16 Mn鋼海底管道材料疲勞裂紋擴展試驗研究*

張衡鏡 邵永波 楊冬平

(1. 西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500； 2. 中國石化勝利油田分公司技術檢測中心 山東東營 257062)

海底管道長期處于惡劣多變的海洋環(huán)境中，在外部載荷及管內流體的綜合作用下易發(fā)生失效破壞[1-2]。研究表明，波浪和海流的反復沖刷作用及海底地形變化導致海管形成懸空段，繼而引發(fā)疲勞破壞是海管失效的主要原因[3-4]。此外，海水腐蝕也是加劇海底管道疲勞失效的關鍵因素[5]。海底管道材料疲勞性能的研究是海底管道腐蝕疲勞失效分析的基礎。16 Mn鋼是勝利油田海底管道工程中曾經(jīng)使用的管道材料，現(xiàn)仍有部分16 Mn鋼海底管道處于服役周期。對于16 Mn鋼的疲勞性能，國內外學者開展了部分試驗研究并取得了一定進展。熊纓 等[6]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，溫度、試件厚度對16 Mn鋼的疲勞裂紋擴展速率有顯著影響；劉彥國 等[7]在研究NaCl溶液對16 Mn鋼的腐蝕疲勞壽命影響時發(fā)現(xiàn)，在一定濃度的NaCl溶液中，16 Mn鋼的疲勞壽命顯著降低且不存在腐蝕疲勞極限；Mehmanparast等[8]發(fā)現(xiàn)了加載頻率與海水環(huán)境下金屬的疲勞裂紋擴展行為有關的現(xiàn)象。

目前，國內外還缺少對全尺寸海底管道鋼材在海水環(huán)境下的疲勞裂紋擴展和壽命預測的深入研究。本文采用取自足尺度海底管道縱向和環(huán)向的16 Mn鋼制成標準緊湊拉伸(CT)試件，在相同載荷、應力比及室溫條件下進行了以取材方向(裂紋擴展方向為管道縱向與管道環(huán)向)和試驗環(huán)境(空氣、海水)為變量的16 Mn鋼疲勞裂紋擴展試驗，采用裂紋張開位移法(COD)直接測量和背面應變片法(BFS)間接測量的方式來測量CT試件在空氣和海水中的裂紋擴展長度，進而得到了不同變量條件下的裂紋擴展速率與應力強度因子范圍之間的關系，并分析了取材方向與試驗環(huán)境對16 Mn鋼疲勞裂紋擴展行為的影響。最后，根據(jù)試驗結果線性擬合出了不同取材方向及不同測試環(huán)境下的Paris材料常數(shù)C和m，從而為足尺度16 Mn海底管道疲勞壽命預測提供了基本參數(shù)依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與設備

根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗方法(GB/T228—2002)》[9]設計16 Mn鋼的標準拉伸試件，在拉伸試驗機上對材料進行力學性能測試，得到材料的彈性模量為208 GPa、屈服強度為370 GPa、泊松比為0.29。按照《金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法(GB/T 6398—2017)》[10]，并參照ASTM E647[11]相關規(guī)定制成標準CT試件(圖1)。試件制作時，分別沿管道軸向和環(huán)向取件(圖2)。16 Mn鋼疲勞裂紋擴展試驗在STM793疲勞試件機上進行，不同取材方向及不同測試環(huán)境下的試驗編號及對應參數(shù)見表1。

圖1 本試驗中16 Mn鋼海管標準CT試件尺寸(單位：mm)Fig .1 Standard CT specimens dimensions of 16 Mn steel submarine pipeline in the test(unit：mm)

圖2 本試驗中16 Mn鋼海管CT試件取樣示意圖(單位：mm)Fig .2 CT specimens sampling of 16 Mn steel submarine pipeline in the test(unit：mm)表1 本試驗中16 Mn鋼海管不同取材方向及測試環(huán)境下 的疲勞裂紋擴展試驗編號及參數(shù)Table 1 Fatigue crack propagation test numbers and parameters of 16 Mn steel submarine pipeline under different directions and test environment in the test

試驗編號取件方向試驗環(huán)境 應力比加載頻率/Hz最大荷載/kNA-1縱向空氣0.11011A-2環(huán)向空氣0.11011S-1縱向海水0.10.511S-2環(huán)向海水0.10.511

1.2 裂紋拓展過程測量方法

對于空氣環(huán)境中的疲勞試驗，采用背面應變法(BFS)和COD規(guī)測量法同時測量疲勞試驗中裂紋長度的變化過程，測量裝置如圖3a所示。對于海水環(huán)境中的疲勞試驗，由于盛放海水的介質盒導致COD規(guī)安裝不便，故采用背面應變法測量裂紋長度(圖3b)。整個試驗過程使用泰斯特TST5912動態(tài)數(shù)據(jù)采集及信號測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，為保證準確測得每次循環(huán)加載的峰值應變，應變儀采集頻率設置為疲勞試驗機加載頻率的10～20倍。

