X65級別海底管線鋼低溫CTOD性能研究

余宣洵,趙 虎,孫照陽,吳志文

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心,安徽 馬鞍山 243003)

管道輸送油氣是目前最經(jīng)濟合理的油氣輸送方式[1],以海底管道為重要途徑,遠(yuǎn)距離向陸地輸送海洋平臺開采的油氣資源。與陸地相比,海洋環(huán)境比較惡劣和嚴(yán)峻,海底管道需要滿足高強度、高韌性和良好焊接的要求。

由于海底管道在海洋復(fù)雜環(huán)境中服役時間較長,不僅要受管內(nèi)環(huán)境荷載和流體腐蝕、壓力的作用,如管外波流、海底沖刷淤積、滑移變化等,還要承受如落物對管道的沖擊、漁網(wǎng)、魚線等絲狀物拖拽的意外載荷的作用,這些海底管道也就可能會發(fā)生懸空、移位或損壞等情況。這些隱患對環(huán)境和生產(chǎn)都有很大的威脅,所以要求低溫條件下海底管線用鋼的韌性要高一些,這樣才能防止出現(xiàn)破裂的情況[2]。因此,如何合理有效地評估海洋管道的低溫斷裂韌性,保證海底管道的安全可靠運行,是海洋油氣管道制造極為關(guān)注的技術(shù)問題。

管材低溫韌性的優(yōu)劣是由管材的韌性轉(zhuǎn)變溫度決定的,這也是直接影響材料應(yīng)用范圍和使用安全性的重要指標(biāo)。為了保證石油天然氣管道的安全可靠,防止輸送管道斷裂,必須保證管線用鋼的高韌性要求。

與傳統(tǒng)的夏比沖擊試驗評定方法相比,CTOD(裂紋尖端開啟位移)能全面反映材料的抗裂抗損能力,成為評價低溫韌性的最主要指標(biāo)之一。CTOD,即裂尖開口位移,它是指裂紋體在承受張開載荷后,在原始裂紋尖端兩側(cè)張開的相對距離。CTOD值的大小直接反映了裂紋尖端材料的抗裂能力[3-4],試驗所得到的CTOD值越高,說明材料的抗裂性能越好,即韌性越好,試驗所得到的CTOD值越低,說明材料的抗裂性能越差,即韌性越差。當(dāng)材料的某一臨界值達到裂口尖端的開口位移CTOD 值時,裂口發(fā)生不穩(wěn)定的擴展[5-8]。

CTOD性能是海底管線用鋼低溫斷裂韌性的重要評價指標(biāo),特別是厚規(guī)格產(chǎn)品,用于評價裂紋止裂能力,這直接關(guān)系到海底管線的使用安全性和服役壽命[9]?？筛鶕?jù)國際標(biāo)準(zhǔn)BS7448中規(guī)定的材料實際厚度(即全厚度試樣)進行CTOD試驗制樣。這樣就把原來的結(jié)構(gòu)(板厚)尺寸保存下來了,測出來的韌性性能就比較準(zhǔn)確。這是CTOD試驗優(yōu)于夏比沖擊試驗的重要特征[10]。

海洋管道系統(tǒng)施工規(guī)范DNV-OS-F101規(guī)定,必須對管道鋼材進行CTOD試驗。一般要求ERW焊管海底管路CTOD性能為0 ℃,CTOD值≥0.20 mm,對于低溫CTOD性能,用戶有時根據(jù)使用環(huán)境的不同而提出更高的要求。要求具有優(yōu)良低溫CTOD性能的海底管路用鋼在-20 ℃條件下CTOD值≥0.30 mm,這將大大提高海底管線的使用可靠性和服役時間。所以,研究海底管線鋼的CTOD性能是很有必要的。

本文研究了一種X65級海底管線鋼在不同厚度、不同溫度下的低溫CTOD性能,分析了X65級海底管線鋼在不同厚度、不同溫度下對CTOD值的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方法

1.1 實驗材料

材料選取20.6 mm和14.3 mm厚度規(guī)格的X65級別的海底管線鋼進行低溫CTOD試驗,實驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)如表1所示。實驗用鋼的化學(xué)成分采用了超低P、S、加入微量合金元素(Nb、Ti等)的低碳成分設(shè)計體系。

表1 實驗鋼的化學(xué)成分(wt,%)

