割的加工线,缺口加工由线切割完成,缺口采用 V 形坡口,缺口深度为7～10 mm,角度为60°,如图1所示。

图1 CTOD试样加工图

1.2 实验方法

采用MTS FlexTest 40 250kN试验机对加工好的三点弯曲CTOD试样在室温下预制疲劳裂纹。对试样厚度和宽度分别进行测量,计算出整个预制裂纹过程中允许施加在预制疲劳裂纹过程中不能超过此数值的最大负荷。初始裂纹长度a0为机械缺口深度加预制疲劳裂纹的深度,同时应保证试样宽度a0与W=2B的最终初裂长度之比为0.45～0.55。

将预制裂纹后的CTOD试样放入低温混合液中冷却,混合液为液氮和酒精,在温度为0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的条件下保温8 min,采用一次加载方法,直至试样不稳定破裂,记录负荷F和裂口开口位移V值,自动绘制P-V曲线;卸载后,失稳断裂试样经二次疲劳后打断,经光学显微镜测定裂纹长度(实际初始纹长度a0和扩展后的裂纹长度口),干燥处理断口;最后,利用P-V曲线,试样的CTOD值分别按照式(1)、(2)和(3)计算。

(1)

(2)

T(K)=273.15+t(℃)

(3)

式中:δ为断裂韧性CTOD值,mm;F为施加的载荷,KN;B为试样厚度,mm;W为试样宽度,mm;a0为初始裂纹长度,mm;Rp0.2为实验钢的屈服强度,MPa;Vp为缺口张开位移的塑性分量,mm;z为引伸计初始位置到试样表面的距离,mm;ν为泊松比。

2 实验结果及分析

加工后的实验钢CTOD试样分别在0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的试验温度下进行CTOD试验,按上述1.2节的方法进行试验,在每个温度下抽取3个标准试样进行试验,结果值按3次平均值计算,以保证实验结果的准确性。CTOD试验结果如表3所示。δm为最大荷载CTOD值,即最大荷载点或最大荷载平台起点对应的CTOD值。

表3 实验钢CTOD试验结果

图2为20.6 mm和14.3 mm厚度实验钢的CTOD试验P-V曲线,从图中可以看出,20.6 mm厚度实验钢在-40 ℃时P-V曲线出现失稳,但是失稳是在载荷F达到最大值后才出现的,所以在-40 ℃时,20.6 mm厚度实验钢的CTOD值仍达到1.30 mm。但在-60 ℃和-80 ℃时,P-V曲线均在载荷F上升阶段出现失稳,所以此温度下其CTOD值很小,所以20.6 mm厚度实验钢的CTOD转变温度区在-40～-60 ℃。而14.3 mm厚度实验钢的P-V曲线在-60 ℃和-80 ℃均未出现失稳,所以其CTOD值仍保持较高水平。

图2 20.6mm和14.3mm厚度实验钢CTOD试验的P-V曲线

图3是实验钢在0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的试验温度下厚度为20.6 mm、14.3 mm的CTOD值规律变化图,从图中可以看出,在-80 ℃时,厚度为14.3 mm的实验钢随着试验温度的降低,CTOD值变化不大。其CTOD值为1.63毫米。而20.6 mm厚度实验钢的CTOD值随试验温度降低而降低,在0～-40 ℃之间,其CTOD值降低平缓,在-40 ℃时其CTOD值为1.30 mm,而在-60 ℃以下后,其CTOD值有较大幅度的降低,在-60 ℃时其CTOD 值降低到仅为0.11 mm。

图3 不同试验温度下实验钢的CTOD值变化规律图

在温度比较低(-40～-80 ℃)时,厚度增加会降低实验钢的CTOD 值,降低材料的断裂韧性。由于裂纹的尖端区域随厚度的增加而由平面应力状态转变为平面应变状态,并在缺口的尖端处出现三向拉应力状态,使裂口尖端在产生应力强化现象的同时,也限制了其塑性的流动,从而使材料易发生脆性断裂。

选取-20 ℃试验温度下20.6 mm和14.3 mm厚度CTOD试样断口进行SEM扫描电镜观察微观组织形貌,如图4～图5所示。

图4 -20 ℃试验温度下20.6 mm实验钢CTOD试验试样断口形貌

图5 -20 ℃试验温度下14.3 mm实验钢CTOD试验试样断口形貌

由图4～图5可知,断口预制疲劳裂纹区均表现为疲劳裂纹扩展特征,断口预制疲劳裂区裂纹稳态扩展试样边缘表现为剪切特征,说明试样表面处于明显的平面应力状态,且实验钢在预制疲劳裂纹阶段,裂纹扩展较慢,裂纹尖端较为尖锐。因此,当裂纹稳定状态扩展试样边缘表现为剪切特征时,其裂纹稳定状态扩展试样边缘试样表面呈现平面受力的明显状态。从试样表面至心部,裂纹稳态扩展完全以韧窝形式发展,呈现出典型的塑性裂纹扩展特征,且裂纹稳态扩展量较高,中心部位裂纹扩展量Δa均大于1 mm,说明实验钢的韧性性能较好。

本文实验钢的化学成分采用低碳、超低P、S、添加微量微合金元素(Nb、Ti等)的成分设计,得到晶粒度约为12.0级的针状铁素体组织,如图6(a)和(b)所示,图6(a)为金相显微组织照片,图6(b)为SEM扫描电镜微观组织形貌照片,图6(c)～图(d)为析出粒子照片,图6(e)和(f)为TEM透射电镜组织位错照片。

图6 实验钢显微组织、SEM和TEM照片

由图6(a)和(b)可以看出,实验钢组织是均匀细小的针状铁素体组织,针状铁素体组织是最有效的抗裂纹组织[11],在组织内部弥散分布大量细小的Nb和Ti的析出物和大量的位错组织,图6(c)～图(f)所示,析出物的大小在50～120 nm之间,当受到冲击时,位错相互缠绕,并与这些细小的Nb和Ti的析出物相互钉扎,使得裂纹扩展到此处后很难通过,而裂纹的扩展是靠位错运动来实现的,钉扎的位错不容易运动,裂纹就不容易扩展,最终表现为较好的CTOD性能。