圖3 試件裂紋擴展試驗裝置圖及應變片位置Fig .3 Crack propagation test device of the specimen and the position of strain gauge

2 試驗過程及結果分析

2.1 空氣環(huán)境下的疲勞試驗

空氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴展試驗采用了COD規(guī)直接測量和背面應變片間接測量2種不同的測量方式，其目的在于通過2種測量方式的對比，以確保海水環(huán)境中采用背面應變法測量裂紋長度的準確性。因此，首先進行了空氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴展試驗。

預制疲勞裂紋是進行空氣環(huán)境下疲勞試驗的第一步，所有CT試件均在室溫環(huán)境下采用降K法預制一段3 mm的疲勞裂紋。待預制疲勞裂紋完成后便可進行空氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴展試驗，試驗停止條件為出現(xiàn)3個裂紋擴展速率大于0.01 mm/cycle的點。整個試驗過程保持恒幅加載，加載波形為正弦波，具體試驗參數(shù)取自表1，空氣環(huán)境下測量裂紋長度裝置見圖4。

圖4 空氣環(huán)境下測量裂紋長度裝置Fig .4 Measuring crack length device in air environment

試驗結束后，將空氣環(huán)境下測得的疲勞試驗結果進行數(shù)據(jù)處理,并將裂紋擴展規(guī)律以函數(shù)的形式表達。以試件A-1為例，通過2種不同測量方式得到的疲勞裂紋擴展規(guī)律，即裂紋擴展速率da/dN(a為裂紋長度，N為疲勞載荷循環(huán)次數(shù))與應力強度因子范圍ΔK關系如圖5所示。

圖5 空氣環(huán)境下采用COD法與BFS法測量 裂紋擴展速率的結果Fig .5 Measurement results of crack growth rate by COD method and BFS method in air environment

由圖5可知，在實際試驗測量過程中，采用BFS法和COD法所得結果基本一致，都能準確地測量裂紋長度。這意味著在COD法無法使用的場合，如海水環(huán)境中的疲勞裂紋擴展試驗，可使用BFS法來測量裂紋長度。

2.2 海水環(huán)境下的疲勞試驗

海水環(huán)境中的疲勞試驗需進行試件預處理，即在預制疲勞裂紋前，CT試件應預浸泡在海水溶液中24 h以上，試驗中所用海水均為渤海自然海水。海水環(huán)境條件下CT試件疲勞試驗裝置如圖6所示。

圖6 海水環(huán)境條件下CT試件疲勞試驗裝置Fig .6 Fatigue test equipment for CT specimens in seawater environment

為保證應變片在海水環(huán)境中能長期正常工作，貼片完成后須涂上防水防腐蝕的AZ-710粘接膠。試驗停止后，用千分尺測多點長度，取算數(shù)平均值的方法得到預制后疲勞初始裂紋長度a0和最終裂紋長度af，并對測得的裂紋長度進行修正。試驗共計12個試件，每組試驗重復3次，對最終結果滿足疲勞裂紋擴展試驗標準要求的同組試件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計時取算數(shù)平均值。對測得的數(shù)據(jù)，采用《金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法(GB/T6398—2017)》[10]中推薦的遞增多項式法進行局部擬合求導，以確定疲勞裂紋擴展速率。

2.3 空氣與海水環(huán)境下的疲勞試驗結果對比

完成所有CT試件疲勞試驗，測得4組試件初始裂紋長度a0、最終裂紋長度af及試驗停止時的循環(huán)次數(shù)Nf，如表2所示。從表2可知，各組試件初始裂紋長度a0、最終裂紋長度af基本一致，但試驗停止時的循環(huán)次數(shù)Nf存在差異。

表2 空氣與海水環(huán)境下CT試件疲勞試驗所得 的裂紋長度與循環(huán)次數(shù)Table 2 Crack length and cycle times of CT specimens fatigue test in air and seawater environment

將疲勞試驗結果作進一步的數(shù)據(jù)處理，得到4組CT試件在不同取材方向與不同試驗環(huán)境下的疲勞裂紋擴展規(guī)律，如圖7所示。

圖7 空氣與海水環(huán)境下CT試件的取材方向與環(huán)境因素 對疲勞裂紋擴展速率的影響Fig .7 Effects of sampling direction and environmental factors on fatigue crack growth rate of CT specimens in air and seawater environment

