X70海洋管阻力曲線的測(cè)定研究*

張 超， 祝少華， 牛愛軍， 李 超， 周 云

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

X70海洋管阻力曲線的測(cè)定研究*

張 超1,2， 祝少華1,2， 牛愛軍1,2， 李 超1,2， 周 云1,2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了測(cè)定X70海洋管的阻力曲線，并以此來(lái)描述材料的斷裂行為，采用多試樣法對(duì)X70海洋管焊接接頭進(jìn)行低溫CTOD試驗(yàn)，分別在0℃測(cè)試焊縫、熱影響區(qū)和母材的斷裂韌性并擬合阻力曲線，得到啟裂韌度δ0.2。通過(guò)類比法，確定最小允許值為0.2 mm較為妥當(dāng)。X70海洋管焊接接頭啟裂韌度δ0.2均值大于0.2 mm，顯示韌性良好。結(jié)果表明，其具有良好的抗開裂性能，可免除焊后熱處理，節(jié)約成本，試驗(yàn)結(jié)果為有效評(píng)價(jià)X70級(jí)直縫埋弧焊海洋管焊接接頭提供了可靠依據(jù)。

焊接接頭；CTOD；斷裂韌性；啟裂韌度；阻力曲線

Abstract:In order to detect the resistance curve of X70 marine pipe,so as to describe the fracture behavior of materials.In this article,it used multi-sample method to conduct low temperature CTOD test for X70 marine pipe welded joints.The fracture toughness of weld,HAZ and base metal was tested respectively at 0℃,resistance curve fitting,and the start crack toughness δ0.2was obtained.Through the analogy method,it determined the minimum allowable value of 0.2 mm was more appropriate.The start crack toughness δ0.2average value of X70 marine pipe welded joint is greater than 0.2 mm,showed good toughness.Results showed that it is with good cracking resistance,can be exempted from heat treatment after welding, cost savings.The test results provided a reliable basis for effective evaluation X70 longitudinal submerged arc marine pipe welded joint.

Key words:welded joint；CTOD；fracture toughness；start crack toughness；resistance curve

近年來(lái)，由于海洋開發(fā)從淺海向深海發(fā)展，對(duì)其結(jié)構(gòu)用鋼的要求越來(lái)越高，不僅需要其具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)其應(yīng)具備良好的韌度。海洋管亦呈厚壁化、大型化發(fā)展。

焊接接頭其強(qiáng)度和韌度比較薄弱，容易造成失效，而大部分失效是由于韌度不足造成的，由于焊縫金屬在焊接過(guò)程中冷卻較快，在凝固和相變過(guò)程中焊縫金屬內(nèi)會(huì)形成粗大的柱狀晶粒等，使焊態(tài)焊縫金屬脆化。熱影響區(qū)是母材在焊接熱源作用下，經(jīng)歷特殊的加熱和冷卻循環(huán)后所形成的，組織和性能發(fā)生了變化，出現(xiàn)粗晶脆化、析出脆化和組織轉(zhuǎn)變脆化等，甚至產(chǎn)生微裂紋，這也使熱影響區(qū)韌度降低。鋼板越厚，其焊接接頭的韌度降低越明顯[1-6]。韌度降低容易造成焊接接頭失效，海洋直縫埋弧焊管在海底高壓下軸向裂紋的長(zhǎng)程擴(kuò)展是主要的失效模式之一，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)長(zhǎng)期服役在海洋復(fù)雜環(huán)境下海洋管線的斷裂控制非常重要。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試樣制備

試樣取自寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司生產(chǎn)的X70級(jí)Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊海洋管。試驗(yàn)按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》[10]，參考標(biāo)準(zhǔn)BS7448－1:1991[11]、BS 7448－2:1997[12]，分別在焊縫、熱影響區(qū)、管體橫向取尺寸為20 mm×40 mm（厚度B×寬度W）帶疲勞缺口的三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣，每組10個(gè)。

用5%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣焊縫進(jìn)行腐蝕，通過(guò)焊縫形貌尋找合適的缺口位置。焊縫缺口位于焊縫中心；熱影響區(qū)由于實(shí)際焊接熔合線不規(guī)則性，保證疲勞裂紋尖端距熔合線的距離不超過(guò)0.5 mm非常困難，最優(yōu)方案是在B/2線與熔合線交點(diǎn)處開缺口，在線切割機(jī)上用0.18 mm的鉬絲加工，缺口方向?yàn)榘搴穹较颉?/p>