表2 實驗鋼的力學(xué)性能

實驗鋼熱軋具體方案為:先將實驗鋼坯用加熱爐加熱至1200 ℃,保溫2小時后,再經(jīng)兩階段軋制并控制冷卻再結(jié)晶區(qū)和未結(jié)晶區(qū),軋制成厚度分別為20.6 mm和14.3 mm的實驗鋼板,出爐溫度控制在1200 ℃左右。終軋溫度控制在860 ℃,卷取溫度控制在450 ℃,實驗鋼的力學(xué)性能如表 2所示。

根據(jù)英國規(guī)范BS-7448的標(biāo)準(zhǔn)要求,在板厚為20.6 mm和14.3 mm實驗鋼板上截取尺寸為9B(長)×2B(寬)×B(厚)的三點彎曲CTOD 試樣,B為實驗鋼板厚度。根據(jù)英國規(guī)范BS-7448確定缺口位置,標(biāo)記需要切割的加工線,缺口加工由線切割完成,缺口采用 V 形坡口,缺口深度為7～10 mm,角度為60°,如圖1所示。

圖1 CTOD試樣加工圖

1.2 實驗方法

采用MTS FlexTest 40 250kN試驗機對加工好的三點彎曲CTOD試樣在室溫下預(yù)制疲勞裂紋。對試樣厚度和寬度分別進行測量,計算出整個預(yù)制裂紋過程中允許施加在預(yù)制疲勞裂紋過程中不能超過此數(shù)值的最大負(fù)荷。初始裂紋長度a0為機械缺口深度加預(yù)制疲勞裂紋的深度,同時應(yīng)保證試樣寬度a0與W=2B的最終初裂長度之比為0.45～0.55。

將預(yù)制裂紋后的CTOD試樣放入低溫混合液中冷卻,混合液為液氮和酒精,在溫度為0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的條件下保溫8 min,采用一次加載方法,直至試樣不穩(wěn)定破裂,記錄負(fù)荷F和裂口開口位移V值,自動繪制P-V曲線;卸載后,失穩(wěn)斷裂試樣經(jīng)二次疲勞后打斷,經(jīng)光學(xué)顯微鏡測定裂紋長度(實際初始紋長度a0和擴展后的裂紋長度口),干燥處理斷口;最后,利用P-V曲線,試樣的CTOD值分別按照式(1)、(2)和(3)計算。

(1)

(2)

T(K)=273.15+t(℃)

(3)

式中:δ為斷裂韌性CTOD值,mm;F為施加的載荷,KN;B為試樣厚度,mm;W為試樣寬度,mm;a0為初始裂紋長度,mm;Rp0.2為實驗鋼的屈服強度,MPa;Vp為缺口張開位移的塑性分量,mm;z為引伸計初始位置到試樣表面的距離,mm;ν為泊松比。

2 實驗結(jié)果及分析

加工后的實驗鋼CTOD試樣分別在0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的試驗溫度下進行CTOD試驗,按上述1.2節(jié)的方法進行試驗,在每個溫度下抽取3個標(biāo)準(zhǔn)試樣進行試驗,結(jié)果值按3次平均值計算,以保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。CTOD試驗結(jié)果如表3所示。δm為最大荷載CTOD值,即最大荷載點或最大荷載平臺起點對應(yīng)的CTOD值。

表3 實驗鋼CTOD試驗結(jié)果

圖2為20.6 mm和14.3 mm厚度實驗鋼的CTOD試驗P-V曲線,從圖中可以看出,20.6 mm厚度實驗鋼在-40 ℃時P-V曲線出現(xiàn)失穩(wěn),但是失穩(wěn)是在載荷F達到最大值后才出現(xiàn)的,所以在-40 ℃時,20.6 mm厚度實驗鋼的CTOD值仍達到1.30 mm。但在-60 ℃和-80 ℃時,P-V曲線均在載荷F上升階段出現(xiàn)失穩(wěn),所以此溫度下其CTOD值很小,所以20.6 mm厚度實驗鋼的CTOD轉(zhuǎn)變溫度區(qū)在-40～-60 ℃。而14.3 mm厚度實驗鋼的P-V曲線在-60 ℃和-80 ℃均未出現(xiàn)失穩(wěn),所以其CTOD值仍保持較高水平。

圖2 20.6mm和14.3mm厚度實驗鋼CTOD試驗的P-V曲線

圖3是實驗鋼在0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的試驗溫度下厚度為20.6 mm、14.3 mm的CTOD值規(guī)律變化圖,從圖中可以看出,在-80 ℃時,厚度為14.3 mm的實驗鋼隨著試驗溫度的降低,CTOD值變化不大。其CTOD值為1.63毫米。而20.6 mm厚度實驗鋼的CTOD值隨試驗溫度降低而降低,在0～-40 ℃之間,其CTOD值降低平緩,在-40 ℃時其CTOD值為1.30 mm,而在-60 ℃以下后,其CTOD值有較大幅度的降低,在-60 ℃時其CTOD 值降低到僅為0.11 mm。

