余宣洵,趙 虎,孫照陽,吳志文

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心,安徽 馬鞍山 243003)

管道輸送油氣是目前最經(jīng)濟(jì)合理的油氣輸送方式[1],以海底管道為重要途徑,遠(yuǎn)距離向陸地輸送海洋平臺(tái)開采的油氣資源。與陸地相比,海洋環(huán)境比較惡劣和嚴(yán)峻,海底管道需要滿足高強(qiáng)度、高韌性和良好焊接的要求。

由于海底管道在海洋復(fù)雜環(huán)境中服役時(shí)間較長(zhǎng),不僅要受管內(nèi)環(huán)境荷載和流體腐蝕、壓力的作用,如管外波流、海底沖刷淤積、滑移變化等,還要承受如落物對(duì)管道的沖擊、漁網(wǎng)、魚線等絲狀物拖拽的意外載荷的作用,這些海底管道也就可能會(huì)發(fā)生懸空、移位或損壞等情況。這些隱患對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)都有很大的威脅,所以要求低溫條件下海底管線用鋼的韌性要高一些,這樣才能防止出現(xiàn)破裂的情況[2]。因此,如何合理有效地評(píng)估海洋管道的低溫?cái)嗔秧g性,保證海底管道的安全可靠運(yùn)行,是海洋油氣管道制造極為關(guān)注的技術(shù)問題。

管材低溫韌性的優(yōu)劣是由管材的韌性轉(zhuǎn)變溫度決定的,這也是直接影響材料應(yīng)用范圍和使用安全性的重要指標(biāo)。為了保證石油天然氣管道的安全可靠,防止輸送管道斷裂,必須保證管線用鋼的高韌性要求。

與傳統(tǒng)的夏比沖擊試驗(yàn)評(píng)定方法相比,CTOD(裂紋尖端開啟位移)能全面反映材料的抗裂抗損能力,成為評(píng)價(jià)低溫韌性的最主要指標(biāo)之一。CTOD,即裂尖開口位移,它是指裂紋體在承受張開載荷后,在原始裂紋尖端兩側(cè)張開的相對(duì)距離。CTOD值的大小直接反映了裂紋尖端材料的抗裂能力[3-4],試驗(yàn)所得到的CTOD值越高,說明材料的抗裂性能越好,即韌性越好,試驗(yàn)所得到的CTOD值越低,說明材料的抗裂性能越差,即韌性越差。當(dāng)材料的某一臨界值達(dá)到裂口尖端的開口位移CTOD 值時(shí),裂口發(fā)生不穩(wěn)定的擴(kuò)展[5-8]。

CTOD性能是海底管線用鋼低溫?cái)嗔秧g性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),特別是厚規(guī)格產(chǎn)品,用于評(píng)價(jià)裂紋止裂能力,這直接關(guān)系到海底管線的使用安全性和服役壽命[9]。可根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)BS7448中規(guī)定的材料實(shí)際厚度(即全厚度試樣)進(jìn)行CTOD試驗(yàn)制樣。這樣就把原來的結(jié)構(gòu)(板厚)尺寸保存下來了,測(cè)出來的韌性性能就比較準(zhǔn)確。這是CTOD試驗(yàn)優(yōu)于夏比沖擊試驗(yàn)的重要特征[10]。

海洋管道系統(tǒng)施工規(guī)范DNV-OS-F101規(guī)定,必須對(duì)管道鋼材進(jìn)行CTOD試驗(yàn)。一般要求ERW焊管海底管路CTOD性能為0 ℃,CTOD值≥0.20 mm,對(duì)于低溫CTOD性能,用戶有時(shí)根據(jù)使用環(huán)境的不同而提出更高的要求。要求具有優(yōu)良低溫CTOD性能的海底管路用鋼在-20 ℃條件下CTOD值≥0.30 mm,這將大大提高海底管線的使用可靠性和服役時(shí)間。所以,研究海底管線鋼的CTOD性能是很有必要的。

本文研究了一種X65級(jí)海底管線鋼在不同厚度、不同溫度下的低溫CTOD性能,分析了X65級(jí)海底管線鋼在不同厚度、不同溫度下對(duì)CTOD值的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料選取20.6 mm和14.3 mm厚度規(guī)格的X65級(jí)別的海底管線鋼進(jìn)行低溫CTOD試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)如表1所示。實(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分采用了超低P、S、加入微量合金元素(Nb、Ti等)的低碳成分設(shè)計(jì)體系。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(wt,%)

表2 實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)鋼熱軋具體方案為:先將實(shí)驗(yàn)鋼坯用加熱爐加熱至1200 ℃,保溫2小時(shí)后,再經(jīng)兩階段軋制并控制冷卻再結(jié)晶區(qū)和未結(jié)晶區(qū),軋制成厚度分別為20.6 mm和14.3 mm的實(shí)驗(yàn)鋼板,出爐溫度控制在1200 ℃左右。終軋溫度控制在860 ℃,卷取溫度控制在450 ℃,實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如表 2所示。

