武 剛 羅金恒 許光達(dá) 朱麗霞 李麗鋒 陳翠翠

1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院3.中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司

0 引言

隨著我國(guó)天然氣管道建設(shè)業(yè)務(wù)的不斷推進(jìn)，大口徑、高壓力的X80管線鋼輸氣管道備受青睞[1]。上述管道基本上使用的都是大直徑雙面螺旋縫埋弧焊鋼管，在使用過(guò)程中，由于增壓使得管道產(chǎn)生塑性變形，從而引起材料的加工硬化，導(dǎo)致管線鋼局部性能退化而過(guò)早失效[2-3]。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者通過(guò)預(yù)拉伸變形來(lái)模擬管道增壓形成的這種拉應(yīng)力，以此為基礎(chǔ)來(lái)研究預(yù)變形對(duì)高級(jí)管線鋼拉伸性能的影響[4-6]。Liu等[4]研究了預(yù)應(yīng)變對(duì)X80管線鋼拉伸性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明塑性應(yīng)變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)變能夠引起加工硬化（Work/Strain Hardening）現(xiàn)象，鋼材的屈服應(yīng)力由于拉伸預(yù)應(yīng)變的加工硬化而增大，其作用程度的大小取決于鋼材的屈強(qiáng)比（Y/T）。Chen和Ni等[5-6]分別研究了X70管道“近縫帶”焊縫的拉伸應(yīng)變能力和應(yīng)變硬化性能，并發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域具有較強(qiáng)的抗斷裂性能以及較高的應(yīng)變能力，同時(shí)焊接接頭較母材具有較高的應(yīng)變硬化速率和應(yīng)變硬化指數(shù)。Eriksson等[7]通過(guò)對(duì)鋼焊接中拉應(yīng)力引起的應(yīng)變硬化研究，認(rèn)為預(yù)變形后引起的應(yīng)變硬化主要與位錯(cuò)的增值、纏繞有關(guān)，并且預(yù)變形量越大，位錯(cuò)的密度越大，應(yīng)變硬化程度越大。目前針對(duì)預(yù)變形引發(fā)的硬化現(xiàn)象研究主要集中在母材或焊縫對(duì)拉伸性能的影響，而當(dāng)發(fā)生預(yù)變形時(shí)，焊縫區(qū)域和母材區(qū)域會(huì)發(fā)生協(xié)同應(yīng)變響應(yīng)，在各區(qū)域引起的應(yīng)變硬化程度也不同，所產(chǎn)生的拉伸性能變化也不同，但是對(duì)于這種含焊縫區(qū)域管線鋼的整體性研究尚缺乏報(bào)道。

為此，通過(guò)研究預(yù)變形（1%、3%和5%）對(duì)含焊縫區(qū)域X80管線鋼應(yīng)變響應(yīng)特征和力學(xué)性能變化規(guī)律，采用XTDIC系統(tǒng)測(cè)量拉伸過(guò)程中管線鋼母材區(qū)域和焊縫區(qū)域應(yīng)變的實(shí)時(shí)響應(yīng)情況，以此來(lái)模擬管線鋼在服役環(huán)境中受到塑性變形形成的微應(yīng)變，以及這種微應(yīng)變?cè)诤缚p區(qū)域形成的應(yīng)變硬化對(duì)管材整體性的影響規(guī)律，以期為高通量管線鋼增壓過(guò)程的安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為采用雙面螺旋縫埋弧焊X80管線鋼，其中母材區(qū)域與焊縫區(qū)域的化學(xué)組成如表1所示（除表中所示成分之外的剩余成分為Fe）。

表1 含焊縫區(qū)域的X80管線鋼的化學(xué)組成表

1.2 預(yù)變形及與變形后拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)采用含焊縫區(qū)域的X80管線鋼板材，預(yù)拉伸試樣截面尺寸為18.4 mm×40 mm，標(biāo)距（L0）為200 mm，平行長(zhǎng)度（Lc）240 mm，試樣的總長(zhǎng)度為340 mm。

預(yù)變形試驗(yàn)在WAW-600C型伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行預(yù)拉伸變形，并采用位移控+力控衡量變形量，拉伸速率按 GB/T 228.1—2010[8]的規(guī)定取 2 mm/min。預(yù)拉伸變形量分別為1%、3%和5%。

