電阻焊管的疲勞性能研究

在管線服役過程中，一方面由于管道內輸送壓力波動、氣體介質分層結構；另一方面由于管線外部變動載荷，也會對管體產生交變應力作用。在這種交變應力的作用下，裂紋很可能在管體或焊接接頭的表面或內部的缺陷處萌生并擴展，最終導致疲勞開裂。另外，在油氣管輸送線中，介質中常常含有H 2 S、CO 2、H 2等腐蝕介質，腐蝕與疲勞的雙重作用，加速裂紋的形成和擴展，導致腐蝕疲勞開裂。疲勞及腐蝕疲勞開裂往往沒有明顯的征兆，很難觀察作出相應的對策，而造成災難性后果。因此，在API和ASME的標準中，對管道材料及焊接接頭的疲勞性能均給出了相應的測試和壽命預測方法，管線鋼及鋼管疲勞性能也就成為管道安全設計的基礎數據及使用壽命評估的依據。

管線鋼疲勞性能

美國試驗與材料協會(ASTM)在疲勞試驗及數據統計分析之“有關術語的標準定義”所定義的疲勞是：在集點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。在循環載荷下，疲勞往往發展在外應力遠小于材料的屈服強度的情況，產生低應力的脆性斷裂。在管線輸送的設計中，為提高輸送效率，一般的安全設計系數通常為0.80，管道的壓力所達到管的應力為管線鋼標準規定最低屈服強度的0.80倍(0.8σs)。高壓輸送的壓力波動所帶來的疲勞問題及壽命預測也成為管線鋼管必須考慮的問題。另外，隨海上及極地油氣田的開發，洋流、海浪、動土等外力作用的疲勞問題也更加突出，也促使人們更加重視疲勞性能的研究。

Bussiba等人使用全厚度MT試樣測試了強度級別由B級鋼到X100的6種管線鋼的疲勞裂紋擴展速率。結果表明：6種管線鋼的疲勞裂紋擴展的門檻值、以及第一階段和第二階段擴展的大部分區間內，疲勞裂紋擴展速度相差不大，而裂紋快速擴展階段的疲勞應力強度因子范圍臨界值存在明顯不同。6種管線鋼疲勞裂紋擴展速率(da/dN=C(ΔK m)中的系數C為(1.50~4.11)×10-9，應力強度因子范圍DK指數的m為3.14-3.62。由于鋼的強度等級不同，其成分和性能也不同，但對疲勞裂紋萌生及穩定擴展區的影響不大，但顯著影響快速擴展所需要的應力強度因子ΔK，隨強度的升高，裂紋快速擴展所需的ΔK增大。

馬秋榮等研究了兩種X60鋼和兩種X80鋼的疲勞裂紋擴展速率，并根據疲勞裂紋擴展速率對壽命進行了預測。結果表明，在組織均勻的條件下，X60鋼和X80鋼在穩定擴展區的疲勞裂紋擴展速率相差不大。但對存在強烈帶狀組織的X60鋼，其疲勞裂紋擴展速率顯著增大。在只考慮管線運行啟停壓力波動的條件下，X80鋼的壽命可到76年。

這些研究結果發現，管線鋼的強度級別及組織對疲勞裂紋擴展速率影響不大，這可能和管線鋼均采用低碳微合金設計所獲得的高的強韌性配合有關。但也有研究表明，鋼的組織和性能對疲勞行為有很大的影響。Zhong等研究了鐵素體/珠光體及針狀鐵素體鋼的疲勞性能，結果表明：鋼的組織細化，韌性提高對管線鋼疲勞行為有顯著的影響，具有較細針狀鐵素體的韌性的管線鋼，表現出更低的疲勞裂紋擴展速率。高韌性針狀鐵素體中的高角度晶界及馬氏體/奧氏體(M/A)島狀組織，顯著抑制裂紋擴展。而Guan等對比研究鐵素體+珠光體(F-P)以及鐵素體+貝氏體(F-B)兩種熱軋低碳鋼的疲勞性能。與F-B鋼相比，F-P鋼的疲勞裂紋擴展更容易失穩。與F-B鋼顯微結構相比，F-P的疲勞裂紋具有較強的彎曲性和擴展自由度。然而，F-B鋼存在頻繁的裂紋分支，表明第二硬貝氏體相有效地抑制了裂紋的擴展。在Paris疲勞裂紋擴展區間，F-P鋼的疲勞裂紋擴展速率高于F-B鋼，晶界對裂紋擴展的抗力有一定的影響。而Zhao等在F-B鋼雙相X80鋼的研究發現，F-B鋼的疲勞裂紋擴展曲線(da/dN-DK)中曲線在Paris區存在轉折點。轉折點的存在與裂紋擴展過程中裂紋路徑與斷裂模式有關。隨DK增加時，裂紋尖端的循環塑性區增加，大量位錯在鐵素體邊界、鐵素體與貝氏體邊界以及貝氏體基體M/A島的邊界塞積形成微裂紋，微裂紋改變主裂紋擴展方向和驅動力，從而降低了da/dN隨DK增加時的增長速率。這在不同應力比的條件下也得到證實，不同應力比對應轉折點的DK不同。楊永和等研究了應力比對西氣東輸二線用X80鋼管管體的疲勞性能研究發現，隨應力比的增加，疲勞壽命降低。疲勞裂紋擴展速度da/dN與DK有線性關系，但與一般韌性材料不同，對da/dN與J積分曲線上存在明顯的轉折點，不能用da/dN與J積分表達疲勞性能。