從圖7可以看出，海底管道疲勞裂紋擴展速率與試驗試件取材方向有關。在疲勞裂紋擴展試驗初始階段，取材方向為管道縱向的CT試件A-1和S-1，其裂紋擴展速率相對于環(huán)向取材試件A-2和S-2的裂紋擴展速率稍快；同時，比較表2中縱向和環(huán)向試件的循環(huán)次數(shù)Nf的差異，也可說明縱向取材試件裂紋擴展速率較快,其原因可能是海底管道軋制過程中在管道環(huán)向產(chǎn)生的殘余應力延緩了此方向的疲勞裂紋擴展[12]。但是，在恒幅循環(huán)載荷作用下，疲勞裂紋擴展過程中的K值是持續(xù)增長的，當疲勞裂紋擴展到一定階段，驅動裂紋擴展的應力強度因子K足夠大時，殘余應力對裂紋擴展的影響便可忽略不計，因此不同取材方向的試件在經(jīng)過裂紋擴展最初階段后的裂紋擴展趨勢基本相同。

對比圖7中試件A-1、A-2、S-1、S-2的曲線可以看出：海水環(huán)境對疲勞裂紋擴展速率的影響明顯,海水環(huán)境中CT試件的疲勞裂紋擴展速率約為試件處于空氣中的疲勞裂紋擴展速率的2倍。這是因為16 Mn鋼在海水環(huán)境中的疲勞過程為典型的金屬疲勞腐蝕，其本質是交變載荷和腐蝕介質共同作用下導致的破壞現(xiàn)象[13]。

海水環(huán)境中的CT試件斷口如圖8所示，箭頭方向為裂紋擴展方向，斷口外部形貌觀察到裂紋擴展面有明顯的腐蝕痕跡。這是因為疲勞試驗過程中裂紋面在循環(huán)載荷的作用下不斷開合，使腐蝕源與尚未腐蝕的金屬充分接觸，從而加速裂紋擴展速率，進而減小裂紋擴展至同一長度所需時間[14]。歸根到底，海底管道用鋼的腐蝕疲勞擴展可能是一種應力腐蝕與氫致裂紋的混合結果[15]。

圖8 海水環(huán)境中的CT試件腐蝕疲勞斷口Fig .8 Fatigue crack surface of CT specimens in seawater

2.4 裂紋擴展速率與應力強度因子范圍關系分析

金屬疲勞破壞現(xiàn)象對工程結構威脅極大，因此，疲勞裂紋擴展壽命的預測一直都是人們關注的重點。材料疲勞裂紋擴展壽命的預測基于斷裂力學理論，隨著斷裂力學理論研究的深入，許多學者提出了關于裂紋擴展規(guī)律的公式[16]，其中最著名的、應用最廣泛的是Paris公式，該公式建立了裂紋擴展速率與應力強度因子范圍ΔK的關系，是預測疲勞裂紋擴展壽命的基礎，其表達形式為

(1)

式(1)中:C、m為材料的Paris常數(shù)，其數(shù)值與材料疲勞性能、加載環(huán)境等因素有關。

將Paris公式兩邊同時取對數(shù)，得

(2)

在雙對數(shù)坐標中，疲勞裂紋擴展速率da/dN與應力強度因子范圍ΔK成線性關系，可用線性擬合的方式得到Paris常數(shù)C和m。

式(3)～(6)分別為將A-1、A-2、S-1、S-2等4組試驗結果擬合出的材料常數(shù)C和m代入式(1)后的表達式，即

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)反映了不同取材方向和不同環(huán)境下疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子范圍的關系，可以看出，材料常數(shù)C受試驗環(huán)境和材料取向因素影響較大；材料常數(shù)m反映了圖7中曲線的斜率。在相同載荷和加載環(huán)境的情況下，不同材料取向對同一試驗材料的Paris常數(shù)m值影響較小。

3 結論

1) 16 Mn鋼海底管道CT件疲勞裂紋拓展試驗結果表明,取材方向對材料疲勞裂紋擴展行為有一定影響。疲勞裂紋擴展試驗初始時，縱向取材試件的疲勞裂紋擴展速率比環(huán)向取材試件稍快;但從整個疲勞裂紋擴展過程來看，2種取材方式的疲勞裂紋擴展速率基本一致。

2) 海水環(huán)境對16 Mn鋼海底管道材料的疲勞裂紋擴展速率影響顯著，試驗結果表明海水環(huán)境中的疲勞裂紋擴展速率約為空氣中的2倍。

3) 在相同的加載條件下，16 Mn鋼海底管道的Paris常數(shù)C和m與材料取向和環(huán)境因素有關。