X80大應(yīng)變管線鋼焊接熱影響區(qū)疲勞性能的研究

謝志遠，喬桂英,，趙作鵬，楊瑋瑋，李國鵬，肖福仁

（1.燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；2.燕山大學(xué) 材料與科學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；3.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658）

X80大應(yīng)變管線鋼焊接熱影響區(qū)疲勞性能的研究

謝志遠1，喬桂英1,2，趙作鵬2，楊瑋瑋3，李國鵬3，肖福仁2

（1.燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；2.燕山大學(xué) 材料與科學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；3.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658）

為了研究X80大應(yīng)變管線鋼焊接熱影響區(qū)疲勞性能，采用MTS和INSTRON萬能力學(xué)試驗機測得了全壁厚X80大應(yīng)變鋼管焊接接頭的疲勞壽命及焊接熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率，并采用Gleeble-3500熱模擬試驗研究了焊接熱循環(huán)不同峰值溫度對組織和性能的影響。結(jié)果表明，焊接接頭的疲勞性能顯著降低，在相同的疲勞壽命條件下，其疲勞裂紋應(yīng)力降低約100 MPa以上；疲勞裂紋均在焊趾處萌生，并向內(nèi)沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴展；而疲勞裂紋在熱影響區(qū)的擴展速率隨其通過的不同區(qū)域而變化。經(jīng)焊接熱循環(huán)后，熱影響區(qū)呈現(xiàn)弱化趨勢，強度最低點出現(xiàn)在細晶區(qū)，然而細晶區(qū)良好的塑韌性有利于抑制疲勞裂紋擴展，改善疲勞性能。

焊管；X80管線鋼；焊接接頭；疲勞；熱影響區(qū)

Abstract:In order to know the fatigue performance of X80 large strain pipeline steel heat affected zone,the fatigue life of full-thickness X80 large strain pipeline steel welded joint and fatigue crack propagation rate of welding heat affected zone were investigated using MTS and INSTRON universal mechanical testing machine,and the influence of different peak temperature of welding thermal cycle on microstructure and mechanical properties were studied by using Gleeble-3500 thermal simulation experiment.The results indicated that the fatigue life of welded joint decreases remarkably.Under same fatigue life conditions,the fatigue stress of welded joint reduced by more than 100 MPa;The fatigue cracks generate at the toe of weld,and propagate along heat affected zone.While,the fatigue crack propagation rate changes when it grows in different heat affected zone.After welding thermal cycle,the heat affected zone shows a trend of weakening,and lowest strength appears at fine grain heat affected zone.However,the excellent ductility and toughness of fine grain benefit to inhibit fatigue crack propagation,and improve the fatigue properties.

Key words:welded pipe;X80 pipeline steel;welded joint;fatigue;heat affect zone

疲勞性能是管線運營安全設(shè)計和壽命預(yù)測的重要技術(shù)指標(biāo)之一[1-2]，而疲勞裂紋的萌生往往發(fā)生在局部缺陷或應(yīng)力集中處[3]。焊接接頭是管線鋼管性能最薄弱的區(qū)域，特別是焊接熱影響區(qū)，由于焊接熱循環(huán)的作用導(dǎo)致其組織和性能的顯著惡化[4-5]，將促使疲勞裂紋易于在性能最薄弱處產(chǎn)生；另外，由于焊縫熔敷金屬余高產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響，也將促使疲勞裂紋在熱影響區(qū)形成。因此，對焊接接頭疲勞性能的研究更應(yīng)關(guān)注熱影響區(qū)的性能。總疲勞壽命包含了疲勞裂紋萌生及擴展壽命，且疲勞裂紋擴展壽命的影響更大，是疲勞壽命預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)[6-7]。雙面埋弧焊管的焊接接頭易在焊接熱影響區(qū)形成疲勞裂紋，但由于焊縫金屬形狀的影響，疲勞裂紋在擴展時可能會連續(xù)穿過粗晶區(qū)、細晶區(qū)、兩相臨界區(qū)等不同的熱影響區(qū)域。由于焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域的組織和性能差異較大，對疲勞裂紋擴行為會產(chǎn)生顯著的影響[8]。因此，對管線鋼管焊接接頭疲勞性能的研究應(yīng)考慮熱影響區(qū)不同區(qū)域組織和性能對疲勞裂紋擴展的影響。

