基于低約束試件的X80環焊縫斷裂韌性測試研究

當前國際通用的斷裂韌性測試標準測得的斷裂韌性嚴重低估了管道環焊接頭抗斷裂的能力，致使斷裂評價偏于保守。為此，開展了管道環焊接頭斷裂韌性測試研究，分別采用卸載柔度法、規則化法以及改進的規則化法，針對基于單邊缺口拉伸試件的X80管道環焊接頭，改變試件裂紋長度以及側槽深度，測試其斷裂韌性，并對比分析了測試結果。分析結果表明：實際測量得到的裂紋擴展量與通過卸載柔度法計算出來的裂紋擴展量之間的誤差最大為3.85%；改進的規則化方法可以準確獲取管道環焊縫的斷裂韌性，可以作為卸載柔度法的一種替代方法；隨著裂紋長度的增加，X80環焊接頭的斷裂韌性逐漸下降。所得結論可為管道環焊接頭斷裂韌性測試及安全評價提供理論指導及技術支持。

高鋼級管道；環焊接頭；斷裂韌性；SENT試件；J積分阻力曲線

TE973

A

DOI： 10.12473/CPM.202402014

Fracture Toughness Test of X80 Pipe Girth Weld

Based on Low Constraint Specimen

Ren Wei" Shuai Jian" Shuai Yi

（College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum （Beijing））

The fracture toughness measured by the international fracture toughness test criteria seriously underestimates the fracture resistant ability of girth welding joint of pipelines， resulting in a conservative fracture evaluation at present. In this paper， the fracture toughness test research of girth welding joint of pipelines was carried out. First， the unloading compliance method， normalization method and modified normalization method were used to change the crack length and side groove depth of X80 pipe girth welding joint based on single edge notch tension specimen respectively to test its fracture toughness. Then， the test results were compared and analyzed. The analysis results show that the maximum error between the measured crack propagation and the one calculated by unloading compliance method is 3.85%;the modified normalization method can accurately obtain the fracture toughness of pipe girth weld and can be used as an alternative method to the unloading compliance method;as the crack length increases， the fracture toughness of X80 pipe girth welding joint gradually decreases. The research conclusions provide theoretical guidance and technical support for the fracture toughness test and safety evaluation of girth welding joint of pipelines.

high grade pipeline;girth welding joint;fracture toughness;SENT specimen;J-integral resistance curve

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目“納入裂尖多尺度拘束效應的X80管道環焊斷裂評估方法研究”（52204071）。

0" 引" 言

任偉，等：基于低約束試件的X80環焊縫斷裂韌性測試研究

目前，我國油氣長輸管道已達16.9萬km，最高壓力12 MPa，最大管徑1.4 m，其中X80高鋼級管道總里程已居世界之首，致使我國在高鋼級管道應用領域成為領跑者。在高鋼級管道失效事故中，由環焊接頭失效導致的事故相對較多。環焊接頭對管道的安全運行產生重要影響。尤其是環焊接頭的斷裂韌性對保障管道的安全運行具有至關重要的作用。

當前國際通用的斷裂韌性測試標準推薦單邊缺口彎曲試件（Single Edge Notch Bending，SENB）或緊湊拉伸試件（Compact Tension，CT）［1-4］，此類試件具有較高約束。然而管道環焊接頭裂紋通常具有較低的約束。將高約束試件測得的斷裂韌性用于管道環焊接頭的斷裂評估，會低估其抗斷裂的能力，致使評價偏于保守，對管道的安全運行產生了重要的影響。采用低約束單邊缺口拉伸試件（Single Edge Notch Tension，SENT）是較為合適的，該試件具有較低的裂尖約束水平，且加工方便，直接切割管段即可得到與管壁厚度相同的試件，并可采用與管道環焊縫裂紋更為接近的裂紋深度。因此，通過 SENT 試件可以測試得到和管道環焊縫較為接近的裂紋阻力曲線及斷裂韌性值［5］。