經(jīng)預(yù)拉伸變形后的試樣在均勻變形區(qū)內(nèi)，進(jìn)一步加工成拉伸試樣，截面尺寸為18.4 mm×25 mm，L0=120 mm，Lc=152 mm，試樣的總長(zhǎng)度為 240 mm。

拉伸試驗(yàn)在WAW-600C型伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率取2 mm/min。通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)得出力—位移的圖像數(shù)據(jù)，預(yù)變形及拉伸試驗(yàn)每個(gè)變形量做3組，取其平均值作為最終結(jié)果，利用Origin 8.0繪圖轉(zhuǎn)化為應(yīng)力—應(yīng)變曲線做后續(xù)分析。拉伸斷口形貌采用Hitachi S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。

1.3 焊縫區(qū)域預(yù)應(yīng)變測(cè)定

由于含焊縫區(qū)域的X80管線鋼試樣為異種材料，分別含焊縫區(qū)域和母材區(qū)域兩種材料，其拉伸過(guò)程中兩部分變形行為存在差異。為了明確拉伸過(guò)程中焊縫和母材在所研究的變形條件下各自的變形情況，采用XTDIC系統(tǒng)用于測(cè)量和分析拉伸過(guò)程中管線鋼位移以及應(yīng)變等特征。XTDIC系統(tǒng)是一種光學(xué)非接觸式變形測(cè)量系統(tǒng)，用于物體表面形貌、位移以及應(yīng)變的測(cè)量和分析，并得到三維應(yīng)變場(chǎng)以及位移場(chǎng)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果直觀顯示。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)應(yīng)變過(guò)程中焊縫和母材區(qū)域的協(xié)同應(yīng)變響應(yīng)特征

金屬材料在變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即阻止繼續(xù)塑性變形的能力[9]。圖1為含焊縫區(qū)域的X80管線鋼在拉應(yīng)力下的應(yīng)變?cè)茍D，可以將含焊縫區(qū)域的X80管線鋼的在拉應(yīng)力作用下的應(yīng)變過(guò)程劃分為典型的4個(gè)階段，即均勻變形階段、焊縫區(qū)域變形階段、母材頸縮區(qū)域變形階段和斷裂階段。在均勻變形階段內(nèi)，母材和焊縫各區(qū)域的應(yīng)變基本相同，表現(xiàn)為均勻伸長(zhǎng)。隨著拉應(yīng)力的增大，由于應(yīng)變硬化等作用，變形開(kāi)始向相對(duì)比較薄弱的焊縫區(qū)域聚集，進(jìn)入第二階段焊縫變形階段。由于焊縫區(qū)域具有良好的應(yīng)變硬化能力，隨后的變形主要集中在焊縫區(qū)域，而焊縫區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母材區(qū)域。Afrin等[10]認(rèn)為，焊縫區(qū)域晶粒尺寸較大，可以有效增加晶界與內(nèi)部位錯(cuò)的流動(dòng)阻力，因此焊縫區(qū)域具有較高的應(yīng)變硬化能力。隨著應(yīng)力的持續(xù)增大，母材區(qū)域的應(yīng)變硬化跟不上其塑性變形的發(fā)展，應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，形成頸縮，進(jìn)入第3階段母材頸縮區(qū)域變形階段。一旦出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，管線鋼便發(fā)生塑性失穩(wěn)，應(yīng)變迅速向頸縮區(qū)域轉(zhuǎn)移，而其他區(qū)域幾乎不發(fā)生塑性變形。由于頸縮變形速度較快，應(yīng)力及應(yīng)變快速向母材頸縮區(qū)域集中，進(jìn)入第4階段斷裂階段，最終在母材區(qū)域發(fā)生失效斷裂。

Dundu[11]研究認(rèn)為，金屬材料在應(yīng)力—應(yīng)變曲線均勻塑性變形階段（第Ⅰ和Ⅱ階段）產(chǎn)生的應(yīng)變，可以對(duì)材料形成有效的應(yīng)變硬化。預(yù)變形量為1%時(shí)，由于應(yīng)變程度較小，各（焊縫和母材）區(qū)域具有一定的協(xié)調(diào)變形能力，應(yīng)變基本相同，應(yīng)變硬化效果也比較弱。預(yù)變形量增加到3%和5%時(shí)，由于各區(qū)域的應(yīng)變硬化能力不同，致使各區(qū)域不能持續(xù)協(xié)調(diào)變形，母材和焊縫區(qū)域均發(fā)生著持續(xù)的應(yīng)變硬化，而應(yīng)變主要集中在應(yīng)變硬化能力較大的焊縫區(qū)域，應(yīng)變硬化效果比較顯著（圖2）。

