X90/X100管線鋼超聲疲勞斷口分析

李炎華，池 強，李 鶴，陳宏遠，吉玲康

1.中國石油集團石油管工程技術研究院 （陜西 西安710077）

2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 （陜西 西安710077）

目前，我國天然氣消費量年均增長率以“加速度”方式遞增，國內的天然氣需求一直存在著巨大缺口，且我國天然氣資源和進口天然氣主要集中在西部地區，需要通過管道實現“西氣東輸”。高壓大流量長距離輸送是我國天然氣輸送管道技術的發展方向，而提高管道材料的強度是增加管道輸量的有效方式。以500×108m3/a輸量為例，X90/X100與X80相比，可以有效減小壁厚從而降低鋼管制造難度，節約鋼管采購成本。據測算，在管線的口徑和壓力確定后，鋼級每提高一個等級，可以減少用鋼量約8%～12%。因此，X90/X100管線鋼的應用是輸氣管道向更高壓力、更大口徑發展最為有效和經濟的途徑[1-5]。

對于高鋼級管線鋼中的大型夾雜物，在西氣東輸二線板材和鋼管的質量評價過程中發現這些大型夾雜物的存在會對高鋼級管線鋼的使用性能帶來潛在危害。X90/X100管線鋼的強度更高，可能對大型夾雜物的敏感性更大，但大型夾雜物的出現具有隨機性，給取樣檢測評價帶來很大困難。如何建立或者規范相關檢測技術，是表征X90/X100板材、鋼管產品中大型夾雜物水平的關鍵所在。由于超聲疲勞試驗方法可以在很短的時間周期內獲得完整疲勞斷口，而如果試樣在斷面最大夾雜物部位起裂，即有可能表征出夾雜物尺寸與X90/X100管材疲勞性能之間的關系。

1 夾雜物在疲勞斷口上的典型特征

研究人員針對含夾雜物的FV520B高強度不銹鋼進行了疲勞研究，研究結果表明，在含夾雜物的高強度不銹鋼斷口上，夾雜物通常會呈現出“魚眼”特征，如圖1所示。這種特征也成為判斷金屬構件是否從夾雜物處疲勞開裂的主要依據。

研究人員針對4種碳鉻鋼進行了超聲扭轉疲勞試驗[6-8]，研究結果表明：疲勞裂紋主要萌生于MnS和氧化物夾雜，斷口上可見魚眼特征，如圖2所示。這一研究結果再次說明，夾雜物導致金屬疲勞開裂的主要斷口特征為“魚眼”標記。

圖1 高強度不銹鋼斷口上的“魚眼”特征

圖2 高強度不銹鋼斷口上的夾雜物特征、“魚眼”特征

研究人員針對鎳基合金夾雜物在疲勞開裂過程中的角色進行了研究，結果表明：疲勞裂紋率先在夾雜物內萌生，萌生后經歷近5 000周循環后擴展到夾雜物外面。圖3給出了夾雜物在鎳基合金中的形貌。圖4給出了裂紋在夾雜物處萌生時的掃描電鏡二次電子像[9-13]。

圖3 高強度不銹鋼斷口上的夾雜物特征

圖4 鎳基合金中夾雜物附近的滑移帶以及夾雜物處開裂

針對夾雜物在金屬疲勞開裂過程中的行為研究越來越多，但主要針對的是高強度的合金，如高強鋼，高溫合金等，這些合金的強度一般在1 500 MPa以上，屈服強度也高于1 000 MPa。針對夾雜物對低屈服強度材料疲勞行為研究的報道仍然較少。

2 夾雜物對X90/X100管線鋼疲勞行為的影響

超聲疲勞試驗技術與傳統疲勞試驗技術不同，超聲疲勞試樣一端自由，另一端與位移放大器相聯接，在位移放大器的激勵下發生諧振，并在試樣中生成諧振波。因此，超聲疲勞試樣的設計必須滿足試驗系統諧振條件[14-16]。超聲疲勞樣品如圖5所示。