本研究以X80大應(yīng)管線鋼管焊接接頭為對象，分析了焊接接頭疲勞強度及熱影響區(qū)疲勞裂紋的擴展速率，并采用熱模擬試驗機模擬了不同峰值溫度條件下該鋼的組織、拉伸性能及疲勞裂紋擴展速率，為大應(yīng)變管線焊接接頭疲勞性能研究及壽命預(yù)測提供試驗參數(shù)。

1 試驗材料與方法

本試驗用焊縫疲勞性能試樣截取自國內(nèi)某鋼管廠采用串列四絲埋弧焊機組生產(chǎn)的Φ1 219 mm×26.4 mm規(guī)格大應(yīng)變X80鋼管。母材化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

焊接接頭的疲勞強度試樣選用全板厚不去焊縫余高試樣，疲勞試驗采用拉-拉加載，應(yīng)力循環(huán)曲線為正弦形曲線，應(yīng)力比R為0.1，頻率為10 Hz。焊接熱影響區(qū)疲勞裂紋擴展試驗采用三點彎曲法，試樣在實際焊縫截取，經(jīng)腐蝕確定熱影響區(qū)位置，預(yù)制疲勞裂紋尖端處于熱影響區(qū)粗晶區(qū)位置。對焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域，由于實際焊縫區(qū)域較小，且具有一定的形狀因素，很難獲得試驗要求的試樣。本試驗采用Gleeble-3500熱模擬試驗機，按實際工藝參數(shù)模擬獲得不同峰值溫度的試樣。采用三點彎曲方法，測定其相應(yīng)試樣的疲勞裂紋擴展速率；同時采用拉-拉加載方式測定了典型區(qū)域的疲勞壽命，從而研究熱影響區(qū)不同區(qū)域組織對疲勞裂紋擴展及壽命的影響。

表1 試驗用大應(yīng)變X80焊管用材的化學(xué)成分 %

表2 試驗用大應(yīng)變X80焊管用材的力學(xué)性能

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的疲勞性能

圖1 X80大應(yīng)變焊管焊接接頭疲勞壽命及熱影響區(qū)疲勞裂紋擴展曲線

X80大應(yīng)變鋼管焊接接頭的拉-拉疲勞壽命及焊接熱影響疲勞裂紋擴展速率測試結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可見，與母材相比，焊縫的疲勞性能明顯降低。在相同的疲勞壽命條件下，焊接接頭的疲勞強度與母材相比降低100 MPa以上。在最大應(yīng)力為X80鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大屈服強度550 MPa時，其疲勞循環(huán)周次為3.93×104周次。隨最大應(yīng)力的降低，疲勞循環(huán)周次增加。當(dāng)最大應(yīng)力降低到310 MPa時，其疲勞循環(huán)周次僅增加到3.29×105周次。當(dāng)最大應(yīng)力進一步降低時，疲勞循環(huán)周次顯著增加。對X80管線鋼，其安全設(shè)計系數(shù)一般為0.8。按最小屈服強度555 MPa計算的實際使用最大應(yīng)力為444 MPa時，焊接接頭的疲勞壽命約為1.1×105周次。因此，對管線鋼管的疲勞性能研究更應(yīng)關(guān)注焊接接頭的疲勞性能。

