电阻焊管的疲劳性能研究

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电阻焊管的疲劳性能研究

电阻焊管的疲劳性能研究

来源:浙江至德钢业有限公司发布:2020-05-13 21:16:39类别:不锈钢材料

在管线服役过程中,一方面由于管道内输送压力波动、气体介质分层结构;另一方面由于管线外部变动载荷,也会对管体产生交变应力作用。在这种交变应力的作用下,裂纹很可能在管体或焊接接头的表面或内部的缺陷处萌生并扩展,最终导致疲劳开裂。另外,在油气管输送线中,介质中常常含有H 2 SCO 2H 2等腐蚀介质,腐蚀与疲劳的双重作用,加速裂纹的形成和扩展,导致腐蚀疲劳开裂。疲劳及腐蚀疲劳开裂往往没有明显的征兆,很难观察作出相应的对策,而造成灾难性后果。因此,在APIASME的标准中,对管道材料及焊接接头的疲劳性能均给出了相应的测试和寿命预测方法,管线钢及钢管疲劳性能也就成为管道安全设计的基础数据及使用寿命评估的依据。

管线钢疲劳性能

美国试验与材料协会(ASTM)在疲劳试验及数据统计分析之“有关术语的标准定义”所定义的疲劳是:在集点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程,称为疲劳。在循环载荷下,疲劳往往发展在外应力远小于材料的屈服强度的情况,产生低应力的脆性断裂。在管线输送的设计中,为提高输送效率,一般的安全设计系数通常为0.80,管道的压力所达到管的应力为管线钢标准规定最低屈服强度的0.80(0.8σs)。高压输送的压力波动所带来的疲劳问题及寿命预测也成为管线钢管必须考虑的问题。另外,随海上及极地油气田的开发,洋流、海浪、动土等外力作用的疲劳问题也更加突出,也促使人们更加重视疲劳性能的研究。

Bussiba等人使用全厚度MT试样测试了强度级别由B级钢到X1006种管线钢的疲劳裂纹扩展速率。结果表明:6种管线钢的疲劳裂纹扩展的门槛值、以及第一阶段和第二阶段扩展的大部分区间内,疲劳裂纹扩展速度相差不大,而裂纹快速扩展阶段的疲劳应力强度因子范围临界值存在明显不同。6种管线钢疲劳裂纹扩展速率(da/dN=C(ΔK m)中的系数C(1.50~4.11)×10-9,应力强度因子范围DK指数的m3.14-3.62。由于钢的强度等级不同,其成分和性能也不同,但对疲劳裂纹萌生及稳定扩展区的影响不大,但显著影响快速扩展所需要的应力强度因子ΔK,随强度的升高,裂纹快速扩展所需的ΔK增大。

马秋荣等研究了两种X60钢和两种X80钢的疲劳裂纹扩展速率,并根据疲劳裂纹扩展速率对寿命进行了预测。结果表明,在组织均匀的条件下,X60钢和X80钢在稳定扩展区的疲劳裂纹扩展速率相差不大。但对存在强烈带状组织的X60钢,其疲劳裂纹扩展速率显著增大。在只考虑管线运行启停压力波动的条件下,X80钢的寿命可到76年。

这些研究结果发现,管线钢的强度级别及组织对疲劳裂纹扩展速率影响不大,这可能和管线钢均采用低碳微合金设计所获得的高的强韧性配合有关。但也有研究表明,钢的组织和性能对疲劳行为有很大的影响。Zhong等研究了铁素体/珠光体及针状铁素体钢的疲劳性能,结果表明:钢的组织细化,韧性提高对管线钢疲劳行为有显著的影响,具有较细针状铁素体的韧性的管线钢,表现出更低的疲劳裂纹扩展速率。高韧性针状铁素体中的高角度晶界及马氏体/奥氏体(M/A)岛状组织,显著抑制裂纹扩展。而Guan对比研究铁素体+珠光体(F-P)以及铁素体+贝氏体(F-B)两种热轧低碳钢的疲劳性能。与F-B钢相比,F-P钢的疲劳裂纹扩展更容易失稳。与F-B钢显微结构相比,F-P的疲劳裂纹具有较强的弯曲性和扩展自由度。然而,F-B钢存在频繁的裂纹分支,表明第二硬贝氏体相有效地抑制了裂纹的扩展。在Paris疲劳裂纹扩展区间,F-P钢的疲劳裂纹扩展速率高于F-B钢,晶界对裂纹扩展的抗力有一定的影响。而Zhao等在F-B钢双相X80钢的研究发现,F-B钢的疲劳裂纹扩展曲线(da/dN-DK)中曲线在Paris区存在转折点。转折点的存在与裂纹扩展过程中裂纹路径与断裂模式有关。随DK增加时,裂纹尖端的循环塑性区增加,大量位错在铁素体边界、铁素体与贝氏体边界以及贝氏体基体M/A岛的边界塞积形成微裂纹,微裂纹改变主裂纹扩展方向和驱动力,从而降低了da/dN随DK增加时的增长速率。这在不同应力比的条件下也得到证实,不同应力比对应转折点的DK不同。杨永和等研究了应力比对西气东输二线用X80钢管管体的疲劳性能研究发现,随应力比的增加,疲劳寿命降低。疲劳裂纹扩展速度da/dN与DK有线性关系,但与一般韧性材料不同,对da/dNJ积分曲线上存在明显的转折点,不能用da/dNJ积分表达疲劳性能。