圖5 圓形超聲疲勞試樣

超聲疲勞研究具有獨特的優點：由于其高頻率，縮短試驗時間數百倍乃至上千倍，因而適用于循環周次極高的壽命試驗和極低裂紋擴展速率研究，尤其對疲勞極限和裂紋擴展門檻值的研究；節省時間，可作更多的試驗，獲得更多的結果等。

圖6給出了X90樣品超聲疲勞斷口的宏觀像。可以看出斷口有明顯發熱燒傷的發藍特征，所有斷口均可以分為3個典型區域：裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區，同時在斷口上還能觀察到明顯的疲勞弧線。

圖6 X90樣品超聲疲勞斷口宏觀像

前面研究結果表明：夾雜導致鋼疲勞開裂的斷口上具有顯著的“魚眼”特征。在針對某X90管線鋼樣品進行超聲疲勞試驗后，通過斷口掃描電鏡觀察，如圖7所示，在該管線鋼超聲疲勞斷口的裂紋源處并未見到在夾雜物萌生疲勞裂紋產生的“魚眼”特征，這說明夾雜物并不是引起管線鋼疲勞開裂的主要原因。在管線鋼中現有夾雜物的水平下，夾雜物不會引起管線鋼疲勞開裂。

夾雜物在高強度鋼的疲勞斷裂過程中將扮演重要角色，在高強度鋼的疲勞開裂過程中，裂紋通常從夾雜物處萌生。但是，進一步觀察發現：管線鋼的超聲疲勞裂紋均從表面萌生。這一結果也說明：夾雜物對X90/X100管線鋼的疲勞行為影響較小。

圖7 X90管線鋼超聲疲勞裂紋源掃描電鏡二次電子像

圖8給出了從某X100管線鋼特征位置樣品超聲疲勞斷口的掃描電鏡二次電子像。超聲疲勞樣品的裂紋源位于樣品的邊緣。因此，該樣品的疲勞裂紋是從表面萌生的，在斷口上未見明顯的“魚眼”特征，在裂紋源處也未見夾雜物，這表明該樣品的疲勞開裂并非由夾雜物引起。

圖8 X100樣品超聲疲勞斷口掃描電鏡二次電子像

經分析，其主要原因在于X90/X100管線鋼一般塑性較好，當材料受外載荷作用時，在材料內部夾雜物不容易引起較強的應力集中，即使產生應力集中也較容易通過塑性變形降低應力集中的影響。相反，在高強度金屬材料中，夾雜物處容易導致較強的應力集中。一方面，夾雜物的強度不如基體，所以在夾雜物處率先萌生疲勞裂紋；另一方面，疲勞裂紋萌生以后，由于基體變形能力較差，不容易通過塑性變形消耗應力集中對基體的影響，因此裂紋擴展導致最終疲勞斷裂。此外，夾雜物在高強度鋼中疲勞試驗時，其內部萌生疲勞裂紋后可能還存在缺口效應。研究表明：X90/X100管線鋼的屈服強度一般集中在600～900 MPa，屬于強度較低的材料，夾雜物對管線鋼疲勞斷裂影響較小，在管線鋼受循環載荷時，一般不會在夾雜物處萌生疲勞裂紋。X90/X100管線鋼疲勞斷口在超聲疲勞過程中的散熱狀況較差，導致局部發熱也可能是導致超聲疲勞斷口在試樣表面起源的重要因素。

3 結論

夾雜物導致金屬構件疲勞斷裂后，其斷口上的主要特征是“魚眼”特征。在管線鋼超聲疲勞斷裂的樣品的斷口上均未見“魚眼”特征，這說明在管線鋼受交變載荷或循環載荷作用時，夾雜物對管線鋼疲勞性能影響較小，不容易導致管線鋼疲勞開裂，管線鋼的疲勞裂紋主要從樣品表面萌生。

對于X90/X100管線鋼，較容易通過塑性變形，消耗夾雜物引起的應力集中，所以不容易從夾雜物處萌生疲勞裂紋；對于高強度材料，不容易通過塑性變形消耗夾雜物引起的應力集中，夾雜物的強度本身低于基體，所以容易在夾雜物萌生疲勞裂紋并最終導致其疲勞裂紋。