根據(jù)英國規(guī)范BS-7448的標(biāo)準(zhǔn)要求,在板厚為20.6 mm和14.3 mm實(shí)驗(yàn)鋼板上截取尺寸為9B(長(zhǎng))×2B(寬)×B(厚)的三點(diǎn)彎曲CTOD 試樣,B為實(shí)驗(yàn)鋼板厚度。根據(jù)英國規(guī)范BS-7448確定缺口位置,標(biāo)記需要切割的加工線,缺口加工由線切割完成,缺口采用 V 形坡口,缺口深度為7～10 mm,角度為60°,如圖1所示。

圖1 CTOD試樣加工圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用MTS FlexTest 40 250kN試驗(yàn)機(jī)對(duì)加工好的三點(diǎn)彎曲CTOD試樣在室溫下預(yù)制疲勞裂紋。對(duì)試樣厚度和寬度分別進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出整個(gè)預(yù)制裂紋過程中允許施加在預(yù)制疲勞裂紋過程中不能超過此數(shù)值的最大負(fù)荷。初始裂紋長(zhǎng)度a0為機(jī)械缺口深度加預(yù)制疲勞裂紋的深度,同時(shí)應(yīng)保證試樣寬度a0與W=2B的最終初裂長(zhǎng)度之比為0.45～0.55。

將預(yù)制裂紋后的CTOD試樣放入低溫混合液中冷卻,混合液為液氮和酒精,在溫度為0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的條件下保溫8 min,采用一次加載方法,直至試樣不穩(wěn)定破裂,記錄負(fù)荷F和裂口開口位移V值,自動(dòng)繪制P-V曲線;卸載后,失穩(wěn)斷裂試樣經(jīng)二次疲勞后打斷,經(jīng)光學(xué)顯微鏡測(cè)定裂紋長(zhǎng)度(實(shí)際初始紋長(zhǎng)度a0和擴(kuò)展后的裂紋長(zhǎng)度口),干燥處理斷口;最后,利用P-V曲線,試樣的CTOD值分別按照式(1)、(2)和(3)計(jì)算。

(1)

(2)

T(K)=273.15+t(℃)

(3)

式中:δ為斷裂韌性CTOD值,mm;F為施加的載荷,KN;B為試樣厚度,mm;W為試樣寬度,mm;a0為初始裂紋長(zhǎng)度,mm;Rp0.2為實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度,MPa;Vp為缺口張開位移的塑性分量,mm;z為引伸計(jì)初始位置到試樣表面的距離,mm;ν為泊松比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

加工后的實(shí)驗(yàn)鋼CTOD試樣分別在0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行CTOD試驗(yàn),按上述1.2節(jié)的方法進(jìn)行試驗(yàn),在每個(gè)溫度下抽取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果值按3次平均值計(jì)算,以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。CTOD試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。δm為最大荷載CTOD值,即最大荷載點(diǎn)或最大荷載平臺(tái)起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CTOD值。

表3 實(shí)驗(yàn)鋼CTOD試驗(yàn)結(jié)果

圖2為20.6 mm和14.3 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD試驗(yàn)P-V曲線,從圖中可以看出,20.6 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼在-40 ℃時(shí)P-V曲線出現(xiàn)失穩(wěn),但是失穩(wěn)是在載荷F達(dá)到最大值后才出現(xiàn)的,所以在-40 ℃時(shí),20.6 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD值仍達(dá)到1.30 mm。但在-60 ℃和-80 ℃時(shí),P-V曲線均在載荷F上升階段出現(xiàn)失穩(wěn),所以此溫度下其CTOD值很小,所以20.6 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD轉(zhuǎn)變溫度區(qū)在-40～-60 ℃。而14.3 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼的P-V曲線在-60 ℃和-80 ℃均未出現(xiàn)失穩(wěn),所以其CTOD值仍保持較高水平。

圖2 20.6mm和14.3mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼CTOD試驗(yàn)的P-V曲線

圖3是實(shí)驗(yàn)鋼在0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃的試驗(yàn)溫度下厚度為20.6 mm、14.3 mm的CTOD值規(guī)律變化圖,從圖中可以看出,在-80 ℃時(shí),厚度為14.3 mm的實(shí)驗(yàn)鋼隨著試驗(yàn)溫度的降低,CTOD值變化不大。其CTOD值為1.63毫米。而20.6 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD值隨試驗(yàn)溫度降低而降低,在0～-40 ℃之間,其CTOD值降低平緩,在-40 ℃時(shí)其CTOD值為1.30 mm,而在-60 ℃以下后,其CTOD值有較大幅度的降低,在-60 ℃時(shí)其CTOD 值降低到僅為0.11 mm。

