外腐蝕復合凹陷狀態下X80管線鋼的殘余應力演變特征

田野 羅金恒 徐春燕 鄒斌 朱麗霞 趙新偉

1中國石油管道有限責任公司西部分公司

2中國石油集團石油管工程技術研究院

3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

油氣管道凹陷是由于管壁永久塑性變形而使管道橫截面發生的總的變形，是管道幾何缺陷的常見形式之一[1-2]，給管道的安全運行帶來了巨大的安全隱患[3-4]。管道上體積缺陷與凹陷共同存在是管道損傷中非常嚴重的破壞形式。油氣輸送管道由于受輸送介質和土壤中酸性物質以及微生物的影響，管道內壁和外壁會產生腐蝕[5-6]，使管壁整體或局部變薄，削弱管道的承壓能力。一旦凹陷發生在體積缺陷處，形成腐蝕與凹陷疊加的復合缺陷，將大大增加管道的失效概率。

國內外對受內壓的含腐蝕凹陷的管道，已經進行了大量深入的研究。馬欣等[7]針對含內腐蝕凹陷的管道，用Abaqus軟件研究了管道凹陷深度、管道內壓、腐蝕長度以及深度對管道凹陷區域應力分布和應變的影響，并提出當管道內壓超過6 MPa時，腐蝕深度越大其等效應變增長的幅度越大，研究結果可為X60壓力管道的安全評估提供相應的參考。劉維洋等[8]采用有限元法模擬了不同尺寸的腐蝕缺陷和不同內壓與凹陷管道極限載荷的關系，并基于PCORRC法提出了含內腐蝕凹陷管道的失效評價公式，但是計算數據有限，還需進行大量不同參數的數值計算和爆破試驗的研究。薛濤[9]研究了腐蝕凹陷尺寸和壓力等對應力狀態的影響，提出了基于內腐蝕凹陷條件下管道服役安全評價流程，實現了對內腐蝕凹陷過程的安全評價，但未探討該方法對外腐蝕與凹陷疊加時的適用性。

可以看出，對管道腐蝕凹陷的研究主要集中在內腐蝕及凹陷疊加的復合缺陷，而很少對含外腐蝕凹陷的管道進行研究。因此，本文通過在X80管線鋼管的管體預制缺陷，研究含外腐蝕及凹陷的復合缺陷的X80管線鋼管的應力、應變場分布規律，分析凹陷區域的顯微組織變化，旨在為管道的安全評估提供相應的參考，從而指導管道的安全運行及維護。

1 試驗過程

1.1 X80管線鋼預制凹陷及應變測量

以X80高鋼級管線鋼管為研究對象，其規格為Φ1 219 mm×18.4 mm，屈服強度628 MPa，抗拉強度741 MPa。在X80鋼管管體位置預制腐蝕缺陷，缺陷尺寸為：直徑100 mm，深度7.46 mm（40%原始壁厚）。將預制好腐蝕缺陷的鋼管在1 500 t復合加載試驗系統上進行凹陷壓制，壓頭為半球形，壓頭直徑150 mm，確保腐蝕缺陷的中心與壓頭中心重合。壓入凹坑深度為69.891 7 mm，回彈后凹坑深度為62.884 6 mm，且凹坑附近并未出現裂紋。壓制凹陷的試驗過程中，采用XTDIC系統進行凹陷區的實時應變場測量。試驗完畢后，將腐蝕凹陷區域從管材上切下進行殘余應力測量。

1.2 殘余應力測試

采用X射線應力法，用MSF-3M型X射線應力分析儀對腐蝕凹陷區域進行殘余應力測試。在測試殘余應力過程中，按圖1所示對凹陷區進行網格畫線，軸向及徑向網格間距均為50 mm，對所標示的軸向O、A、B、C點及徑向O、E、F、G點進行殘余應力測試。測試前對試樣表面進行拋光處理，使表面的粗糙度Ra＜10 μm。

圖1 腐蝕凹陷管外壁和管內壁殘余應力測試點Fig.1 Test points of corrosion dent outer wall and inner wall residual stress

1.3 顯微組織分析

在腐蝕凹陷區域取樣，取樣位置為凹陷中心及距離凹陷中心50、100、150 mm處，對線切割后的待檢測試樣經過砂紙粗磨、細磨、拋光處理后，使用體積分數為2%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面，進行浸蝕后迅速吹干待測試樣表面。使用光學顯微鏡觀察管線鋼內壁和外壁不同位置的金相組織。

2 結果與討論

2.1 凹陷區實時應變測量結果

含腐蝕凹陷管體（腐蝕凹陷）凹陷區及不含腐蝕凹陷管體（單純凹陷）凹陷區的凹陷深度與應變的關系如圖2所示。從圖2可以看出，應變量增幅與凹陷深度的增大呈線性相關，但腐蝕凹陷應變量的增幅小于單純凹陷；當凹陷深度≥5%時，隨凹陷深度繼續增大，腐蝕凹陷的應變增幅急速上升。由此可見，當凹陷深度≥5%時，腐蝕缺陷可使管體的應力集中急劇增大。

圖2 凹陷深度與應變的關系Fig.2 Relationship between dent depth and strain

2.2 腐蝕凹陷區應力測試結果

圖3 為腐蝕凹陷管道殘余應力分布圖，從圖3可以看出，凹陷狀態下，管道凹陷中心的外壁承受壓應力，而內壁承受拉應力。凹陷區外壁軸向的壓應力隨著與凹陷中心距離的增加而增大，在45 mm左右出現壓應力峰值，峰值為-240 MPa，隨后壓應力逐漸減小，轉變為拉應力。凹陷區鋼管內壁徑向與軸向均承受拉應力，且拉應力隨著與凹陷中心距離的增加都表現出先增大后減少的趨勢，徑向與軸向應力峰值分別出現在距離凹陷中心50 mm和100 mm處。