1.2 預(yù)制疲勞裂紋

試樣尺寸測(cè)量精度為±0.02 mm，采用的MTS 250 kN液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。在室溫下預(yù)制疲勞裂紋，依據(jù)GB/T 21143—2007標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，管體橫向力學(xué)性能見表1。預(yù)制疲勞裂紋采用正弦波，其循環(huán)周次為20 000～26 000，預(yù)制長(zhǎng)度為1.4 mm，均大于1.3 mm和2.5%W，同時(shí)滿足初始裂紋長(zhǎng)度a0為0.45W～0.7W，為保證裂紋平直度，提高預(yù)制疲勞裂紋的成功率，在實(shí)際操作過(guò)程中引發(fā)裂紋的載荷可以適當(dāng)大于理論計(jì)算載荷[13]，同時(shí)可增大擴(kuò)展速率。預(yù)制參數(shù)見表2。

圖1 MTS 250 kN液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)

表1 管體橫向力學(xué)性能

表2 預(yù)制裂紋參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣冷卻

所有備好的試樣在高低溫環(huán)境箱（如圖2所示）中進(jìn)行冷卻保溫，冷卻介質(zhì)為液氮，在環(huán)境箱中氣化，冷卻至0℃保溫，保溫時(shí)間大于20 min，溫度變化控制在±2℃ 。

圖2 高低溫環(huán)境箱

2.2 加載及數(shù)據(jù)處理

（1）多試樣法，要求試樣至少6個(gè)，以COD規(guī)位移控制，加載速率0.01 mm/s，對(duì)每組第一個(gè)試樣加載到接近最大載荷平臺(tái)，卸載并記錄P－V曲線，其余試樣分別加載到預(yù)先選定好的不同位移水平，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的均勻分布。

（2）對(duì)加載完的試樣加熱氧化使其擴(kuò)展裂紋留?。òl(fā)藍(lán)），然后低溫冷卻、脆斷。

在保險(xiǎn)公司內(nèi)部財(cái)務(wù)控制的組織實(shí)施方面，應(yīng)該從保險(xiǎn)公司財(cái)務(wù)管理的實(shí)際需要出發(fā)，明確保險(xiǎn)公司內(nèi)部財(cái)務(wù)控制的目標(biāo)要求，系統(tǒng)的完善保險(xiǎn)公司內(nèi)部財(cái)務(wù)控制的實(shí)施策略，并進(jìn)一步強(qiáng)化保險(xiǎn)公司的內(nèi)部審計(jì)監(jiān)督機(jī)制，以促進(jìn)提高保險(xiǎn)公司財(cái)務(wù)管理的規(guī)范化水平，促進(jìn)保險(xiǎn)公司整體管理水平的提高。

（3）在讀數(shù)顯微鏡下觀察斷口，測(cè)出每個(gè)試樣的初始裂紋長(zhǎng)度a0和裂紋擴(kuò)展量Δa。具體方法為，沿試樣厚度方向取9個(gè)測(cè)試位移分別測(cè)量，其中最外側(cè)的2個(gè)點(diǎn)位于距試樣最小凈截面0.005W處，然后在這兩點(diǎn)間等距取7個(gè)測(cè)試位置（如圖3所示），根據(jù)公式（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算。

圖3 裂紋長(zhǎng)度測(cè)量示意圖

（4）通過(guò)記錄停機(jī)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷F、缺口張開位移Vg及穩(wěn)定擴(kuò)展量Δa，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可計(jì)算得出塑性分量Vp，從而可計(jì)算出裂紋尖端張開位移δ，即

式中：Rp0.2—屈服強(qiáng)度；

υ—泊松比，鋼材一般取0.3；

z—刀口厚度，在本試驗(yàn)內(nèi)刀口厚度為0；

Vp—引伸計(jì)位移塑性分量；

a0—初始裂紋長(zhǎng)度；

g1（a0/W）—與a0/W有關(guān)的系數(shù)；

E—彈性模量；

BN—有效厚度，BN=B。

（5）根據(jù)未發(fā)生失穩(wěn)的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合阻力曲線（按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擬合），擬合形式按公式（4），R曲線中的鈍化線按公式（5），δmax取公式（6）、公式（7）、公式（8）中最小值。

式中：m—系數(shù)，m≥0；

l—系數(shù)，l≥0；

x—系數(shù)，0≤x≤1 。

2.3 有效性判定

預(yù)制疲勞裂紋力不超過(guò)極限值，且載荷比不超過(guò)0.1；預(yù)制疲勞裂紋部分不少于0.025W或1.3 mm的最小值；前后兩個(gè)表面的初始裂紋裂紋長(zhǎng)度之差不超過(guò)平均測(cè)量長(zhǎng)度的15%；疲勞裂紋與缺口的角度在10°以內(nèi)；初始裂紋長(zhǎng)度與試樣寬度的比值滿足0.45≤（a0/W）≤0.70；測(cè)量的任意兩點(diǎn)裂紋擴(kuò)展量之間的差（不含近試樣表面的兩點(diǎn)）不超過(guò)0.05W；全部9個(gè)測(cè)量點(diǎn)中最大和最小的裂紋擴(kuò)展量之差不超過(guò)0.1a0；R擬合曲線中最小一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)要位于鈍化線之外，且滿足Δa在0.1～ 0.3至少有1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，Δa在0.1～0.5 mm至少有2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，總共有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目不少于6個(gè)；所測(cè)得的特征值滿足δ0.2≤δmax。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

