模擬海水環(huán)境中X60管線鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展

王志成,趙建平,李衛(wèi)衛(wèi)

(1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210000； 2. 南京工業(yè)大學(xué)，南京 210000；3. 上海克硫環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，上海 200000)

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模擬海水環(huán)境中X60管線鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展

王志成1,趙建平2,李衛(wèi)衛(wèi)3

(1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210000； 2. 南京工業(yè)大學(xué)，南京 210000；3. 上?？肆颦h(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，上海 200000)

X60；應(yīng)力腐蝕開裂；擴展速率；臨界應(yīng)力強度因子

海洋環(huán)境十分復(fù)雜，海底管道一旦發(fā)生失效會造成十分嚴重的經(jīng)濟和環(huán)境后果，因此海底管道腐蝕問題一直廣受關(guān)注。對于海水中的油氣管道的而言，有內(nèi)腐蝕和外腐蝕之分，當(dāng)前對管道內(nèi)部介質(zhì)(如含H2S、CO2等成分)引起的腐蝕問題研究較為廣泛，而對于由管道外部海水或海泥引發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂的研究則相對較少。X60管線鋼是當(dāng)前海底管道工程常用的一種材料，因此研究X60管線鋼在海水環(huán)境中應(yīng)力腐蝕裂紋擴展的速率，對于這類管道的安全評價和壽命預(yù)測具有重要的意義。本工作采用改進的WOL預(yù)裂紋試樣研究了某海底管道工程使用的X60管線鋼在海水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗原理

采用改進的WOL預(yù)裂紋試樣進行應(yīng)力腐蝕試驗。在整個試驗過程中，改進的WOL試樣刀口處的初始張開位移基本保持不變，當(dāng)裂紋擴展時，一方面由于裂紋長度a增大，應(yīng)力強度因子KI增大；另一方面隨著裂紋的擴展，加載螺釘松弛，使施加于試件的載荷變小，導(dǎo)致裂紋尖端的KI下降，且載荷下降對KI的影響大于a增大的影響，因此隨著裂紋的擴展，裂紋尖端的KI不斷下降，當(dāng)KI下降到某一值而使裂紋停止擴展，該KI值被認為是應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強度因子KISCC。在試驗過程中，定時測量裂紋的長度，相應(yīng)求得KI值，通過da/dt與KI的關(guān)系，即得到材料的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率。

1.2 試樣的制備

試樣的制備參照了GB/T 15970-1998《金屬和合金的腐蝕-應(yīng)力腐蝕試驗》、GB12445.3-1990《高強度合金楔形張開加載(WOL)預(yù)裂紋試樣應(yīng)力腐蝕試驗方法》和相關(guān)文獻[3-4]。試驗采用恒位移下的改進楔型張開加載(WOL)預(yù)裂紋試樣，試樣采用加載螺栓自身加載，載荷大小由缺口端的張開位移控制。為了抑制裂紋在試驗中分叉，試件采用淺的側(cè)面槽，側(cè)面槽采用半圓形，試樣兩側(cè)面的槽深共為試樣厚度的10%，即0.8 mm，如圖1所示。

圖1 改進WOL試樣圖Fig. 1 Modified WOL specimen

為縮短試驗時間，采用3個平行試樣進行應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率的試驗。

1.3 預(yù)制疲勞裂紋及預(yù)加載荷

改進的WOL試件的試樣缺口用鉬絲切割加工，缺口尖端為圓弧狀，不能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)的真實裂紋，為了模擬和反映結(jié)構(gòu)中存在的尖銳裂紋，對改進的WOL試件進行預(yù)制裂紋。

①預(yù)制疲勞裂紋之前必需用汽油等溶劑將試樣的表面和線切割清洗干凈、吹干；

②試樣的初始裂紋在Pfmax=5.2 kN，載荷幅值為2.4 kN，平均載荷值為2.8 kN，加載頻率f為10 Hz的條件下預(yù)制；

③用于預(yù)制疲勞裂紋的試驗機，對試樣加載時， 應(yīng)做到使切口附近應(yīng)力分布對稱，并且施加載荷的

誤差不超過±2.5%；

④為保證疲勞裂紋分析的有效性，應(yīng)檢查兩側(cè)面上的疲勞裂紋，使與裂紋中心面偏離均不大于10度；

⑤最終裂紋長度至少在側(cè)面越過切口2.5%W或1.25 mm(兩者中的較大值)。裂紋可以在比預(yù)期KISCC高的KI值下預(yù)制，但在裂紋擴展的最后0.5 mm疲勞裂紋要在盡可能低的最高應(yīng)力強度下完成(一般應(yīng)低于預(yù)期的KISCC的60%)；

