管线钢管柱的分层裂纹及其对断裂的影响

管线钢管柱的分层裂纹及其对断裂的影响

随着油气输送效率的提高和钢铁控制领域的发展，管道钢的强度和耐腐蚀性要求不断提高，采用高强度和高耐腐蚀性的管道钢带来了新的破坏。“分层裂纹”是控轧钢板断口上常见的一种断口形貌,断口上产生垂直的主裂纹面和与主裂纹面正交的分层裂纹。管线钢在轧制过程中产生平行于轧制方向的由贝氏体或马氏体组成的带状组织,贝氏体或马氏体对提高管线钢的韧性有很好的作用,但贝氏体或马氏体薄层比铁素体或珠光体厚层更脆,形成平行于钢板表面的层状薄弱界面,使沿钢板厚度方向的强度明显低于纵向,容易产生平行于轧制方向的断裂。断口形成分层裂纹的控轧钢,受力前内部并未存在潜在裂纹,分层裂纹是受力变形时钢板内部的薄弱界面受到钢板中三维应力作用的结果。分层裂纹的产生受材料的力学性能、温度和应力状态等因素的影响。国内外的研究均表明:试样厚度、分层裂纹和裂纹扩展速度存在非常复杂的耦合效应,是典型的三维力学问题。根据APIRP5L3和我国石油天然气行业标准SY/T6476-2000的规定,出现分层裂纹的DWTT试样断口,在剪切面积百分数评定中,不应考虑平行于板材表面的开裂中的解理断裂,但应考虑与板材表面有一定夹角的开裂中的解理断裂。但上述规定不尽明确,对于高强度高韧性管线钢也似不妥,从而给实际断口的评判带来一定的困难。因此,需要对分层裂纹产生的条件和原因以及分层裂纹对主裂纹起裂和动态扩展的影响进行深入的研究,正确认识分层裂纹的不同形态对断口裂纹扩展的影响,对高韧性管线钢的性能作出正确的评价,从而进一步保证高压油气输送管线的安全。1试验结果和断口分析试验材料取自采用针状铁素体X70钢制造的天然气输送管道,其室温下的屈服强度超过482MPa,材料的成分(质量百分数,%)为:C0.06,Si0.19,Mn1.58,P0.014,S0.002,Cr0.024,Mo0.24,Ni0.176,Nb0.05,V0.046,Ti0.019,Cu0.23。试样根据APIRP5L3及SY/T6476-2000试验标准的要求制作,几何尺寸为76.2mm×305mm×B,B为壁厚。为保证试样在试验过程中的稳定,试样经压力展平。示波落锤撕裂试验在美国生产的Dynatup8000试验机上进行,该试验机最大冲击能量13000J,锤头最大冲击速度6.9m/s。落锤撕裂过程中,加载速度快,裂纹扩展路径长,DWTT试样的断裂过程,包括整体弯曲变形、锤头的压痕、裂纹萌生、稳定裂纹扩展和非稳定裂纹扩展等几个阶段,可能包含多个裂纹减速、加速过程。裂纹扩展的每个阶段,裂尖的应力状态和材料的性能又各不相同。因此,同一试样在断裂过程中,可能出现不同的断口形貌。尤其在敏感的韧脆转换温度附近的试样,断口上既有韧性断裂区又有脆性断裂区,见图1。断口中不同韧脆状态区的边界明显,由于韧性断裂和脆性断裂裂纹扩展速度相差非常大,说明试样的韧脆转变是突变的。DWTT试样的断口形貌受温度的影响,不同温度呈现不同的断口形貌,分层裂纹也明显地受温度影响。随着温度的升高,破坏断口由解理断裂向剪切断裂转变,韧脆转变温度以下的脆性断裂断口,或韧脆转变温度附近混合型断口的脆性断裂区,不出现分层裂纹,仅在韧性断口上或断口的韧性区出现宏观分层裂纹。