圖3 腐蝕凹陷區殘余應力分布Fig.3 Residual stress distribution of corrosion dent area

單純凹陷與外腐蝕凹陷殘余應力分布規律對比如圖4所示，圖4a為兩種凹陷情況下，鋼管外壁軸向的應力分布。凹陷中心區均承受壓應力，壓應力都會隨與凹陷中心的距離增大而表現出先增大后減小的趨勢，且腐蝕凹陷應力變化區間較單純凹陷大。應力值在距離凹陷中心約45 mm時達到峰值，單純凹陷峰值應力為-80 MPa，腐蝕凹陷峰值應力為-245 MPa，隨后殘余應力逐漸減??；在遠離凹陷中心處，含腐蝕凹陷管體外壁的軸向應力由壓應力轉變為拉應力，在距離凹陷中心約120 mm處拉應力達到峰值32 MPa。圖4c為兩種凹陷情況下，鋼管外壁徑向的應力分布，單純凹陷與腐蝕凹陷均表現出相同的應力分布趨勢。凹陷中心承受應力峰值，且都為壓應力；隨著與凹陷中心距離增大，應力逐漸減小，逐漸由壓應力變化為拉應力。由圖4a、圖4c可以看出，鋼管外壁腐蝕凹陷處的應力峰值也遠遠大于單純凹陷。

圖4b、圖4d分別為兩種凹陷情況下，鋼管內壁軸向及鋼管內壁徑向的應力分布?？梢钥闯觯瑔渭儼枷菁案g凹陷情況下，鋼管內壁的徑向及軸向表現出相似的應力分布趨勢：單純凹陷中心承受壓應力峰值，之后，隨著與凹陷中心距離的增大，壓應力逐漸減小，向拉應力轉變；而鋼管內壁腐蝕凹陷的中心處的殘余應力為0，隨后一直表現為拉應力。除殘余應力變化規律不同外，鋼管內壁腐蝕凹陷處的應力峰值也遠遠小于單純凹陷。

此外，由圖4可以看出，含單純凹陷鋼管凹陷區內壁的凹陷中心為管道最薄弱區域，此處承受壓應力峰值；而對于含外腐蝕與凹陷疊加的復合凹陷的鋼管，凹陷區承受的應力出現“雙峰”現象，距凹陷中心約45 mm處承受壓應力峰值，距凹陷中心約120 mm處承受拉應力峰值，且壓應力峰值明顯大于拉應力峰值。由于研究中預制的腐蝕缺陷位于鋼管外壁，直徑為100 mm，且凹坑直徑大于腐蝕坑直徑，因此可以看出，含外腐蝕凹陷鋼管凹陷區承受應力最大的區域恰好位于外壁腐蝕坑邊緣位置。此外，與單純凹陷相比，腐蝕與凹陷疊加的復合凹陷區域在變形中承受的應力峰值遠高于單純凹陷。

圖4 單純和腐蝕凹陷的軸向和徑向殘余應力分布Fig.4 Axial and radial residual stress distribution of plain dent and corrosion dent

2.3 凹陷區組織分析

圖5 腐蝕凹陷區外表面金相組織Fig.5 Microstructure of the outer surface of corrosion dent

圖5 為距離凹陷中心150、100、50 mm及凹陷中心處管道外表面的金相組織，組織均為粒狀貝氏體，即鐵素體基體上分布著眾多MA島的復相組織[10-11]。圖5a的金相組織受管道凹陷影響最小，粒狀貝氏體之間晶界清晰可見；圖5b與圖5a相比，組織并未產生明顯變化，仍可觀察到晶界邊界；從圖5c看出，距離凹陷中心較近時，開始出現組織變形，晶界開始模糊；圖5d為凹陷中心處的顯微組織，粒狀貝氏體明顯變形，晶界模糊不清。由圖5發現，凹陷由淺到深的過程是金相組織形態變化的過程，組織由晶界明晰的粒狀貝氏體轉變為晶界模糊的變形態粒狀貝氏體。研究認為，隨著變形的深入，凹陷區底部和側壁晶粒沿著變形最大的方向被拉長，晶格被扭曲，從而提高了材料的抗變形能力，產生了應變硬化，使得凹陷區不同部位表現出不同的殘余應力分布狀態。

3 結論

（1）X80管線鋼腐蝕凹陷的應變量隨凹陷深度增大而線性增大，當凹陷深度≥5%原始壁厚時，應變增幅急速上升。

（2）腐蝕凹陷狀態下，管道凹陷中心的外壁承受壓應力，而內壁承受拉應力。隨著與凹陷中心距離的增大，殘余應力先增大后減小。凹陷區外壁軸向的壓應力隨著與凹陷中心距離的增加而增大，出現峰值后壓應力逐漸減小，轉變為拉應力。凹陷區鋼管內壁徑向與軸向均承受拉應力，且拉應力隨著與凹陷中心距離的增加都表現出先增大后減少的趨勢。

（3）含單純凹陷鋼管凹陷區內壁的凹陷中心承受壓應力峰值，而含外腐蝕與凹陷疊加的復合凹陷的鋼管，承受應力最大的區域位于外壁腐蝕坑邊緣位置；此外，與單純凹陷相比，腐蝕與凹陷疊加的復合凹陷區域在變形中承受的應力峰值遠高于單純凹陷。

（4）凹陷由淺到深的過程是鋼管組織形態變化的過程。隨著變形的深入，凹陷區底部和側壁晶粒沿著變形最大的方向被拉長，使得凹陷區不同部位表現出不同的殘余應力分布狀態。

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