國內外學者很早就開始針對低約束的SENT斷裂韌性測試進行了研究，最早由挪威船級社DNV提出了基于多試樣法的SENT試件的斷裂韌性測試標準［6］，該標準對于焊縫材料的斷裂韌性測試較為保守，且測試所需材料較多，大大增加了時間與材料成本。后來學者開始研究基于單試樣法的SENT試件的斷裂韌性測試方法。SHEN G.等［7-8］提出了一種單樣件法測量材料斷裂韌性的方法，并以此獲得夾持型SENT試件的阻力曲線。S.GRAVERO等［9］、L.L.S.MATHIAS等［10］及W.R.TYSON等［11］提出了基于SENT試件的卸載柔度法測試材料阻力曲線。其方法與SHEN G.等［7-8］的方法類似，但其中J 積分塑性因子以及計算裂紋尺寸的柔度方程有所不同。TANG H.等［12］提出了一種雙裂紋張開位移（Crack Opening Displacement，COD）規法測試SENT試件的裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）阻力曲線，使測試更加簡單快捷，同時克服了J積分在大塑性變形條件下的局限性。M.A.VERSTRAETE等［13］、N.GELDHOF等［14］、M.A.VERSTRAETE等［15］及K.V.MINNEBRUGGEN等［16］提出了一種電位降法測試SENT試件的CTOD阻力曲線，并且通過試驗驗證了該方法的準確性，但是測試較為復雜，操作較為繁瑣。BSI［17］綜合上述研究成果，提出了SENT試件的斷裂韌性測試標準，可以獲得材料的阻力曲線。武旭等［18-19］發現隨著約束的改變，計算J積分需要用到的塑性因子也會有所不同，提出了改進的J積分塑性因子計算公式。而李一哲等［20］則具體研究了約束效應對SENT試件斷裂韌性的影響。段宇航等［21］基于J積分闡述了管道環焊縫起裂的重要原因。楊輝等［22］則擴展了管道環焊縫的斷裂失效準則。雖然國內外的研究成果眾多，但是具體的測試參數不盡相同，發展尚不成熟，仍需進一步改進與完善。另外，國內當前還沒有基于SENT試件的斷裂韌性測試標準，對于管道環焊接頭的斷裂韌性測試更加無從提起。開展基于SENT試件的X80管道環焊接頭斷裂韌性測試研究，有助于完善SENT試件斷裂韌性測試方法，推進國內SENT試件斷裂韌性測試標準的建立，對準確獲取管道環焊接頭斷裂韌性具有重要意義。

本研究以X80管道環焊接頭為研究對象，采用卸載柔度法、規則化法和改進的規則化法對其裂紋擴展阻力曲線進行研究，測定X80管道環焊接頭在室溫條件下的裂紋擴展阻力曲線以及斷裂韌性。分析不同測試參數的SENT試件的斷裂韌性測試結果，研究具體測試參數對斷裂韌性的影響。研究結果可為管道環焊接頭斷裂韌性測試提供理論指導，使管道環焊接頭的安全評價更加準確。

1" 測試方法

斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴展斷裂的性能。CTOD和J積分目前被廣泛應用于表征管道鋼斷裂韌性。斷裂韌性測試相關標準［1-4］均推薦SENB試件或CT試件用于金屬材料斷裂韌性測試。而對于低約束SENT試件的斷裂韌性測試方法主要分為多試件法和單試件法。由于通過多試件法獲取一條阻力曲線需要對多個試件進行測試，在測試時間以及取樣材料方面耗損較多，故不在這里討論。單試件法根據原理的不同主要分為卸載柔度法以及規則化法。

本研究分別采用單試樣卸載柔度法以及規則化法，針對X80環焊接頭進行取樣測試，以獲取材料阻力曲線及啟裂韌性。

1.1" 卸載柔度法

卸載柔度法已在多個國家的基于SENB試件和CT試件的斷裂韌性測試標準中推薦［1-4］。卸載柔度法通過對試件不斷進行加卸載，測量加卸載過程中的柔度變化，進而根據柔度方程計算裂紋擴展長度。材料的斷裂韌性實際上與裂紋尖端應力狀態有直接關系［23-24］，因此適用于高約束的SENB試件和CT試件的柔度方程并不適用于低約束SENT試件?；诖?，有學者提出基于SENT試件的柔度方程，但不同學者的柔度方程并不統一［7， 11-12］。這里提出一種新型、有效的卸載柔度測試方法對管道環焊縫的斷裂韌性進行測試，可準確獲取管道環焊接頭的斷裂韌性，以使管道環焊接頭的安全評價更加準確。對于與高約束SENB試件和CT試件基本相同的測試流程就不在此贅述，下面針對環焊接頭的SENT試件卸載柔度法的主要測試流程進行介紹。