大量数据表明,由于管线钢高的韧性要求,均具有疲劳性能。当管线在实际运行过程,钢管的承载包含管体材料及焊缝。Al-Anezi等采用水压试验下,模拟研究了螺旋焊管运输管线失效方式。结果发现,疲劳裂纹在焊缝表面的焊趾处萌生,断口表面显示为穿晶断裂,并在疲劳断口上出现了疲劳辉纹,这些现象都证明了长输管线破坏的疲劳损伤机制,而这种损伤更容易发生在焊缝及热影响区。对管线钢管更应该关注焊接接头的疲劳性能。

钢管焊接接头的疲劳性能

管线建设实际上是大规模的焊接工程,无论是钢管生产,还是现场的钢管连接均采用焊接方式。在焊接过程中,焊接熔覆金属及热影响区往往是性能最薄弱的区域,其性能更受到广泛的关注。

Lee对通过API X65管线钢管的母材和焊接接头的组织、拉伸性能和断裂韧性建立焊接接头缺陷失效评估图,并对进行了缺陷评估,结果表明:仅仅微拉伸试验和裂纹尖张开位移试验(CTOD)能够成功地绘制反映焊接热影响区的疲劳性能的失效评估图。而Ju等对X65钢环形焊接接头的研究表明,焊接热影响区粗晶区靠近熔合线的区域具有最低的CTOD值和最高的韧脆转变温度(DBTT)值,使裂纹扩展加速,细晶区具有最高的韧性,能够有效的阻挡来自粗晶区的断裂裂纹。这一结果与Zhao等在铁素体/贝氏体双相X80焊接接头的疲劳性能研究相一致。焊接接头的疲劳裂纹在焊趾处形成,沿焊接粗晶区快速扩展;随裂纹扩展进入细晶区,裂纹扩展速率显著降低;当裂纹通过细晶区后,裂纹扩展速率又逐渐加快。焊接接头的疲劳裂纹扩展速率与模拟焊接热影响区试样的疲劳裂纹扩展速率相差不大。

Seto等研究了带有缺陷的API X65管线钢焊接接头低周疲劳性能,焊接缺陷的条形试样的疲劳强度与等价的缺陷尺寸成反比例。张华等对西气东输X80焊接接头疲劳性能及寿命预期研究结果表明,对比母材的研究结果,焊接接头的疲劳性能远低于母材,其寿命及检修周期要明显缩短。

这些焊接接头疲劳性能的研究结果均是针对采用埋弧焊或气体保护焊的钢管焊缝或钢管对接的环焊缝。焊缝熔覆金属是经焊材及母材熔化快速凝固的组织;而热影响区则是经过焊接热循环后的组织,并存在焊缝余高。虽然焊缝熔覆金属可能存在的缺陷几率高于母材,但由于焊缝余高所引起的应力集中作用及热影响区的性能恶化,焊趾处是疲劳裂纹最主要的萌生位置,显著降低疲劳性能。