圖1 含焊縫區(qū)域的X80管線鋼DIC應(yīng)變?cè)茍D

圖2 不同預(yù)變形量下各區(qū)域硬化程度圖

2.2 預(yù)應(yīng)變對(duì)拉伸性能的影響

Kingklang等[12]針對(duì)應(yīng)變硬化對(duì)力學(xué)性能相應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷預(yù)變形材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均得到提高，屈強(qiáng)比增大，而延性（總延伸率或最大載荷或失效點(diǎn)的應(yīng)變）降低。圖3為不同變形量下的X80管線鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，對(duì)于未發(fā)生預(yù)變形的含焊縫區(qū)域X80管線鋼應(yīng)力—應(yīng)變曲線，具有連續(xù)屈服特征，曲線形狀呈拱頂形，具有較大的塑性變形能力。而對(duì)于同方向上取樣的母材試樣，應(yīng)力—應(yīng)變曲線位于含焊縫區(qū)域的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線的下方，并且應(yīng)變硬化區(qū)間也比較小，說(shuō)明母材試樣的抗拉強(qiáng)度以及塑性變形能力均比較差，更容易發(fā)生頸縮斷裂。經(jīng)過(guò)1%的預(yù)變形后，母材和焊縫區(qū)域的應(yīng)變硬化程度相同，應(yīng)力—應(yīng)變曲線均勻上移，具有較好的強(qiáng)度和塑韌性，隨著預(yù)變形量的增加，管線鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度逐漸增加，最終趨于一致（圖4-a）。預(yù)變形量為5%時(shí)，屈服強(qiáng)度增加了12.7%，并接近于抗拉強(qiáng)度，應(yīng)變硬化效應(yīng)最為明顯，但同時(shí)預(yù)變形導(dǎo)致管線鋼的塑性降低，幾乎沒(méi)有發(fā)生均勻變形，斷后伸長(zhǎng)率及斷面收縮率分別降低了31.5%和23.4%，主要是預(yù)變形使得焊縫區(qū)域發(fā)生加工硬化，使得塑性變形能力減弱（圖4-b）。

圖3 不同預(yù)變形量下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

屈強(qiáng)比反映的是管線鋼塑性變形與強(qiáng)度容量的能力，是管線鋼性能和安全的重要指數(shù)[11]。從圖4-c中可以看出，當(dāng)沒(méi)有發(fā)生預(yù)變形時(shí)，管線鋼比純母材區(qū)域[13]具有更低的屈強(qiáng)比，表明可以承受較大的塑性變形，即發(fā)生較大的塑性變形時(shí)，可及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，有利于管線鋼的應(yīng)變及安全控制。隨著預(yù)變形量的增大，焊縫和母材區(qū)域應(yīng)變硬化逐漸增強(qiáng)，屈強(qiáng)比逐漸增大。Han等[14]認(rèn)為管線鋼在預(yù)拉伸變形過(guò)程中，發(fā)生了大量位錯(cuò)的增值，隨著預(yù)變形的進(jìn)行，位錯(cuò)的密度大幅度提高，位錯(cuò)間相互纏繞聚集甚至生成亞晶界，位錯(cuò)纏結(jié)形成的高密度位錯(cuò)區(qū)成為位錯(cuò)滑移的新障礙，可以顯著提高材料的強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)變使得焊縫區(qū)域得到極大程度的強(qiáng)化，位錯(cuò)的大量聚集，降低了焊縫區(qū)域的均勻塑性變形能力和形變?nèi)萘?，使得管線鋼緩和應(yīng)力集中、松弛裂紋尖端局部應(yīng)力和限制裂紋擴(kuò)展的能力降低，損害管材的缺陷容量，致使承載能力降低，對(duì)管線鋼的服役安全性能造成影響[15]。金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變行為一般遵循冪硬化規(guī)律，即符合Hollomon公式，其中應(yīng)變硬化指數(shù)反映了管線鋼材料抵抗均勻塑性變形的能力，應(yīng)變硬化指數(shù)（n）可以通過(guò)下式獲得[16]：