Φ914 mm×36.5 mm X70直縫埋弧焊海洋管CTOD試驗(yàn)結(jié)果見表3～表5。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合阻力曲線如圖4～圖6所示。由阻力方程（4）計(jì)算得出啟裂韌度特征值δ0.2見表6。

表3 X70海洋管管母橫向試驗(yàn)結(jié)果（0℃）

表4 X70海洋管熱影響區(qū)試驗(yàn)結(jié)果（0℃）

在焊接接頭韌度評(píng)定方面，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)CTOD最小允許值未做明確要求。國(guó)外起步較早，已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且給出了COTD允許值δmin。例如挪威船級(jí)社在近海結(jié)構(gòu)物（海底管線系統(tǒng)）建造規(guī)范DNV-OS-F101[14]中，給出的CTOD最小允許值為0.2 mm。該船級(jí)社在另一個(gè)（近海結(jié)構(gòu)物建造和試驗(yàn)）規(guī)范DNV-OS-C401[15]給出的CTOD最小允許值為0.15 mm，這些可供同類或相近類型的工程進(jìn)行類比參考[16]。類似工程資料給出的最小允許值δmin見表7。Φ914 mm× 36.5 mm X70直縫埋弧焊海洋管壁厚與表7中海洋平臺(tái)的壁厚最為接近，進(jìn)行類比可以考慮取δmin為0.15 mm或0.2 mm，既符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也符合工程實(shí)例。但考慮到海洋管的服役環(huán)境復(fù)雜，其焊接接頭失效，后果非常嚴(yán)重。因此，取0.2 mm為最小允許值較為妥當(dāng)。

表5 X70海洋管焊縫中心試驗(yàn)結(jié)果 （0℃）

圖4 X70海洋管0℃試驗(yàn)結(jié)果擬合阻力曲線

表6 啟裂韌度δ0.2計(jì)算結(jié)果（0℃）

表7 不同鋼結(jié)構(gòu)CTOD的允許值

2.5 斷口分析

分別從母材及焊縫斷口截取20 mm×20 mm× 10 mm，制備成掃描電鏡試樣，然后將試樣放置S-3700N樣品室內(nèi)進(jìn)行表面微區(qū)組織觀察，結(jié)果如圖5所示。圖5（a）是焊縫斷口形貌SEM照片，斷口呈河流狀分布，為準(zhǔn)解理。圖 5（b）為母材斷口形貌SEM照片，斷口顯示較多的韌窩。

圖5 斷口形貌SEM照片

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果均滿足GB/T 21143—2007標(biāo)準(zhǔn)要求，用多試樣法得到CTOD值擬合阻力曲線，依據(jù)阻力方程計(jì)算Φ914 mm×36.5 mm X70直縫埋弧焊海洋管焊接接頭在低溫（0℃）下的啟裂韌度δ0.2，且母材橫向值＞HAZ＞焊縫，表明母材抗開裂性能最好，HAZ次之，焊縫相對(duì)較差。

（2）分別對(duì)母材、焊縫斷口進(jìn)行分析，焊縫斷口呈河流狀分布，為準(zhǔn)解理，容易導(dǎo)致裂紋萌生，也是韌度降低的主要原因。

（3）Φ914 mm×36.5 mm X70直縫埋弧焊海洋管焊接接頭的評(píng)定通過(guò)“類比法”確定δmin=0.2 mm較為妥當(dāng)，本次試驗(yàn)結(jié)果低溫啟裂韌度δ0.2均大于0.2 mm，即評(píng)定為合格，表明Φ914 mm×36.5 mm X70直縫埋弧焊海洋管在低溫下韌度滿足工程使用要求，具有良好的抗開裂性能，韌性良好，同時(shí)可免除焊后熱處理，大大降低成本，該結(jié)果為其有效評(píng)估提供了重要依據(jù)。

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Detection Research of X70 Marine Pipe Resistance Curve

ZHANG Chao1,2，ZHU Shaohua1,2，NIU Aijun1,2，LI Chao1,2，ZHOU Yun1,2
（1.Chinese National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008, Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE973.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.005

2016-10-21

編輯：李紅麗

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深海高壓油氣輸運(yùn)高強(qiáng)厚壁管材關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目號(hào)2013AA09A219）。

張 超（1986—），男，助理工程師，主要從事力學(xué)方面的檢驗(yàn)分析工作。