表面自然腐蝕后帶缺陷管鋼的力學性能研究

盧召紅，韓璐澤，徐 艷*，王尊策,2

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油管道科技研究中心重點實驗室，河北 廊坊065000)

油氣輸送管道是一種特殊的承壓裝備，如果發生泄漏不僅會帶來大量的經濟損失，而且泄漏所產生的環境污染會造成更加嚴重的二次災害，在高后果區產生的損失更是不可估量。現役管道在運行過程中，由于運輸介質的腐蝕性和外部環境的腐蝕作用，會影響管道的力學性能，導致其承壓能力減弱，甚至會造成管道穿孔或破壞等后果[1-2]。腐蝕管道鋼的力學性能與其銹蝕程度相關，目前，眾多學者通過測量最大截面損失率、有效截面厚度或鋼材體積損失率等方法對帶腐蝕缺陷管鋼的剩余強度進行預測評估[3-4]，但對于腐蝕后的鋼材變形性能未做細致研究。隨著研究的不斷深入，人們對于腐蝕鋼的本構關系有了進一步的認識[5]。邱斌等[6]利用試驗的方法研究腐蝕損失率對鋼材力學性能的影響，通過對不同腐蝕程度的Q235試件進行拉伸試驗，發現當腐蝕損失率小于4%時，銹蝕缺陷對鋼材的屈服強度和抗拉強度沒有明顯的影響，當腐蝕損失率大于4%時，銹蝕后鋼材的屈服強度和抗拉強度隨銹蝕率的增大呈現明顯的線性退化趨勢。退化速率與銹蝕鋼板表面銹蝕形貌特征密切有關[7]。Nakai等[8]發現銹坑對腐蝕鋼材的強度和延性有顯著影響，強度和延性隨銹坑深度和密度的增大顯著降低。Tatsuro等[9]對點蝕構件進行拉伸試驗，得出隨著點蝕蝕坑深度的增加，拉伸強度逐漸降低，總延伸率急劇下降。Zhang[10]根據彈塑性斷裂力學中的Tresca屈服準則，討論了均勻腐蝕管道在內壓和軸向力共同作用下的剩余強度計算，給出了缺陷尺寸、缺陷下的最大允許工作壓力和殘余強度的計算公式。在此基礎上，提出了基于可靠性的腐蝕管道剩余壽命預測方法。針對現役的鋼制輸送管道，由于無法精確測量出其腐蝕度和剩余力學性能指標，擬通過研究腐蝕損失率與鋼材性能之間的影響，來推算出腐蝕損失程度對管道鋼的力學性能的影響。腐蝕損失程度可根據管道所處的環境及保護措施，由腐蝕率推算得到，由此可對管道使用周期內各時間點的力學性能進行評估，為預防在役管道泄漏及維護提供參考依據。

本文通過拉伸試驗的方法，分析不同腐蝕程度的API 5L X52N管鋼力學性能，研究腐蝕損失率對帶腐蝕缺陷管鋼力學性能的影響，并分析腐蝕缺陷處的應力集中問題。

1 帶腐蝕缺陷管鋼材料力學性能試驗

1.1 試驗方法

試驗材料為API 5L X52N管鋼，圖1(a)所示為埋地管線截取后放置室外自然環境自然腐蝕后的表觀現象。圖1(b)為帶腐蝕的管道鋼內表面清洗后的表觀現象。

圖1 帶腐蝕缺陷管道圖Fig.1 The piping drawing with corrosion defects

依照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》 (GB/T 228.1—2010)[11]和《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》 (GB/T 2975—2018)[12]中對于切取圓鋼管拉伸樣坯中相關說明來確定拉伸樣坯的相關參數，試件尺寸如圖2所示。

圖2 試件設計加工圖(單位：mm)Fig.2 The design chart of the specimens

利用失重法測定試件的腐蝕損失率η，建立腐蝕損失率η與腐蝕率ηs的關系。并用SuperView W1三維表面形貌儀掃描試件，借助Pro ENGINEER分析軟件獲取試件表面幾何特征參數。

試驗方法和步驟參照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[11]，主要通過WAW-1000型電液伺服萬能試驗機、電子引伸計、DH3817Y數據采集系統等儀器對力和變形進行自動采集、記錄。試驗環境溫度為室溫。試件加載裝置和數據采集系統如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置和數據采集系統Fig.3 Specimen loading device and data acquisition system