随着试验温度的升高,分层裂纹的数量、长度及张开宽度反而降低。分层裂纹表面为典型的解理形貌,且解理面较大,分层裂纹为脆性起裂和扩展,见图2。2应力状态和材料强度的影响在实际结构中,理想的尖锐裂纹是不存在的。缺陷在起裂前均有一定的钝化,钝化裂纹裂尖的应力状态与缺口根部的应力状态类似。缺口根部张开应力分量σy的大小与缺口的尖锐度、裂纹尖端的三维应力约束等因素有关,它沿厚度的分布也不是均匀的;垂直于缺口根部表面的正应力分量σx在缺口根部为零,其值随着离缺口根部距离的增加而增大,增大到最大值后,随着离裂尖距离的增加而减小。缺口根部的应力集中使缺口根部局部的厚度减小,而局部厚度的减小受到周围变形程度较小或未变形材料的约束,在试样内部缺口根部附近产生沿厚度方向的拉应力。因此,有限厚度的试样,缺口根部的应力状态是三维的,不仅存在面内的集中应力,同时还有离面拉应力,缺口根部材料受到三向拉应力的作用。产生分层裂纹的物体,在承受载荷之前,分层裂纹和产生分层裂纹的倾向并不存在。物体中产生分层裂纹的必要条件是应力集中引起主裂纹扩展前主裂尖局部的变形,见图3。在裂尖形成三向拉应力(或应变)状态,垂直于断裂扩展方向的张开应力和厚度方向的离面应力在试样有效厚度中心最大。当某一方向的应力(或应变)和该方向的材料强度之间满足一定条件时,该方向首先断裂。因此,物体在断裂过程中是否产生分层裂纹,以及分层裂纹的方向,与物体中缺口(或裂纹)以及缺陷引起的应力集中处的应力状态和材料不同方向的强度有关。在高性能管线钢中,平行于卷板表面方向的片状微结构界面形成薄弱界面。当沿厚度方向的离面应力超过材料薄弱界面的抗拉强度时,分层裂纹就在试样厚度中心附近首先产生。3分层裂纹特征由于裂纹起裂或扩展加速时裂尖处的应力高于稳定扩展和减速的裂纹,分层裂纹出现于主裂纹起裂或加速之前,裂纹稳定扩展或减速时不会产生新的分层裂纹。分层裂纹的数量、张开程度和分层裂纹的间距与主裂纹起裂或加速时的应力状态有关,而分层裂纹的长度与裂纹扩展时裂尖的应力状态有关。试验表明,在DWTT试样的断口上,下述3种断裂方式均可出现分层裂纹:①裂纹脆性扩展加速或止裂后以韧性方式加速或重新起裂,见图4(a);②裂纹韧性扩展减速或止裂后以韧性方式加速或重新起裂,新的裂纹扩展面的方向与原方向相同,见图4(b);③裂纹韧性扩展减速或止裂后以韧性方式加速或重新起裂,但新的裂纹扩展面与原裂纹面成90°,见图4(c)。第1类分层裂纹产生于裂纹脆性扩展加速或止裂后以韧性方式加速或重新起裂于试样的厚度中心,以及韧性裂纹扩展减速或止裂后又以韧性方式加速或重新起裂于试样厚度中心。在试样断口上产生分层裂纹处有明显的裂纹减速与加速或止裂与起裂的痕迹,可以观察到主裂纹加速或重新起裂时断口的颈缩,在试样厚度中心产生的离面拉应力最大。因此,分层裂纹一般较长、较深,张开也较充分。分层裂纹面为典型的解理断裂形貌,主裂纹断裂具有韧窝形貌特征,见图1和图2。第2类分层裂纹产生于全韧性裂纹扩展断口。该类试样在与厚度方向成45°角方向的韧性扩展减速或止裂后,在锤头的作用下又以韧性方式沿原方向加速扩展或重新起裂,见图4(b)。