由圖1（b）可見，在實際焊接接頭熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展中，疲勞裂紋速率隨裂紋尖端應(yīng)力強度因子的增加呈現(xiàn)出先穩(wěn)定增大，再減小并趨于穩(wěn)定，而后再快速增加的規(guī)律（見圖1）。當(dāng)ΔK大于18 MPa·m1/2時，疲勞裂紋速率快速呈線性增大；而ΔK增大到23 MPa·m1/2時，裂紋擴展速率增加量開始減緩；當(dāng)ΔK增大到25 MPa·m1/2時，疲勞裂紋擴展又進入穩(wěn)定擴展區(qū)，疲勞裂紋擴展速率明顯降低；當(dāng)ΔK增大到36 MPa·m1/2時，當(dāng)按裂紋擴展又進入快速擴展區(qū)，并最終進入快速擴展區(qū)。而結(jié)合裂紋擴展距離及相對應(yīng)的熱影響區(qū)不同區(qū)域分別為粗晶區(qū)、細晶區(qū)和臨界兩相區(qū)。由于試樣尺寸原因，沒有反映出裂紋在回火時效區(qū)及母材的擴展情況。但由該結(jié)果可見，焊接熱影響不同區(qū)域的疲勞裂紋擴展行為有顯著不同，這與熱影響區(qū)不同區(qū)域的組織及性能有關(guān)。

2.2 焊接熱影響區(qū)的性能

圖2給出了模擬典型峰值溫度焊接熱影響區(qū)的拉伸曲線及疲勞壽命。由圖2（a）可見，經(jīng)焊接熱循環(huán)后，熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，強度明顯降低。在峰值溫度為1 350℃的粗晶區(qū)，僅為屈服強度為580 MPa，遠低于母材的強度，而且塑性也較低；隨峰值的降低，強度也相應(yīng)降低；在峰值溫度為950℃時，強度降低，僅為490 MPa（最低值）；隨峰值溫度的進一步降低，強度開始回升。另外由拉伸曲線看，當(dāng)峰值溫度高于1 150℃，拉伸曲線的特征基本相同，而峰值溫度為1 050℃和950℃的曲線特征相同，這說明在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)應(yīng)有相似的組織特征。

圖2 峰值溫度對熱影響區(qū)強度及疲勞壽命的影響

由圖2（b）可見，在最大幅值應(yīng)力為600 MPa的條件下，當(dāng)峰值溫度為1 350℃，其疲勞壽命僅為742周次；而當(dāng)幅值應(yīng)力降低到550 MPa時，其疲勞壽命則可達3.4×105周次。而當(dāng)峰值溫度為1 100℃和900℃時，在幅值應(yīng)力為600 MPa的條件下，其疲勞壽命則分別到達1.3×105周次和8.9×105周次；而當(dāng)幅值應(yīng)力為550 MPa的條件下，其疲勞壽命則達到2×106周次仍未斷裂。這一結(jié)果說明，焊接熱影響粗晶區(qū)疲勞性能差，而細晶區(qū)疲勞性能則明顯高于粗晶區(qū)。

2.3 焊接熱影響區(qū)的組織

圖3給出了模擬典型不同峰值溫度條件下熱影響區(qū)的組織。在峰值溫度為1 350℃時，由于加熱溫度高、高溫停留時間較長，導(dǎo)致原奧氏體晶粒長大，冷卻后的組織主要為板條貝氏體和粒狀貝氏體組織。在組織中，原奧氏體晶界清晰可見，另外存在大量粒狀及片狀M/A島分布在鐵素體基體上或貝氏體板條間及原奧氏體晶界處。隨著峰值溫度降低到1 100℃時，奧氏體晶粒明顯減小，組織也主要轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤钬愂象w為主，M/A島狀組織主要以粒狀分布在基體中，且數(shù)量也明顯減少，原奧氏體晶界弱化。當(dāng)峰值溫度降低到1 000℃時，針狀組織為組織鐵素體組織，原奧氏體晶界消失。當(dāng)峰值溫度降低到900℃時，組織進一步細化，且有細小的多邊形鐵素體出現(xiàn)。