鋼材彈性階段和屈服階段的加載速率設定為0.75 mm/min，塑性強化階段的加載速率設定為0.5 mm/min。試件標距設定為50 mm，標距之間的變形利用引伸計進行測量，加載后期為防止引伸計損壞，降低拉伸加載速率為0.25 mm/min，直至試件拉斷。試件的泊松比通過測量橫向應變與縱向應變值，然后經過計算確定。

1.2 試驗結果及分析

根據試驗方法測定各試件的數據參數并計算出各試件的腐蝕損失率η，按腐蝕損失率從小到大的順序給各個試件編號，其中G001為未腐蝕管鋼；G10i為腐蝕年限1年的管鋼；G20i為腐蝕年限2年的管鋼。參照Xu[13]提出的方法，對選取的鋼管試樣表面腐蝕坑參數進行分析，得出各試樣表面的最大腐蝕深度dmax，平均腐蝕深度dav，最大腐蝕坑長度(拉伸方向)lmax，最大腐蝕坑寬度(垂直于拉伸方向)ωmax。按公式(1)計算各試件最大坑深寬比βmax，并標注出位置，測量結果如表1所示。

表1 各試件基本參數Tab.1 Basic parameters of each specimen

(1)

圖4為試件拉伸破壞形態，各試件拉伸破壞后均有明顯的頸縮現象，隨著腐蝕損失率的增大，斷裂位置由試件中間向兩側不確定方向發展，且具有離散性。斷裂位置與腐蝕損失率及腐蝕坑深寬比有關，一般發生在深寬比最大處。

本測區形狀為矩形區域，面積約46 km2，測區地勢起伏較大，最大地面高差為300 m。航向間隔7條基線布設一個平高控制點，旁向間隔5條航線布設一排平高控制點。按常規像控點布設要求在測區內選擇48個均勻分幅的明顯地物點作為地面控制點，采用GPS RTK測量方法測定其平面坐標和高程。經檢核，各像控點平面精度、高程精度均優于±0.2 m，達到規范規定的精度要求。

圖4 試件拉伸破壞形態圖Fig.4 Tensile failure diagram of specimen

試件的屈服強度是根據每個試件在不同腐蝕情況下，通過拉伸試驗測量得出的真實屈服強度。根據拉伸試驗結果，得到腐蝕損失率與屈服強度以及屈服荷載之間的關系，如圖5和圖6所示。

圖5 腐蝕損失率與屈服強度關系Fig.5 The relation between corrosion loss rate and yield strength

圖5曲線具有明顯的離散性，而圖6具有明顯的下降趨勢。由圖5和圖6分析可得，在腐蝕損失率在22%范圍內，隨著腐蝕損失率的增大，構件的屈服荷載逐漸降低，但屈服強度與腐蝕損失率的相關程度較低。

圖6 腐蝕損失率與屈服荷載關系Fig.6 The corrosion loss rates eta relationship with yield load

圖7與圖8為試驗測定的試件腐蝕坑最大深寬比與試件的屈服強度、腐蝕坑最大深寬比與極限強度的關系。試件截取選用的管道鋼腐蝕條件基本相同，各試件腐蝕坑的最大深寬比多集中在0.06附近。但隨著最大深寬比的增大，屈服強度和極限強度均明顯減小，這與表面腐蝕坑引起的應力集中導致的鋼材強度退化有關。

圖7 最大深寬比與屈服強度關系Fig.7 The relation between maximum depth-width ratio and yield strength

圖8 最大深寬比與極限強度關系Fig.8 The relation between maximum depth-width ratio and ultimate strength

為了分析腐蝕鋼材的力學性能，引入等效彈性模量，該等效彈性模量是指按結構的真實屈服承載力計算的彈性模量。定義試件的等效彈性模量Ee[14]如下式所示。

(2)

式中：py為坑蝕管道鋼試件的屈服承載力；ΔL為試件沿長度方向的變形量；A為試件面積。

如圖9和圖10所示，等效彈性模量隨腐蝕損失率的增加而減小，而彈性模量與腐蝕損失率的相關度小。

圖9 腐蝕損失率與等效彈性模量關系Fig.9 The relation between corrosion loss rate and equivalent elastic modulus

圖10 腐蝕損失率與彈性模量關系Fig.10 The relation between corrosion loss rate and elastic modulus

為了分析等效彈性模量與材料彈性模量之間的關系，引入等效彈性模量與彈性模量的比值ζ，按照公式(3)計算并建立η-ζ關系，如圖11所示。

圖11 η-ζ關系曲線Fig.11 η-ζ relation curve

(3)