大量數據表明，由于管線鋼高的韌性要求，均具有疲勞性能。當管線在實際運行過程，鋼管的承載包含管體材料及焊縫。Al-Anezi等采用水壓試驗下，模擬研究了螺旋焊管運輸管線失效方式。結果發現，疲勞裂紋在焊縫表面的焊趾處萌生，斷口表面顯示為穿晶斷裂，并在疲勞斷口上出現了疲勞輝紋，這些現象都證明了長輸管線破壞的疲勞損傷機制，而這種損傷更容易發生在焊縫及熱影響區。對管線鋼管更應該關注焊接接頭的疲勞性能。

鋼管焊接接頭的疲勞性能

管線建設實際上是大規模的焊接工程，無論是鋼管生產，還是現場的鋼管連接均采用焊接方式。在焊接過程中，焊接熔覆金屬及熱影響區往往是性能最薄弱的區域，其性能更受到廣泛的關注。

Lee對通過API X65管線鋼管的母材和焊接接頭的組織、拉伸性能和斷裂韌性建立焊接接頭缺陷失效評估圖，并對進行了缺陷評估，結果表明：僅僅微拉伸試驗和裂紋尖張開位移試驗(CTOD)能夠成功地繪制反映焊接熱影響區的疲勞性能的失效評估圖。而Ju等對X65鋼環形焊接接頭的研究表明，焊接熱影響區粗晶區靠近熔合線的區域具有最低的CTOD值和最高的韌脆轉變溫度(DBTT)值，使裂紋擴展加速，細晶區具有最高的韌性，能夠有效的阻擋來自粗晶區的斷裂裂紋。這一結果與Zhao等在鐵素體/貝氏體雙相X80焊接接頭的疲勞性能研究相一致。焊接接頭的疲勞裂紋在焊趾處形成，沿焊接粗晶區快速擴展；隨裂紋擴展進入細晶區，裂紋擴展速率顯著降低；當裂紋通過細晶區后，裂紋擴展速率又逐漸加快。焊接接頭的疲勞裂紋擴展速率與模擬焊接熱影響區試樣的疲勞裂紋擴展速率相差不大。

Seto等研究了帶有缺陷的API X65管線鋼焊接接頭低周疲勞性能，焊接缺陷的條形試樣的疲勞強度與等價的缺陷尺寸成反比例。張華等對西氣東輸X80焊接接頭疲勞性能及壽命預期研究結果表明，對比母材的研究結果，焊接接頭的疲勞性能遠低于母材，其壽命及檢修周期要明顯縮短。

這些焊接接頭疲勞性能的研究結果均是針對采用埋弧焊或氣體保護焊的鋼管焊縫或鋼管對接的環焊縫。焊縫熔覆金屬是經焊材及母材熔化快速凝固的組織；而熱影響區則是經過焊接熱循環后的組織，并存在焊縫余高。雖然焊縫熔覆金屬可能存在的缺陷幾率高于母材，但由于焊縫余高所引起的應力集中作用及熱影響區的性能惡化，焊趾處是疲勞裂紋最主要的萌生位置，顯著降低疲勞性能。