式中σ表示真應(yīng)力，MPa；K表示硬化系數(shù)；εp表示真應(yīng)變。

則拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)（0.002，σ0.2）和斷裂點(diǎn)（εf,σf）應(yīng)符合式（1），可以求出材料的應(yīng)變硬化指數(shù)（n）：

式中σ0.2表示應(yīng)變?yōu)?.2%對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度，MPa；εf表示斷裂延性；σf表示斷裂強(qiáng)度，MPa。

σf由抗拉強(qiáng)度（σb）和斷面收縮率（φ）來(lái)估算：

斷裂延性（εf）由不均勻塑性變形階段的真應(yīng)變公式求得：

圖4 不同預(yù)變形量下力學(xué)性能關(guān)系圖

計(jì)算結(jié)果如圖4-c、d所示，未發(fā)生預(yù)變形時(shí)，管線鋼具有較高的應(yīng)變硬化指數(shù)、斷裂強(qiáng)度和斷裂延性，發(fā)生塑性變形時(shí)，焊縫區(qū)域會(huì)阻止塑性變形繼續(xù)發(fā)展，并將變形推移到別的未變形部位。隨著預(yù)變形量的增加，焊縫區(qū)域應(yīng)變硬化的程度增加，塑性變形停留于焊縫區(qū)域的變形區(qū)間減小，并快速地將應(yīng)變推移到母材區(qū)域。使得斷裂強(qiáng)度、斷裂延性以及應(yīng)變硬化指數(shù)均隨之減少，并且預(yù)變形量越大，這種推移到母材的速度越快，應(yīng)變硬化指數(shù)降低的程度越大。

2.3 預(yù)應(yīng)變對(duì)X80管線鋼拉伸斷裂行為的影響

韌性金屬試樣受拉伸時(shí)，在其薄弱部位先開(kāi)始塑性變形，由于應(yīng)變硬化的作用，變形會(huì)被馬上阻止，并將變形推移到其他次薄弱部位，使得變形和應(yīng)變硬化交替進(jìn)行[17-18]。經(jīng)過(guò)預(yù)變形后，焊縫區(qū)域得到了充分的應(yīng)變硬化，當(dāng)發(fā)生變形時(shí)，會(huì)將這種變形推移到母材區(qū)域，并且當(dāng)母材區(qū)域的應(yīng)變硬化跟不上其變形的需要時(shí)，就會(huì)在其薄弱部位持續(xù)進(jìn)行變形，使得應(yīng)變集中于局部區(qū)域而產(chǎn)生頸縮，最終在母材區(qū)域發(fā)生斷裂，其宏觀斷口為杯錐狀形貌（圖5）。Bastola等[13]通過(guò)對(duì)X80管線鋼焊接接頭拉伸斷口形貌的研究，認(rèn)為管線鋼頸縮處的材料由于夾雜物、第二相質(zhì)點(diǎn)與基體材料的彈性和塑性的差別，形成顯微孔洞，這些孔洞不斷增多、長(zhǎng)大并相互聚集連通，最終造成斷裂，其斷口顯微形貌有許多凹坑構(gòu)成，稱為微坑或韌窩。含焊縫區(qū)域的X80管線鋼拉伸斷口就是典型的韌窩形貌。如圖5-a所示，當(dāng)沒(méi)有發(fā)生預(yù)變形時(shí)，分布著大量韌窩，形態(tài)密集、大小均勻，即在正應(yīng)力作用下微孔沿著3個(gè)方向的長(zhǎng)大速率相同，形成了典型的等軸韌窩，屬于微孔聚集型斷裂，表明管線鋼具有良好的塑韌性能[19]。當(dāng)發(fā)生不同程度的預(yù)變形后，焊縫區(qū)域得到了應(yīng)變硬化，使得應(yīng)變很難持續(xù)在焊縫區(qū)域進(jìn)行，從而更容易推移到應(yīng)變硬化較弱的母材區(qū)域，并且預(yù)變形量越大，發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的速度越快，頸縮也就更早的發(fā)生。如圖5-b、c所示，韌窩形貌變得不規(guī)則，形態(tài)個(gè)體差異較大，韌窩細(xì)小并且較淺，尤其預(yù)變形3%時(shí)，有一些異常大的韌窩出現(xiàn)，并且存在大量的孔洞，孔洞中有明顯的第二相粒子，是孔洞的形成核心，預(yù)變形使得大量位錯(cuò)釘扎在第二相粒子處，促使局部應(yīng)力迅速集中，加劇了脆性斷裂的趨勢(shì)。預(yù)變形量為5%時(shí)，焊縫區(qū)域得到了極大的應(yīng)變硬化，當(dāng)有變形發(fā)生時(shí)，快速地將應(yīng)變推移到較弱的母材區(qū)域，而此時(shí)母材內(nèi)部聚集了大量的孔洞、裂紋等缺陷，這些孔洞和裂紋快速聚集并斷裂，斷口形貌雖以韌窩為主，但是伴有大量的河流花樣以及舌狀花樣等準(zhǔn)解理形貌（圖5-d）。預(yù)應(yīng)變?cè)斐珊缚p區(qū)域發(fā)生應(yīng)變硬化，使得將變形推移到母材區(qū)域的應(yīng)變?nèi)萘繙p少，因而斷裂機(jī)制也由微孔聚集型向準(zhǔn)解理型斷裂轉(zhuǎn)變，發(fā)生脆性斷裂的趨勢(shì)增大，嚴(yán)重影響到管線鋼服役過(guò)程中的安全性能。