⑤最終疲勞裂紋的長度，需滿足平面應(yīng)變條件，見式(1)：

(1)

當(dāng)最終裂紋長度與試樣寬度的比值a/w處在范圍0.45～0.55時為最佳，本次試驗的3組試樣的最終預(yù)制裂紋的長度如表1所示。

疲勞裂紋的預(yù)制在南京工業(yè)大學(xué)MTS-880材料疲勞試驗機上完成。

試樣采用加載螺栓自身加載，載荷大小由缺口端的張開位移控制。本工作研究的X60管線鋼屬高強度鋼，參考文獻[3]，試驗施加的初始載荷定為10 kN，對應(yīng)的刀口處的位移量為 0.318 mm。

表1 經(jīng)不同時間后裂紋擴展長度

1.4 試驗步驟及過程

為模擬海水環(huán)境，將試驗環(huán)境定為31.3 g/L的NaCl水溶液(氯離子濃度為19 000 mg·L-1)。測量裂紋的工具為20倍的讀數(shù)顯微鏡。在讀數(shù)顯微鏡上測量并記錄表面初始裂紋長度；用注射針注射試驗溶液用以排除試樣預(yù)裂紋內(nèi)的空氣并盡快放入盛有已配制好試驗溶液的容器中。用讀數(shù)顯微鏡定期跟蹤觀測，記錄裂紋擴展長度及相應(yīng)的時間當(dāng)裂紋速率小于或等于1×10-10mm/s時，試驗終止；拉斷試樣；測量裂紋長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果與處理方法

從試樣放入試驗容器并與介質(zhì)接觸開始計時，每間隔一段時間對WOL試樣的裂紋長度進行測量，獲得其裂紋擴展后的長度如表1所示。

為了求得應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt和應(yīng)力強度因子KI的關(guān)系，并得到應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強度因子KISCC，首先根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算應(yīng)力強度因子KI：

(1)

2.2 裂紋擴展速率的計算

將表1獲得的結(jié)果的數(shù)據(jù)進行處理，以lg(da/dt)為縱坐標，KI為橫坐標作圖，可得到一條曲線，如圖2所示。曲線表明了應(yīng)力腐蝕裂紋擴展的Ⅰ、Ⅱ兩個階段即裂紋初始擴展階段Ⅰ和穩(wěn)定擴展階段Ⅱ。穩(wěn)定擴展階段的da/dt為一常數(shù)，通常稱為應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率。

圖2 WOL試樣在19 000 mg·L-1的氯離子水溶液中的da/dt與KI之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between da/dt and KI for WOL specimens in 19 000 mg·L-1 Cl- solution

通過用 Boltzmann函數(shù)擬合曲線求平臺裂紋擴展速率，將三個試樣的所有測試數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見圖3，得到在模擬海水環(huán)境中，X60管線鋼焊縫材料的da/dt=6.4×10-7mm/s。

圖3 Boltzmann 函數(shù)擬合結(jié)果曲線Fig. 3 Fitting curve by Boltzmann function

2.3 臨界應(yīng)力強度因子KISCC的確定

(1) 試驗終止時WOL試樣斷口上的有效裂紋長度

(2)

式中:a1、a2、a3分別為斷口上厚度B的方向四等分線處的裂紋長度。

(2) 臨界應(yīng)力強度因子KISCC

3 結(jié)論

[1] 郭琦龍，辜志俊，蘇方騰． 海底管道的防腐蝕[J]． 腐蝕與防護，1996,17(5)：195-197.

[2] 劉鶴霞，張高林，趙景茂，等． 四種鋼材在含CO2鹽水溶液中的腐蝕行為[J]． 腐蝕與防護，2007(4)：202-204.

[3] 吳蔭順． 腐蝕試驗方法與防腐蝕檢測技術(shù)[M]． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

[4] 潘衛(wèi)軍，劉慶剛，沈士明． X60螺旋焊管的應(yīng)力腐蝕開裂試驗研究[J]． 壓力容器，2006(10)：13-15.

SCC Propagation of X60 Pipeline Steel in Simulated Seawater Environment

WANG Zhi-cheng1, ZHAO Jian-ping2, LI Wei-wei3

(1. Jiangsu Special equipment Safety Supervision & Inspection institute, Nanjing 210000, China; 2. Nanjing Tech University, Nanjing 210000, China; 3. Shanghai Clear Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

X60 pipeline steel; SCC; crack growth rate; critical stress intensity factor

2014-03-04

王志成(1981-),工程師,碩士,從事石化裝置風(fēng)險評估及結(jié)構(gòu)完整性方面的研究,13913027206,zhichengw@tom.com

TG172

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1005-748X(2015)01-0081-03