高频电阻焊管运输疲劳失效分析

1、高频电阻焊管运输疲劳失效分析 摘要：利用化学成分分析、力学性能检测、压扁试验、宏观及微观分析等方法对输送管道施工现场发现的其中两根323.9mm×6.4mm HFW API5LL360/X52高频电阻焊管纵向开裂的原因进行了分析。结果表明，高频电阻焊管管体上纵向裂纹属于运输疲劳裂纹，管体表面折叠、塑性损伤及运输过程中附加的周期应力等是高频电阻焊管产生疲劳失效的主要原因。 某管线设计压力6.4MPa，高频电阻焊管规格为323.9mm×6.4mmHFWAPI5LL360/X52。该批高频电阻焊管是业主委托第三方全过程监督，钢管检测合格后，首先用汽车运送到约20km处的码头，再装

2、 暗褐色的均匀腐蚀形貌。A钢管管端沿周向、距纵焊船经35天左右海运，最后用汽车装载行驶约1500km被运送到施工现场。在施工现场对焊作业过程中，工程技术人员发现该批准备投料对接的高频电阻焊管有根端部存在贯穿全壁厚的纵向裂纹。为了给长输管道工程用钢管的综合质量控制及已铺设管道工程的安全运营提供风险控制技术依据，本项目组在现场抽取两根管体纵向开裂的高频电阻焊管，对其管体开裂的原因进行分析。1 分析方法及结果1.1 宏观分析图1为2根存在管端开裂的高频电阻焊管实物照片。高频电阻焊管管体外壁覆盖着致密的3 层PE防护层，且防护层没有明显损伤痕迹；管体外壁距钢管端部约95mm为裸露段，该段管体外表面与内

3、表面均呈暗褐色的均匀腐蚀形貌。A钢管管端沿周向、距纵焊缝150mm处有一条长约76.7mm贯穿全壁厚的纵向分布的裂纹；B钢管管端沿周向、距纵焊缝约292mm处有一条长约40.5mm的贯穿全壁厚的纵向分布的裂纹，与裂纹相对应的管端处，有一条长约22mm的磕碰、卷边塑性变形损伤缺陷存在。用机械方法剥离掉A、B管段防腐层 对全管段进行超声检测、磁粉检测探伤，裸露管段长裂纹所在处，其外壁上有多条纵向分布的磁痕缺陷，其余部位未发现有超标缺陷存在，见图2所示。1.2化学成分分析 采用ARL4460 直读光谱仪，依据标准ASTMA751-2008钢制品化学分析、实验操作和术语，在钢管距焊缝180°

4、位置取样，对A、B两根L360/X52高频电阻焊管管体进行化学成分分析结果如表1所示。 由表1可看出，A、B两根失效L360/X52高频电阻焊管的化学成分均满足管线设计要求。1.3 力学性能测试 拉伸试验 从远离裂纹处的失效高频电阻焊管管段上，沿与钢管焊缝成180°的管体处取横向全壁厚板状拉伸试样，试样规格为38.1mm×50mm（宽度×标距）。在UH-F500KNI型拉伸试验机上，依据ASTMA370-2009钢制品力学性能试验的方法和定义标准进行拉伸试验，试验结果见表2。由表2可看出，A、B两根失效高频电阻焊管的拉伸性能均满足管线设计要求。 冲击试验从远离裂纹

5、处的钢管段上 沿与钢管焊缝成90°的管体处和管体裂纹两侧处 以管体壁厚中心为试样中心线，沿纵向和横向分别比取5 mm×10 mm×55mm的夏比V型缺口冲击试样。在ZBC2752-B型夏比摆锤试验机上，按照ASTM A370-2009标准，在0条件下进行冲击试验，结果见表3。从表3可看出，A、B两根失效高频电阻焊管在0条件下的夏比V型缺口冲击吸收能量及断面剪切率试验数值均满足管线设计要求。 硬度试验在与钢管焊缝成90°处的管体上，垂直管体轴向取横截面硬度试样。按照ASTM E92-1982金属材料维氏硬度测试方法标准要求，在距内、外表面各 1.5mm和壁

6、厚中心处，分别进行10kg载荷维氏硬度试验，硬度计型号为HSV-20，试验位置如图3所示，试验结果见表4。从表4可看出，A、B两根失效高频电阻焊管的母材硬度值均符合管线设计要求。在Tukon2100B显微硬度计上对A、B两根失效高频电阻焊管组织流线特征明显区域和无流线变形区域分别进行显微硬度检测，检测点位置如图3所示，结果见表5。裂纹附近组织变形区的硬度测量结果显示，折叠所在处变形组织存在形变硬化现象，且部分检测点硬度实测值已超出管线设计要求。1.4 压扁试验在A、B两根失效高频电阻焊管管段上取压扁试样，按照GB/T2462007金属管压扁试验方法标准要求进行压扁试验，试验设备为SHT4106