與埋弧焊管不同，高頻壓力焊的HFW焊管，其焊縫通常由1條不大于0.2 mm寬的融合線，以及呈亞腰鼓形對稱分布在融合線兩側的熱影響區構成[12,29,53,97]，內外毛刺均需要經在線去除處理，焊縫沒有焊縫余高，而且焊縫均經過后續的焊后熱處理。這將導致HFW焊管焊接接頭與埋弧焊管焊縫接頭疲勞性能的不同。Tiku等對比ERW融合線、熱影響區及母材的疲勞裂紋擴展速率。熔化線及熱影響區相對于母材具有高的裂紋擴展速率。作者通過大量數據的對比，建立ERW焊管疲勞壽命的評估方法。韓軍等研究了X80 HFW焊管焊縫的疲勞裂紋擴展速率，并對其疲勞壽命進行了評估。應力比對疲勞裂紋擴展速率有很大的影響，隨應力比的增加，疲勞裂紋擴展速率增加，疲勞壽命縮短。Young等通過焊縫的常規力學性能建立了ERW鋼管的評估方法，疲勞性能與組織和常規力學性能有直接的關系。Taylor等通過表面預制裂紋的方法研究缺陷方向對X70 ERW管疲勞性能的影響表明，ERW焊管的焊縫與母材具有相近疲勞裂紋擴展特征，而缺陷方向對疲勞裂紋擴展有顯著的影響，缺口方法與鋼管軸線呈0°角時，裂紋擴展速率最大；而缺口方法與鋼管軸線呈90°角時，裂紋幾乎不擴展。這些研究均以裂紋擴展來表征其疲勞性能，然而對實際管線的疲勞壽命，包含了疲勞裂紋萌生及擴展。Simion等采用全壁厚試樣研究ERW疲勞性能，結果表明影響縱向焊管疲勞性能的因素很多，但最重要的因素是表面質量、橢圓度幾何形狀、韌性和焊接引起的應力集中。由于過渡區(熱影響區)的應力集中，焊接管的疲勞抗力低于無縫管；焊管的韌性與其抗疲勞性能之間存在很強的相關性；焊縫退火導致焊縫的軟化，但也提高了焊縫的韌性，同時提高鋼管的疲勞性能。這一結果也說明，采用全尺寸的疲勞試樣能夠更加全面地評價電阻焊管焊接接頭的疲勞性能。

本文研究的目的和主要內容

自本世紀初，國內一批F508~610 mm大直徑電阻焊管機組相繼建成投產，電阻焊管的產能得到快速擴充，急需開拓新的應用市場。但由于技術消化理解的不足，產品的質量的穩定性差，在實際管線建設中出現了一些質量異議，嚴重的打消了國內油氣管線市場對電阻焊管的信心。經過10多年的消化吸收和技術改進，產品的質量和穩定性取得了顯著的提升，產品的質量已得到國外管線業主的認可，但國內油氣管線行業仍對電阻焊管的質量存在質疑。本論文將針對提高電阻焊管質量和可靠性評價存在的問題，在電阻焊管生產線技術裝備改造基礎上，提出電阻焊管性能及焊接質量評價技術方法，對鋼管的產品按相關技術標準進行全面統計分析，找出影響質量最關鍵的性能因素，探討結合服役條件評價焊縫質量的疲勞方法，并對實際鋼管疲勞壽命進行評價，以期實現HFW質量的全面評價。為此，本論文的主要內容如下：

(1)國內自2006年引進F508 mm直縫電阻焊管生產線，但由于沒有完全掌握完整的焊接技術，產品的焊接質量存在一定問題。根據產品出現的問題及焊接技術發展，對生產線關鍵設備和技術進行改進，找出影響焊接質量的關鍵因素，為提高電阻焊管的焊接質量提供技術支撐。

(2)電阻焊管的焊后熱處理對改善焊縫的性能，特別是沖擊韌性，焊后熱處理具有重要的作用。但由于對熱處理工藝技術研究較少，導致焊后熱處理過程對焊縫的性能改善不大，研究熱處理工藝對HFW焊縫組織的性能的影響，為指導焊后熱處理工藝提供理論和試驗數據。

(3)雖然經多年設備和工藝技術改進，HFW焊管的質量得到顯著的提高，但由于前期電阻焊管的質量問題，電阻焊管在國內的認可度并沒有明顯改觀，原因缺少對鋼管質量的總體分析。本文對多批次出口鋼管的性能進行了統計分析，目的全面掌握電阻焊管的質量，并找出鋼管性能最薄弱的環節及影響因素，為進一步提高鋼管的性能提供方向。

(4)焊縫缺陷及其性能和服役安全性的影響是市場對電阻焊管信心不足最根據的原因。鋼管在實際應用過程中，其失效方式主要是裂紋在缺陷處的萌生及擴展，疲勞性能也是管線安全設計關鍵技術指標之一。按國標焊接接頭的疲勞試驗標準，疲勞試樣具有更大的尺寸，而且疲勞裂紋的萌生對缺陷更加敏感，這也意味著疲勞試驗可能成為尋找和評價HFW焊縫缺陷更有利的手段。本文采用疲勞試驗方法，一方面，研究焊接缺陷對鋼管安全性的影響；另一方面，也探索能否通過疲勞斷口分析對焊接缺陷進行更準確的分析評價。

(5)電阻焊管在油氣管線應用中，鋼管的表面不進行任何機械處理，僅采用3PE防腐處理。因此，保持鋼管原始表面狀態的質量評價，才能更好地實現鋼管的完整性評價。本文對鋼管焊縫及管體的疲勞性能進行測試，并對比經表面加工表面的結果，分析影響鋼管質量的關鍵因素，為HFW服役安全評估提供試驗數據依據。