1.1.1" 試樣測量

使用雙COD規裝置對試樣進行測量，以允許在試驗過程中在2個不同高度測量裂紋嘴張開位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）。COD規的刀口夾具應使用螺釘固定在試樣表面。建議使用圖1所示的2個螺釘固定每個刀刃。帶刀口的雙COD規夾具的推薦設計如圖2所示。采用三角形相似原理計算裂紋嘴和裂紋尖端張開位移（見圖3）。

圖1中，s為2個螺紋孔厚度方向的間距，d為螺紋孔直徑，D為螺紋孔與裂紋中心線之間的距離，hd為螺紋孔深度。圖2中，h1為較低COD規的高度，h2為較高COD規的高度。圖3中，a0為初始裂紋長度，V1為較低COD規測量得到的CMOD，V2為較高COD規測量得到的CMOD，δ為CTOD，δM為CMOD。

1.1.2" 裂紋尺寸計算

裂紋尺寸計算式如下：

ai/W=1.648 5-9.100 5ui+33.025u2i-

78.467u3i+97.344u4i-47.227u5i（1）

其中：

ui=11+EBeCf（2）

Be=B-B-BN2/B（3）

Cf=Ci/F（4）

式中：ai為即時裂紋長度，mm；W為試件寬度，mm；ui為第i個載荷點對應的標準化柔度；E為彈性模量，MPa；Be為試件的有效厚度，mm；Cf為修正后的柔度，m/N；B為試件開側槽前的厚度，mm；BN為試件開側槽后的厚度，mm；Ci為未修正柔度，m/N;F為校正因子。

1.1.3" 雙COD規法計算CMOD和CTOD

CMOD和CTOD值δM和δ的計算方法是根據相似三角法則將上下COD規位移外推回試樣表面和原始裂紋尖端（見圖3），其計算式如下：

δM=V1-h1h2-h1V2-V1（5）

δ=V1-h1+a0h2-h1V2-V1（6）

1.1.4" J積分的計算

在平面應變條件下的J積分Ji計算公式為：

Ji=Ki21-μ2E+Jp（i）（7）

其中：

Ki=PiπaiBBN1/2WGaiW（8）

Jp（i）=Jp（i-1）+ηM（i-1）bi-1Ap（i）-Ap（i-1）BN×

1-γL（i-1）a（i）-a（i-1）b（i-1）（9）

其中：

Ap（i）=Ap（i-1）+P（i）+P（i-1）Vp（i）-Vp（i-1）/2（10）

式中：Ki為應力強度因子，MPa·m；μ為泊松比；Jp（i）為塑性J積分，N/mm；P（i）及P（i-1）為第i個及i-1載荷點對應的載荷大小，N；G為幾何因子；ηM（i-1）為第i-1個點的基于裂紋嘴張開位移的塑性因子，Pa·m；a（i-1）為

第i-1個載荷點對應的裂紋長度，mm；γL（i-1）為第i-1個載荷點的基于加載線位移的裂紋擴展系數；Ap（i）為第i載荷點的塑性面積，mm2；b（i-1）為第i-1個載荷點的剩余韌帶長度，mm；AP（i-1）為第i-1點的塑性面積，mm2；Vp（i）為第i個載荷點對應的塑性裂紋嘴張開位移，mm；Vp（i）= （Vi-P（i）Ci），其中Vi是第i個載荷點對應的裂紋嘴張開位移，mm；Vp（i-1）是第i-1個載荷點對應的塑性裂紋嘴張開位移，mm。

1.1.5" CTOD或者J積分阻力曲線

CTOD阻力曲線應通過建立δi與SymbolDA@ai的關系來獲得，J積分阻力曲線應通過建立Ji與SymbolDA@ai的關系來獲得，如圖4所示。其中，δi為第i個載荷點對應的CTOD，Δai為第i個載荷點對應的裂紋擴展長度，Ji為第i個載荷點對應的J積分。