由上述結(jié)果可見，焊接接頭的疲勞強度顯著低于母材（見圖1（a））。疲勞裂紋萌生在焊趾處，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴展。而在疲勞裂紋擴展過程中，疲勞裂紋擴展速率則存在明顯變化（見圖1（b）），說明焊接熱影響區(qū)中不同區(qū)域的組織和性能對疲勞裂紋擴展有顯著的影響。由熱模擬的結(jié)果可見，經(jīng)焊接熱循環(huán)后，在焊接粗晶區(qū)，強度呈現(xiàn)弱化的趨勢，組織為粗大的粒狀貝氏體和板條貝氏體，且在貝氏體基體上分布大量的M/A島狀組織（見圖 3（a））， 疲勞壽命也較低（見圖 2（b）。 在疲勞裂紋擴展中，粗大的貝氏體板條間的小角度晶界對裂紋擴展的抑制作用較弱，而粗大M/A島則促進裂紋擴展[8]。這也就導(dǎo)致實際焊接熱影響區(qū)開始由粗晶區(qū)擴展時，具有較高的疲勞裂紋擴展速率（見圖1（b））。隨峰值溫度的降低，熱影響區(qū)強度降低，但塑韌性提高（見圖2（a）），且組織細化（見圖 3（b）～圖 3（d））， 對疲勞裂紋擴展的抑制作用得到改善，實際焊接接頭熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率降低（見圖 1（b））。

圖3 焊接熱模擬不同峰值溫度條件下的金相組織

然而，對比實際焊接接頭和熱模擬試樣的疲勞性能發(fā)現(xiàn)，熱模擬試樣的疲勞壽命顯著高于焊接接頭。對熱模擬試樣的疲勞試驗，疲勞幅值應(yīng)力大于試樣的屈服強度，為典型的低周疲勞，其疲勞壽命以裂紋形成為主[6]。由于其試樣表面高的加工質(zhì)量，其疲勞裂紋形成難，就表現(xiàn)出高的疲勞壽命，這說明試樣表面質(zhì)量對疲勞裂紋的萌生有顯著的影響[9]。而實際焊接接頭的試樣保持原軋制鋼板的表面，且在焊趾處由于焊縫余高及焊縫金屬與基體的界面所形成的應(yīng)力集中，以及熱影響區(qū)強度的弱化，促使疲勞裂紋由此處在較低的應(yīng)力條件下就能形成，并沿?zé)嵊绊懘志^(qū)快速擴展。雖然當(dāng)疲勞裂紋進入細晶區(qū)后擴展速率會有所減慢，但細晶區(qū)的區(qū)域較小，且由于裂紋較深，裂紋尖端應(yīng)力場強度因子較大，裂紋擴展仍會在較高的速率下擴展，從而導(dǎo)致實際焊接接頭的疲勞性能顯著低于熱模擬試樣。因此，在實際鋼管的疲勞壽命研究中，還應(yīng)以實際鋼管焊接接頭的疲勞壽命為依據(jù)。

3 結(jié) 論

（1）X80大應(yīng)變鋼管焊接接頭疲勞性能顯著低于母材，疲勞裂紋在焊趾處萌生，并沿粗晶區(qū)快速向內(nèi)擴展。疲勞裂紋在擴展過程中，由于熱影響區(qū)不同區(qū)域組織和性能的不同，疲勞裂紋擴展速率也隨擴展路徑發(fā)生變化。疲勞裂紋在粗晶區(qū)擴展速率快，在細晶區(qū)疲勞裂紋擴展速率減緩，而在兩相區(qū)疲勞裂紋擴展速率又有所增加。

（2）經(jīng)焊接熱循環(huán)后，X80鋼焊接粗晶區(qū)的強度也表現(xiàn)出明顯的弱化趨勢，而且由于組織粗化，塑性韌性降低，對疲勞裂紋萌生及擴展的抑制作用較弱，疲勞性能較低。隨峰值溫度的降低，在峰值溫度為900~1 050℃的細晶區(qū)，強度降低到最低值，但由于組織細化，塑韌性提高，疲勞性能也得到改善，使疲勞裂紋擴展速率降低。

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Research on Fatigue Performance of X80 Large Strain Pipeline Steel Heat Affected Zone

XIE Zhiyuan1,QIAO Guiying1,2,ZHAO Zuopeng1,YANG Weiwei3,LI Guopeng3,XIAO Furen1
（1.Environment and Chemical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei， China；2.College of Materials Science&Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei， China；3.CNPC Bohai Equipment Research Institute Transmission Equipment Branch Institute,Qingxian 062658,Hebei， China）

TG406

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.004

2017-03-28

編輯：羅 剛

謝志遠（1992—），男，碩士研究生，燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，主要從事微合金及其焊接研究工作。