圖3 不同試驗(yàn)溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD值變化規(guī)律圖

在溫度比較低(-40～-80 ℃)時(shí),厚度增加會(huì)降低實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD 值,降低材料的斷裂韌性。由于裂紋的尖端區(qū)域隨厚度的增加而由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài),并在缺口的尖端處出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài),使裂口尖端在產(chǎn)生應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象的同時(shí),也限制了其塑性的流動(dòng),從而使材料易發(fā)生脆性斷裂。

選取-20 ℃試驗(yàn)溫度下20.6 mm和14.3 mm厚度CTOD試樣斷口進(jìn)行SEM掃描電鏡觀察微觀組織形貌,如圖4～圖5所示。

圖4 -20 ℃試驗(yàn)溫度下20.6 mm實(shí)驗(yàn)鋼CTOD試驗(yàn)試樣斷口形貌

圖5 -20 ℃試驗(yàn)溫度下14.3 mm實(shí)驗(yàn)鋼CTOD試驗(yàn)試樣斷口形貌

由圖4～圖5可知,斷口預(yù)制疲勞裂紋區(qū)均表現(xiàn)為疲勞裂紋擴(kuò)展特征,斷口預(yù)制疲勞裂區(qū)裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展試樣邊緣表現(xiàn)為剪切特征,說明試樣表面處于明顯的平面應(yīng)力狀態(tài),且實(shí)驗(yàn)鋼在預(yù)制疲勞裂紋階段,裂紋擴(kuò)展較慢,裂紋尖端較為尖銳。因此,當(dāng)裂紋穩(wěn)定狀態(tài)擴(kuò)展試樣邊緣表現(xiàn)為剪切特征時(shí),其裂紋穩(wěn)定狀態(tài)擴(kuò)展試樣邊緣試樣表面呈現(xiàn)平面受力的明顯狀態(tài)。從試樣表面至心部,裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展完全以韌窩形式發(fā)展,呈現(xiàn)出典型的塑性裂紋擴(kuò)展特征,且裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展量較高,中心部位裂紋擴(kuò)展量Δa均大于1 mm,說明實(shí)驗(yàn)鋼的韌性性能較好。

本文實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分采用低碳、超低P、S、添加微量微合金元素(Nb、Ti等)的成分設(shè)計(jì),得到晶粒度約為12.0級(jí)的針狀鐵素體組織,如圖6(a)和(b)所示,圖6(a)為金相顯微組織照片,圖6(b)為SEM掃描電鏡微觀組織形貌照片,圖6(c)～圖(d)為析出粒子照片,圖6(e)和(f)為TEM透射電鏡組織位錯(cuò)照片。

圖6 實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織、SEM和TEM照片

由圖6(a)和(b)可以看出,實(shí)驗(yàn)鋼組織是均勻細(xì)小的針狀鐵素體組織,針狀鐵素體組織是最有效的抗裂紋組織[11],在組織內(nèi)部彌散分布大量細(xì)小的Nb和Ti的析出物和大量的位錯(cuò)組織,圖6(c)～圖(f)所示,析出物的大小在50～120 nm之間,當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí),位錯(cuò)相互纏繞,并與這些細(xì)小的Nb和Ti的析出物相互釘扎,使得裂紋擴(kuò)展到此處后很難通過,而裂紋的擴(kuò)展是靠位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,釘扎的位錯(cuò)不容易運(yùn)動(dòng),裂紋就不容易擴(kuò)展,最終表現(xiàn)為較好的CTOD性能。

3 結(jié)論

采用低碳、超低P、S、添加微量微合金元素(Nb、Ti等)的成分設(shè)計(jì),通過合適的控軋控冷工藝得到細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織,針狀鐵素體組織具有良好的抗塑性變形和阻止裂紋擴(kuò)展的能力,從而使實(shí)驗(yàn)鋼具有良好的CTOD性能。

(1)20.6 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD值隨著試驗(yàn)溫度降低而降低,在0～-40 ℃之間,其CTOD值降低平緩,其CTOD性能均保持在較高水平,在-40 ℃時(shí)其CTOD值為1.30 mm,而在-60 ℃以下后,其CTOD值有較大幅度的降低,在-60 ℃時(shí)其CTOD值降低為0.11 mm。

(2)實(shí)驗(yàn)鋼的CTOD性能存在厚度規(guī)格效應(yīng)的影響,14.3 mm厚度實(shí)驗(yàn)鋼隨著試驗(yàn)溫度的降低,其CTOD性能均保持在較高水平,在-80 ℃下,其CTOD值仍達(dá)到1.63 mm。