在圖4中確定的CTOD阻力曲線應符合如式（11）所示冪函數公式，以確定αδ和ηδ。其中，αδ

為CTOD阻力曲線的初始CTOD，ηδ為CTOD阻力曲線的形狀參數。J積分阻力曲線應符合如式（12）所示冪函數公式，以確定αJ和ηJ。其中，αJ為J積分阻力曲線的初始J積分，ηJ為J積分阻力曲線的形狀參數。

δi=αδΔaiηδ（11）

J=αJΔaiηJ（12）

1.2" 改進的規則化法

由于在高負荷率、極端溫度或腐蝕性環境等情況下通常采用的卸載柔度法不再適用，需要開發一種替代方法能夠在上述環境中進行測試。通常采用的卸載柔度法中測試柔度受卸載加載影響，且在裂紋擴展初始階段存在裂紋負增長現象，試驗成本昂貴且耗時。傳統的規則化法針對的是高約束SENB試件和CT試件［2， 25-27］，因此針對SENT試件的特點，對傳統的規則化法進行了改進［24， 28-29］，以滿足SENT試件斷裂韌性測試的準確性要求。提出基于SENT試件的改進的規則化法，以測試管道環焊接頭的斷裂韌性，使其可以在高負荷率、極端溫度或腐蝕性環境等情況下同樣適用，且可以作為卸載柔度法的一種替代方法。其核心優點是在試驗中無需重復卸載再加載過程，即可評估裂紋擴展長度，并且在測試過程中試樣加載一次完成，裂紋長度測試更加方便和準確，管道環焊縫的斷裂韌性可以被準確獲取，使管道環焊縫的安全評價更加準確，從而保障管道的安全運行。對于與高約束SENB試件和CT試件基本相同的測試流程就不在此贅述，下面針對環焊接頭的SENT試件改進的規則化法的主要測試流程進行介紹。

1.2.1" 裂紋尺寸計算

對載荷-位移曲線或載荷-CMOD曲線上的每個荷載點P（i）進行規則化處理，則有：

PN=P（i）BW1-abWηp（13）

其中：

ab=a0+Ji2σY（14）

式中：PN為第i個載荷點處的標準化載荷，與應力單位相同，MPa；ηp為J積分塑性因子；ab為修正裂紋長度，mm； Ji為第i個載荷點對應的J積分，N/mm;σY為有效屈服強度或屈服強度，MPa。

對每個相應的CMOD規則化，可得：

V′p（i）=Vp（i）W=Vi-P（i）CiW（15）

Ci=1EBe1W-ai2×

0.304 1-0.806 9aiW+

39.670 9aiW2-145.763 3aiW3+

238.857 2aiW4-

151.139 5aiW5（16）

式中：V′p（i）為規則化塑性CMOD。

曲線最后一點進行規則化處理后作切線，如圖5所示。

specimen of girth welding joint

排除VP（i）/Wlt;0.001 的數據以及切點之后的數據，進行擬合，可得：

PN=P（i）WB1-aiWηp=a+bV′P（i）+cV′2P（i）d+V′P（i）（17）

式中：a、b、c、d為系數，通過擬合確定系數后，即可反算求解出實時裂紋長度。擬合數據如圖6所示。

joint obtained by normalization method

1.2.2 ""J積分的計算

在平面應變條件下的J積分計算式如式（7）～式（10）所示。

1.2.3" J積分阻力曲線

J積分阻力曲線應通過建立Ji與SymbolDA@ai的關系來獲得，如圖7所示。

specimen of girth welding joint

2" X80管道環焊接頭斷裂韌性測試

近年來，由環焊接頭失效導致的事故常見于高鋼級管道，特此以X80高鋼級管道環焊接頭為研究對象，準確獲取X80管道環焊接頭的斷裂韌性。

2.1" 測試試件取樣

收集X80管道環焊接頭，并對其進行熱切割，獲取SENT測試試件。焊縫試件取材方向應平行于管道軸向且垂直于環焊接頭，其焊縫位置應處于試樣的中心，如圖8所示。

試件厚寬比為B/W=2，試件厚度B為20 mm，試件寬度W為10 mm，試件裂紋長度比為a0/W=0.2、0.3及0.5，裂紋則在試件中心處，具體幾何尺寸如圖9所示。為研究側槽深度對斷裂韌性的影響，分別取側槽深度為試件厚度的10%和15%。加工試件實物如圖10所示。