7、。试验结果：将焊缝置于与受力方向0°位置，压扁至2/3D直至贴合，未出现开裂。压扁试验结果，高频电阻焊管符合工程设计要求。1.5 金相分析及断口形貌 金相分析 从A、B两根失效高频电阻焊管管体上分别取样，其显微组织为珠光体加铁素体，晶粒度级别为11.6级。 在A管距管端20mm处，沿垂直图2中磁痕方向取金相分析试样。光学显微镜下观察发现外壁与磁痕方向对应的横截面上有多个起始于表面的裂纹，这些裂纹主要可分为三大类：一类是缝隙内有灰色氧化物的裂纹，裂纹与外表面成一定的夹角向前延伸，后逐渐变为沿壁厚方向扩展，这类裂纹为钢管表面折叠裂纹，近管壁层组织有明显的塑性变形特征，其显微组织见图4（a

8、）；另一类是产生于表面局部小的点蚀坑底部的 裂纹 见图4（b）第三类裂纹起源于管壁基体内大型氧化物夹杂 裂纹以穿晶 沿晶方式扩展 靠近表面夹杂处的裂纹已扩展至外表面，见图4（c）。 在A管上沿垂直主裂纹方向取金相分析试样在光学显微镜下观察发现基体内多处折叠缺陷与主断口面相贯通，且折叠附近组织存在明显的变形流线，见图 4（d）。该断口起源于折叠裂纹缺陷。 B钢管管体裂纹处金相试样观察结果与A钢管基本相同 管体内 外壁折叠形貌见图 5（a）、（b）；钢管坡口面及管体上多处同样也存在这类缺陷，见图5（c）、（d）。 断口扫描电镜形貌 沿两根失效高频电阻焊管管体纵向长裂纹剖开A、B管体，其断口宏观形貌

9、见图6（a）、（b）所示。宏观观察发现A钢管断口主要由内、外两个大平台构成，每个平台又由多个小平台组成，整体呈棕褐色腐蚀形貌。清洗干净断口，在扫描电镜下观察发现A钢管断口裂纹起源于内表面，具有明显的多源疲劳特征，内侧断口呈挤压形变腐蚀形貌靠近外壁断口上放射线收敛于内壁疲劳断口上放射线收敛于内壁疲劳断口，见图7折叠缺陷处； 对其表面锈蚀产物进行X射线能谱曲线分析可知，其主要由Fe、C、O、Ca、K、Mn、Cl等元素组成，X射线能谱曲线见图8。根据上述断口特征及分析结果可判断该断口为疲劳断口，且外壁断口是由起源于内壁的疲劳断口再次启动扩展而形成的。B钢管断口形貌特征几乎与A钢管断口完全相同，裂纹分

10、别起源于外壁、内壁和管端塑性变形处，但以外壁为主，扫描电镜下观察断口特征形貌几乎与A钢管相同，B钢管长裂纹断口扫描电镜微观形貌图略。 。2 分析与讨论 A、B两根开裂钢管实物样品理化性能检测结果显示，远离裂纹处管体原材料横向拉伸强度、夏比冲击吸收能量、硬度和主裂纹两侧各80mm处管体横向夏比冲击韧性指标均符合API5L标准及相关附加技术规范要求 。根据钢管制造公司提供的该批钢管投料、生产、检测、表面防腐及货物发运等质量管理流程，出库钢管质量完全符合该输送管线工程技术要求。送检的开裂管段，管体外防腐层完好，A、B钢管段的管端裸露段外表面和整个管段内壁呈均匀腐蚀形貌，A钢管无明显压痕、摔伤等塑性变

11、形痕迹。另据调查，该批钢管生产过程中，甲方聘请第三方对整个生产流程实施了第三方监督。综上所述，可初步排除该批钢管中A、B两根钢管未防腐的裸露段在出库前就存在穿透性裂纹缺陷的可能性。 管体表面纵向裂纹断口扫描电镜观察结果表明，起始于A管体内、外表面的小裂纹和贯穿管端壁厚的长裂纹断口特征一致，源区和扩展区都十分平坦，扩展区疲劳辉纹清晰可见，均为疲劳断口，且为典型的多源疲劳。B钢管表面纵向裂纹断口可分为两类，一类是起始于钢管管端坡口棱角缘塑性损伤处的裂纹，其裂纹萌生主要与塑性损伤处材料组织形变硬化所导致的局部残余应力集中有关，该断口占整个断口面积相对较小，扩展区呈扇形平台状，属于疲劳裂纹扩展所形成的

12、；第二类裂纹特征几乎相同于A钢管纵向裂纹，裂纹更多的起始于外壁，内壁较少，也为多源疲劳断口。总之，A、B两根失效高频电阻焊管上靠近端部管体裂纹，无论是起始于管体内表面或者是外表面的裂纹，其均以疲劳的方式沿壁厚方向扩展，多个疲劳区相互连通，最后贯穿整个全壁厚。管体上穿透性裂纹属于疲劳裂纹。 开裂的钢管均为新钢管其在现场对焊作业之前，承载的可能性仅限于钢管从出库到现场的运输过程中 即钢管汽车陆运和海运路途中 在采用汽车运输和转运堆垛情况下 由于钢管堆垛层数有限 存放在最底层钢管在静态下受力要小得多，只要符合相关标准条款要求，在堆垛存放状态下钢管所承受的力也不至于使钢管产生明显损伤否则 钢管可能会发