圖5 不同預(yù)變形量下的宏觀和微觀拉伸斷口形貌圖

通過(guò)以上的研究發(fā)現(xiàn)，含焊縫區(qū)域的X80管線鋼發(fā)生變形時(shí)，預(yù)變形量小于1%時(shí)，母材區(qū)與焊縫區(qū)發(fā)生協(xié)同變形，所引起的應(yīng)變硬化程度相同，當(dāng)再次發(fā)生變形時(shí)，對(duì)管線鋼性能影響不大。但是預(yù)變形量較高時(shí)（3%和5%），焊縫區(qū)與母材區(qū)塑性變形發(fā)生脫節(jié)，變形主要集中在焊縫區(qū)域，產(chǎn)生了較強(qiáng)的應(yīng)變硬化，再次發(fā)生變形時(shí)，使得管線鋼塑性變形能力減弱，在母材區(qū)呈脆斷趨勢(shì)。因此，在管道增壓過(guò)程中，應(yīng)該合理地控制管線鋼變形程度，同時(shí)，焊縫區(qū)域?yàn)椴灰装l(fā)生斷裂區(qū)域。

3 結(jié)論

1）在拉應(yīng)力的作用下，焊縫區(qū)域和母材區(qū)域均發(fā)生了相應(yīng)的應(yīng)變響應(yīng)，應(yīng)變量小于1%時(shí)，母材區(qū)與焊縫區(qū)發(fā)生協(xié)同變形，所引起的應(yīng)變硬化程度相同。應(yīng)變量較大時(shí)，使得塑性變形主要集中在應(yīng)變硬化能力較高的焊縫區(qū)域，預(yù)變形后，焊縫區(qū)域應(yīng)變硬化程度較高，使得再次變形時(shí)，應(yīng)變很難持續(xù)在焊縫區(qū)域進(jìn)行，從而更容易推移到應(yīng)變硬化能力較弱的母材區(qū)域。

2）經(jīng)過(guò)預(yù)變形后，母材與焊縫區(qū)域均產(chǎn)生了應(yīng)變硬化，表現(xiàn)為應(yīng)力—應(yīng)變曲線上移，并且隨著預(yù)變形量增大，焊縫區(qū)域?qū)⒆冃瓮埔频侥覆膮^(qū)域的應(yīng)變?nèi)萘繙p少，使得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率以及斷面收縮率下降，降低了管線鋼的均勻塑性變形能力和形變?nèi)萘俊＠鞌嗫谛蚊惨灿纱笮【鶆虻容S韌窩，變?yōu)樾螤畈灰?guī)則且小而淺的韌窩，預(yù)變形為5%時(shí)，出現(xiàn)了河流花樣以及舌狀花樣等準(zhǔn)解理形貌，斷裂機(jī)制由微孔聚集型向準(zhǔn)解理型斷裂轉(zhuǎn)變，使管線鋼的塑韌性急劇降低。