2.2" 測試裝置與流程

測試儀器采用液壓伺服試驗機MTS 810-25，在位移控制下加載試件，同時監測施加的載荷以及COD規的位移，如圖11所示。試驗在試件達到一定程度的裂紋擴展后停止。雙COD規法可用于直接測量CMOD和CTOD。使用卸載柔度技術測量裂紋擴展，則應進行多次加載/卸載循環，以測量隨著施加力的增加產生的柔度變化。試件在位移控制中以1.2 mm/min速率加載。使用卸載柔度技術時，試件將經受間隔大致等距的周期性卸載/加載循環。

2.3" 裂紋長度測量

試驗完成后，將試件從試驗機取下，并在約300 ℃環境中熱著色30 min，以區分裂紋擴展長度。然后在液氮中冷卻，并分成2部分，以露出斷裂面。檢查試件的斷裂面并進行測量，最終確定初始裂紋長度（a0）和最終裂紋長度（af）。X80環焊接頭SENT試件斷裂面如圖12所示。斷面主要分為線切割區、預制疲勞裂紋區、裂紋擴展區以及脆斷區。在試件加工之初，利用線切割在焊縫中心處加工裂紋，因此形成線切割區。為了保證裂紋的銳度，需要在正式測試之前進行疲勞裂紋預制，形成較為光滑平整的區域，即為預制疲勞裂紋區。開始測試之后，隨著載荷的不斷增加，裂紋開始擴展，因此形成了裂紋擴展區。在液氮冷卻之后，材料呈現脆性狀態，因此將其打斷之后，裂紋擴展區之后即呈現脆斷區。脆斷區斷面平齊而光亮，呈結晶狀，有金屬光澤，且沒有明顯的塑性變形。測試的裂紋長度如表1所示。

將測量的裂紋擴展與通過卸載柔度法預測的裂紋擴展進行對比，其擴展量的誤差見表1。從表1的誤差可以看出，實際測量得到的裂紋擴展量與通過卸載柔度法計算出來的裂紋擴展量之間的誤差最大為3.85%，表明本文中應用的卸載柔度法在SENT試件的斷裂韌性測試中較為準確。

注：表格中初始裂紋長度、最終裂紋長度和擴展裂紋長度為實際測量獲得；裂紋計算擴展長度為公式（1）～公式（4）計算結果。

3" 測試結果與分析

3.1" 測試方法

分別采用卸載柔度法（UC）、規則化法（NM）以及改進的規則化法（MNM），針對基于SENT試件的X80管道環焊接頭，測試其斷裂韌性，得到X80管道環焊接頭的裂紋擴展阻力曲線，不同方法得到的阻力曲線的具體αJ和ηJ值見表2。由表2可知，卸載柔度法測試得到的αJ大于改進的規則化法測試得到的αJ，最大偏差為5.39%。卸載柔度法測試得到的ηJ大于改進的規則化法測試得到的ηJ，最大偏差為3.51%。

對比分析不同測試方法的結果，如圖13所示。由圖13可知，改進的規則化法所得阻力曲線基本與卸載柔度法所得阻力曲線一致，而傳統的規則化法所得阻力曲線與卸載柔度法所得阻力曲線有較大偏差。由此可見，改進的規則化方法相比于傳統的規則化方法準確性有很大提高，可以準確獲取管道環焊縫的斷裂韌性，并且可以作為卸載柔度法的一種替代方法，在一定程度上克服卸載柔度法需要重復卸載再加載以及無法在高負荷率、極端溫度或腐蝕性環境等情況下使用的局限性。

3.2" 裂紋長度

本次X80環焊接頭SENT試件斷裂韌性測試分別進行了側槽深度為10%B和15%B的2組測試，每組測試又分為3種情況，即裂紋深度a0/W= 0.2、0.3、0.5。

表2為測試結果擬合得到的阻力曲線對應的具體參數值。由表2可以看出：隨著裂紋長度的增加，阻力曲線中αJ和ηJ值都隨之減小；對于側槽深度為10%B的SENT試件，裂紋深度由0.2增加至0.5時，αJ值由1 154.91減小為857.46，ηJ值由0.62減小為0.55；對于側槽深度為15%B的SENT試件，裂紋深度由0.2增加至0.5時，αJ值由910.55減小為764.15，ηJ值由0.56減小為0.52。