13、生塑性形变。而据现场监督反映，在海运过程中，该批钢管在船舱内堆垛高度达26层，根据估算，最底层钢管承受来自其上面堆垛钢管附加的重力达15t；另一方面，堆垛中钢管可能还会受到来自相邻钢管给其附加的水平方向的约束力的作用；其次还受到下面支撑、固定垫块对钢管的支持力。 从上面分析可知 钢管在静态主要受上层钢管累加重力 下面支撑固定垫块对钢管的支持力及水平方向约束力等三种力的作用；但在运输途中，钢管受力情况会随外加动载发生较大的变化。一方面该钢管D/t（D为钢管外径，t为钢管壁厚）相对较大，位于船舱较底部堆垛钢管受力较为复杂，水平方向有来自相邻钢管的约束力的作用，纵向除承受钢管自重和下面固定垫块作用外

14、，还要受堆在其上层的钢管的累加重力，这些力的综合作用使钢管横截面在水平方向和纵向可能发生交替屈曲形变。若钢管在装船时，误将较短尺寸的较下层，这时放在其上层与之相邻钢管的受力状况则更为苛刻；另外船在海中航行，遇到大的风浪，风浪会导致船舶上下、左右周期性颠簸和振动，一旦管体某一个部位固定垫块移位，或管体局部与硬度较高的物体直接接触，发生周期性碰撞、摩擦，管体表面或端部局部就会因塑性变形而产生应变硬化和组织应力集中。众所周知，应力集中处是钢管的薄弱环节之一，在疲劳载荷下，应力集中处易萌生疲劳裂纹扩展纹，并发生疲劳损伤，特别是当管体本身存在深的点蚀坑或大型夹杂物等缺陷时，其不仅破坏了钢管材料力学性能的

15、连续性，且易引起材料形成局部应力集中；这些携带缺陷的钢管在运输途中，一旦受到周期性弯曲 应力作用，其缺陷处易萌生裂纹，且成为疲劳裂纹源，并使裂纹萌生期大大缩短、有效疲劳寿命显著下降；当管体存在折叠等原始裂纹缺陷时，一旦外部附加的周期性弯曲应力达到或超过管体上折叠裂纹扩展断裂韧性门槛值，折叠裂纹会直接成为疲劳裂纹源而扩展，使钢管发生疲劳失效。在A、B钢管试样中，不仅发现了管壁深的点蚀坑或大型夹杂物处萌生扩展的裂纹，还发现了大量起始于内、外表面折叠缺陷的疲劳裂纹，在B钢管端部损伤处也发现了起始于管端塑性变形的疲劳裂纹。据此可判断A、B两高频电阻焊管属于疲劳失效。 近年来 随着管道工程建设项目的不断

16、增加 有关钢管在长途水路运输过程中发生疲劳损伤的问题也逐步被更多的工程技术人员所认知 。APISPEC5LW规范就对钢管在海运过程中如何预防钢管发生疲劳损伤提出了明确的规范性要求 。运输疲劳是一种低周次、高振幅的损伤形式。通常海浪的频次在110次/s，装满船舱的钢管其承受疲劳载荷的频次与海水振动次数相当。据此有人选用直径180mm、壁厚9 mm、疲劳寿命估算值635天、强度级别为625MPa的铁素体加珠光体钢管进行疲劳损伤模拟试验结果显示：发生失稳开裂钢管的断口形貌特征与实物钢管疲劳断口几乎相同 并且钢管疲劳寿命与估算值也吻合得很好；模拟试验得出结论：当钢管承受周期性外载振幅超过其疲劳门槛值时

17、，无缺陷位于船舱底部钢管，在平滑过渡垫块下也会发生疲劳失效；有原始塑性压痕或无压痕的钢管，在较为坚硬枕木或尖锐垫块约束下会发生早期疲劳失效。所以，据此可判断本项目分析的A、B两高频电阻焊管管体开裂是在运输途中产生的疲劳损伤，属于运输疲劳失效。 综上所述，钢管在海运过程中，因船舱颠簸，堆垛在其上层的钢管给下层钢管附加的垂直向下应力就变成了一个周期性的弯曲应力钢管断口金相 、扫描电镜分析结果表明，该钢管管体穿透性裂纹就是管壁折叠裂纹在运输疲劳应力作用下快速扩展形成的；另外，该管体上塑性形变缺陷、点蚀坑底和浅表层夹杂等缺陷所形成的疲劳裂纹，不但加速了主断口疲劳裂扩展的进程，而且也加速了A、B两高频电阻焊管管体的开裂。3 结论1） 管