圖3 不同試驗溫度下實驗鋼的CTOD值變化規(guī)律圖

在溫度比較低(-40～-80 ℃)時,厚度增加會降低實驗鋼的CTOD 值,降低材料的斷裂韌性。由于裂紋的尖端區(qū)域隨厚度的增加而由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài),并在缺口的尖端處出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài),使裂口尖端在產(chǎn)生應(yīng)力強化現(xiàn)象的同時,也限制了其塑性的流動,從而使材料易發(fā)生脆性斷裂。

選取-20 ℃試驗溫度下20.6 mm和14.3 mm厚度CTOD試樣斷口進行SEM掃描電鏡觀察微觀組織形貌,如圖4～圖5所示。

圖4 -20 ℃試驗溫度下20.6 mm實驗鋼CTOD試驗試樣斷口形貌

圖5 -20 ℃試驗溫度下14.3 mm實驗鋼CTOD試驗試樣斷口形貌

由圖4～圖5可知,斷口預(yù)制疲勞裂紋區(qū)均表現(xiàn)為疲勞裂紋擴展特征,斷口預(yù)制疲勞裂區(qū)裂紋穩(wěn)態(tài)擴展試樣邊緣表現(xiàn)為剪切特征,說明試樣表面處于明顯的平面應(yīng)力狀態(tài),且實驗鋼在預(yù)制疲勞裂紋階段,裂紋擴展較慢,裂紋尖端較為尖銳。因此,當(dāng)裂紋穩(wěn)定狀態(tài)擴展試樣邊緣表現(xiàn)為剪切特征時,其裂紋穩(wěn)定狀態(tài)擴展試樣邊緣試樣表面呈現(xiàn)平面受力的明顯狀態(tài)。從試樣表面至心部,裂紋穩(wěn)態(tài)擴展完全以韌窩形式發(fā)展,呈現(xiàn)出典型的塑性裂紋擴展特征,且裂紋穩(wěn)態(tài)擴展量較高,中心部位裂紋擴展量Δa均大于1 mm,說明實驗鋼的韌性性能較好。

本文實驗鋼的化學(xué)成分采用低碳、超低P、S、添加微量微合金元素(Nb、Ti等)的成分設(shè)計,得到晶粒度約為12.0級的針狀鐵素體組織,如圖6(a)和(b)所示,圖6(a)為金相顯微組織照片,圖6(b)為SEM掃描電鏡微觀組織形貌照片,圖6(c)～圖(d)為析出粒子照片,圖6(e)和(f)為TEM透射電鏡組織位錯照片。

圖6 實驗鋼顯微組織、SEM和TEM照片

由圖6(a)和(b)可以看出,實驗鋼組織是均勻細(xì)小的針狀鐵素體組織,針狀鐵素體組織是最有效的抗裂紋組織[11],在組織內(nèi)部彌散分布大量細(xì)小的Nb和Ti的析出物和大量的位錯組織,圖6(c)～圖(f)所示,析出物的大小在50～120 nm之間,當(dāng)受到?jīng)_擊時,位錯相互纏繞,并與這些細(xì)小的Nb和Ti的析出物相互釘扎,使得裂紋擴展到此處后很難通過,而裂紋的擴展是靠位錯運動來實現(xiàn)的,釘扎的位錯不容易運動,裂紋就不容易擴展,最終表現(xiàn)為較好的CTOD性能。

3 結(jié)論

采用低碳、超低P、S、添加微量微合金元素(Nb、Ti等)的成分設(shè)計,通過合適的控軋控冷工藝得到細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織,針狀鐵素體組織具有良好的抗塑性變形和阻止裂紋擴展的能力,從而使實驗鋼具有良好的CTOD性能。

(1)20.6 mm厚度實驗鋼的CTOD值隨著試驗溫度降低而降低,在0～-40 ℃之間,其CTOD值降低平緩,其CTOD性能均保持在較高水平,在-40 ℃時其CTOD值為1.30 mm,而在-60 ℃以下后,其CTOD值有較大幅度的降低,在-60 ℃時其CTOD值降低為0.11 mm。

(2)實驗鋼的CTOD性能存在厚度規(guī)格效應(yīng)的影響,14.3 mm厚度實驗鋼隨著試驗溫度的降低,其CTOD性能均保持在較高水平,在-80 ℃下,其CTOD值仍達到1.63 mm。