圖14為不同裂紋長度的阻力曲線對比。由圖14可以看出，隨著裂紋長度的增加，阻力曲線越來越低，這表明隨著裂紋長度的增加，X80環焊接頭的斷裂韌性逐漸下降。

3.3" 側槽深度

根據 SENT 試樣當前研究情況，研究了X80管道環焊接頭SENT試件在側槽深度為10%B和15%B的情況。表2為測試結果擬合得到的阻力曲線對應的具體參數值。由表2可以看出：隨著側槽深度的增加，阻力曲線中αJ和ηJ值都隨之減??；對于裂紋深度為0.2的SENT試件，側槽深度由10%B增加至15%B時，αJ值由1 154.91減小為910.55，ηJ值由0.62減小為0.56；對于裂紋深度為0.3的SENT試件，側槽深度由10%B增加至15%B時，αJ值由1 073.13減小為858.34，ηJ值由0.59減小為0.55；對于裂紋深度為0.5的SENT試件，側槽深度由10%B增加至15%B時，αJ值由857.46減小為764.15，ηJ值由0.55減小為0.52。

圖15為不同側槽深度的阻力曲線對比結果。由圖15可以看出，隨著側槽深度的增加，阻力曲線越來越低，這也意味著隨著側槽深度的增加，X80環焊接頭的斷裂韌性逐漸下降。在裂紋擴展之初，不同側槽深度的阻力曲線較為重合，隨著裂紋擴展，當裂紋深度大于 0.2 mm 時，側槽深度為10%B的阻力曲線開始高于側槽深度為15%B的阻力曲線，并隨著裂紋擴展，差值越來越大。因此，側槽深度對于SENT試樣測試得到的裂紋擴展阻力曲線影響較大，由側槽深度15%B試樣測試得到的裂紋擴展阻力曲線較側槽深度10%B試樣測試得到的裂紋擴展阻力曲線要低、要平。

4" 結" 論

分別采用卸載柔度法、規則化法以及改進的規則化法，針對基于SENT試件的X80管道環焊接頭，對比分析不同測試參數的SENT試件的斷裂韌性測試結果，研究具體測試參數對斷裂韌性的影響。總結得出以下結論：

（1）通過對比測量的裂紋擴展和卸載柔度法預測的裂紋擴展，實際測量得到的裂紋擴展量與通過卸載柔度法計算出來的裂紋擴展量之間的誤差最大為3.85%，表明卸載柔度法在SENT試件的斷裂韌性測試中較為準確。

（2）對比分析不同測試方法得到的測試結果可知，改進的規則化法所得阻力曲線基本與卸載柔度法所得阻力曲線一致，而傳統的規則化法所得阻力曲線與卸載柔度法所得阻力曲線有較大偏差，可見改進的規則化方法相比于傳統的規則化方法準確性有很大提高。因此改進的規則化方法可以準確獲取管道環焊縫的斷裂韌性，并且可以作為卸載柔度法的一種替代方法，在一定程度上克服了卸載柔度法的局限性。

（3）對比不同裂紋長度的阻力曲線可以發現，隨著裂紋長度的增加，阻力曲線越來越低，這表明隨著裂紋長度的增加，X80環焊接頭的斷裂韌性逐漸下降。

（4）對比不同側槽深度的阻力曲線可以發現，隨著側槽深度的增加，阻力曲線越來越低，這也意味著X80環焊接頭的斷裂韌性逐漸下降。并且側槽深度對于SENT試樣測試得到的裂紋擴展阻力曲線影響較大，由側槽深度15%B試樣測試得到的裂紋擴展阻力曲線較側槽深度10%B試樣測試得到的要低、要平。

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第一任偉，生于1991年，現為在讀博士研究生，研究方向為設備完整性管理及裝備可靠性。地址：（102249）北京市昌平區。email：renwei6523@163.com。

通信作者：帥健，教授。 email：shuaij@cup.edu.cn。

2024-02-05" 修改稿收到日期：2024-09-01

楊曉峰