利用“L-M”(Levenberg-Marquardt)算法將試驗數據進行擬合并建立η-ζ非線性經驗公式，如公式(4)所示。

ζ′=0.46+0.54e-η1.4/124

(4)

式中，ζ′是基于公式計算得到的等效彈性模量與彈性模量的比值。

將等效彈性模量Ee作為材料的彈性模量，用于分析帶腐蝕缺陷管道鋼的力學性能，則有Ee與Es之間的近似計算公式如(5)所示。

(5)

利用公式可推算出含腐蝕缺陷管鋼的等效彈性模量，只需測定腐蝕損失率，即可推出不同腐蝕缺陷的管鋼在拉壓作用下的力與變形關系。計算結果與試驗值計算結果對比，公式計算結果與試驗值基本吻合，如圖12所示。

圖12 Ee分析結果對比Fig.12 Comparison of Ee analysis results

2 管鋼腐蝕坑處應力狀態有限元分析

2.1 應力集中系數Kt

在拉力作用下，帶腐蝕缺陷的管鋼在腐蝕坑處易產生應力集中現象，使管鋼過早屈服或斷裂。Cerit 等[5]利用有限元分析方法對應力集中問題進行研究，建立了一系列三維半橢圓點狀腐蝕模型，系統地研究了在單軸拉伸作用下半橢圓形腐蝕坑處的應力分布情況，得出了腐蝕坑深寬比是影響應力集中系數的主要因素，并提出了應力集中系數Kt的計算式如公式(6)所示。

(6)

式中：d為腐蝕坑的深度，ω為半橢圓形腐蝕坑的寬度，垂直于受力方向的尺寸。

2.2 有限元模型的建立

利用ABAQUS有限元分析軟件，建立帶腐蝕缺陷管鋼分析模型(圖13)。分析中使用的實體模型尺寸同試驗試件尺寸，腐蝕坑采用三維半球形腐蝕坑，腐蝕坑深寬比根據試驗測得的βmax值進行確定。在臨界截面上，腐蝕坑處的應力集中系數Kt，通過使用由橫截面面積確定的最大名義應力σs,max與未開孔的標準名義應力σs的比值來計算確定。由于坑的寬度ω遠小于構件的尺寸，在計算凈面積時可忽略不計。

圖13 管鋼腐蝕缺陷處有限元分析模型Fig.13 Finite element analysis model of corrosion defect of pipe steel

2.3 有限元結果分析

根據上述要求建立不同深寬比腐蝕坑處的應力分析模型。對帶腐蝕缺陷的管鋼試件進行全截面拉伸，分析管鋼試件腐蝕坑處應力狀態。

根據公式(6)和有限元分析計算出各試件腐蝕坑處的應力集中系數，如表2所示。從表2中數值可以看出，腐蝕坑處的應力集中系數隨著最大深寬比的增加而增大。公式法和有限元分析得到的應力集中系數Kt基本一致，誤差在10%以內。

表2 管鋼試件腐蝕坑處應力集中系數Tab.2 Corrosion coefficient of steel pit at test tube

3 結論

1) 通過對含腐蝕缺陷的管鋼進行拉伸試驗，發現隨著腐蝕損失率的增大，斷裂位置由試件中間向兩側離散性發展，且其斷裂位置一般發生在腐蝕坑最大深寬比處。含腐蝕缺陷的管鋼隨著腐蝕程度(腐蝕損失率22%以內)的增加，其屈服強度、彈性模量與腐蝕損失率的相關度較低，而屈服荷載和等效彈性模量隨著腐蝕程度的增加而明顯降低。

2)根據試驗得到的等效彈性模量Ee與彈性模量Es的比值ζ，利用“L-M”算法建立ζ′與腐蝕損失率η之間的表達式，并且與試驗結果相對比，得出公式計算結果與試驗值基本吻合，利用該公式可推算出腐蝕缺陷管鋼等效彈性模量。

3)腐蝕管道鋼的屈服強度、極限強度與腐蝕坑最大深寬比有較大關系，隨著最大深寬比的增大，屈服強度和極限強度均明顯減小，這與表面腐蝕坑引起的應力集中所導致鋼材的強度退化有關。利用軟件模擬計算出的應力集中系數結果與利用公式計算出的結果基本一致，并且管鋼腐蝕坑處的應力集中系數與腐蝕坑最大深寬比基本同幅度增大。