埋弧焊管不同,高频压力焊的HFW焊管,其焊缝通常由1条不大于0.2 mm宽的融合线,以及呈亚腰鼓形对称分布在融合线两侧的热影响区构成[12,29,53,97],内外毛刺均需要经在线去除处理,焊缝没有焊缝余高,而且焊缝均经过后续的焊后热处理。这将导致HFW焊管焊接接头与埋弧焊管焊缝接头疲劳性能的不同。Tiku等对比ERW融合线、热影响区及母材的疲劳裂纹扩展速率。熔化线及热影响区相对于母材具有高的裂纹扩展速率。作者通过大量数据的对比,建立ERW焊管疲劳寿命的评估方法。韩军等研究了X80 HFW焊管焊缝的疲劳裂纹扩展速率,并对其疲劳寿命进行了评估。应力比对疲劳裂纹扩展速率有很大的影响,随应力比的增加,疲劳裂纹扩展速率增加,疲劳寿命缩短。Young等通过焊缝的常规力学性能建立了ERW钢管的评估方法,疲劳性能与组织和常规力学性能有直接的关系。Taylor等通过表面预制裂纹的方法研究缺陷方向对X70 ERW管疲劳性能的影响表明,ERW焊管的焊缝与母材具有相近疲劳裂纹扩展特征,而缺陷方向对疲劳裂纹扩展有显著的影响,缺口方法与钢管轴线呈0°角时,裂纹扩展速率最大;而缺口方法与钢管轴线呈90°角时,裂纹几乎不扩展。这些研究均以裂纹扩展来表征其疲劳性能,然而对实际管线的疲劳寿命,包含了疲劳裂纹萌生及扩展。Simion等采用全壁厚试样研究ERW疲劳性能,结果表明影响纵向焊管疲劳性能的因素很多,但最重要的因素是表面质量、椭圆度几何形状、韧性和焊接引起的应力集中。由于过渡区(热影响区)的应力集中,焊接管的疲劳抗力低于无缝管;焊管的韧性与其抗疲劳性能之间存在很强的相关性;焊缝退火导致焊缝的软化,但也提高了焊缝的韧性,同时提高钢管的疲劳性能。这一结果也说明,采用全尺寸的疲劳试样能够更加全面地评价电阻焊管焊接接头的疲劳性能。

本文研究的目的和主要内容

自本世纪初,国内一批F508~610 mm大直径电阻焊管机组相继建成投产,电阻焊管的产能得到快速扩充,急需开拓新的应用市场。但由于技术消化理解的不足,产品的质量的稳定性差,在实际管线建设中出现了一些质量异议,严重的打消了国内油气管线市场对电阻焊管的信心。经过10多年的消化吸收和技术改进,产品的质量和稳定性取得了显著的提升,产品的质量已得到国外管线业主的认可,但国内油气管线行业仍对电阻焊管的质量存在质疑。本论文将针对提高电阻焊管质量和可靠性评价存在的问题,在电阻焊管生产线技术装备改造基础上,提出电阻焊管性能及焊接质量评价技术方法,对钢管的产品按相关技术标准进行全面统计分析,找出影响质量最关键的性能因素,探讨结合服役条件评价焊缝质量的疲劳方法,并对实际钢管疲劳寿命进行评价,以期实现HFW质量的全面评价。为此,本论文的主要内容如下:

(1)国内自2006年引进F508 mm直缝电阻焊管生产线,但由于没有完全掌握完整的焊接技术,产品的焊接质量存在一定问题。根据产品出现的问题及焊接技术发展,对生产线关键设备和技术进行改进,找出影响焊接质量的关键因素,为提高电阻焊管的焊接质量提供技术支撑。

(2)电阻焊管的焊后热处理对改善焊缝的性能,特别是冲击韧性,焊后热处理具有重要的作用。但由于对热处理工艺技术研究较少,导致焊后热处理过程对焊缝的性能改善不大,研究热处理工艺对HFW焊缝组织的性能的影响,为指导焊后热处理工艺提供理论和试验数据。

(3)虽然经多年设备和工艺技术改进,HFW焊管的质量得到显著的提高,但由于前期电阻焊管的质量问题,电阻焊管在国内的认可度并没有明显改观,原因缺少对钢管质量的总体分析。本文对多批次出口钢管的性能进行了统计分析,目的全面掌握电阻焊管的质量,并找出钢管性能最薄弱的环节及影响因素,为进一步提高钢管的性能提供方向。

(4)焊缝缺陷及其性能和服役安全性的影响是市场对电阻焊管信心不足最根据的原因。钢管在实际应用过程中,其失效方式主要是裂纹在缺陷处的萌生及扩展,疲劳性能也是管线安全设计关键技术指标之一。按国标焊接接头的疲劳试验标准,疲劳试样具有更大的尺寸,而且疲劳裂纹的萌生对缺陷更加敏感,这也意味着疲劳试验可能成为寻找和评价HFW焊缝缺陷更有利的手段。本文采用疲劳试验方法,一方面,研究焊接缺陷对钢管安全性的影响;另一方面,也探索能否通过疲劳断口分析对焊接缺陷进行更准确的分析评价。

(5)电阻焊管在油气管线应用中,钢管的表面不进行任何机械处理,仅采用3PE防腐处理。因此,保持钢管原始表面状态的质量评价,才能更好地实现钢管的完整性评价。本文对钢管焊缝及管体的疲劳性能进行测试,并对比经表面加工表面的结果,分析影响钢管质量的关键因素,为HFW服役安全评估提供试验数据依据。

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