图5(a)为第2类分层裂纹断口的微观形貌,箭头所指方向为裂纹的扩展方向,从图中可以看出分层裂纹产生前明显的裂纹加速或止裂的痕迹。图5(b)为分层裂纹表面的解理形貌,图5(c)为裂纹加速或重新起裂后韧性扩展的微观形貌,图5(d)为上一个韧性裂纹扩展过程中的微观形貌,两个韧性裂纹扩展区均为韧窝形貌。但图5(c)中的韧窝比图5(d)中的韧窝小,说明两区域裂纹扩展的速度明显不同。图6为第2类分层裂纹裂尖的显微结构,分层裂纹的脆性起裂沿薄弱界面扩展。由于管线钢中薄弱界面不连续,分层裂纹扩展至一定深度时止裂,分层裂纹尖端的应力状态发生改变,而使金相组织流的方向发生改变,分层裂纹进一步张开,但张开程度比第1类分层裂纹小。第3类分层裂纹产生于韧性裂纹扩展断口裂纹扩展方向的改变处,该种试样断口裂纹以与厚度方向成45°角的方向韧性扩展减速或止裂后,裂纹以韧性方式加速或重新起裂,但裂纹扩展方向与原扩展方向几乎正交。在裂纹扩展方向转变的过程中,在裂纹前沿三角形区域产生分层裂纹。该区域分层裂纹的长度一般比第2类分层裂纹要短,但其深度比第2类分层裂纹要深,其深度和张开的程度介于第1类和第2类分层裂纹之间。产生这种现象的主要原因是,由于裂纹扩展方向改变的裂纹加速或重新起裂,其裂尖面内应力以及所引起的离面应力比出现第2类分层裂纹的断口裂纹加速或重新起裂时的裂尖面内应力以及所引起的离面应力要高,但裂纹扩展方向转变区试样厚度的减小程度比第1类分层裂纹产生时的厚度减小程度小,由此引起的离面应力比第1类分层裂纹裂尖的离面应力小,因此,第3类分层裂纹比第1类分层裂纹张开的宽度小,但比第2类分层裂纹张开的宽度大,见图4(c)。图7(a)为第3类分层裂纹断口裂纹方向转变处分层裂纹的微观形貌,该区域有微观形貌完全不同的3个面:裂纹止裂前的韧性扩展面、分层裂纹面(图7(b))和裂纹加速或重新起裂后产生的与分层裂纹面垂直的韧性起裂面。与分层裂纹面垂直的韧性起裂面的韧窝比裂纹止裂前的韧性扩展面的韧窝小,其差异程度比第2类分层裂纹同样情况下的差异程度要大。4主裂纹扩展前后分层裂纹面的特征DWTT试样断口出现分层裂纹,在剪切面积百分数评定中,APIRP5L3及我国石油天然气行业标准SY/T6476-2000规定,不应考虑平行于板材表面的开裂中的解理断裂,但应考虑与板材表面有一定倾角的开裂中的解理断裂。从上述对DWTT试样断口上分层裂纹的分析,上述规定不尽明确,给实际断口的评判带来一定的困难。第1类分层裂纹,在计算剪切面积百分数时,不考虑分层裂纹面的解理断裂是合适的,各方观点一致。但第2类和第3类三角形区域的分层裂纹,是作为解理断裂区还是韧性断裂区各方分歧较大,且试验标准的规定对高韧性管线钢似有不妥。实际管道爆破试验中也经常出现类似的三角形区域的分层裂纹,对该区域韧脆状态的正确评价,不仅影响DWTT试样的评定也对实际管道的断裂有直接的影响。三角形区域的分层裂纹产生于断口的韧性断裂区域,韧性裂纹扩展减速或止裂后裂纹以韧性方式加速或重新起裂,韧性加速扩展可能沿原裂纹的扩展方向,也可能与原裂纹面成90°方向。这两种方式的裂纹扩展面均与试样的厚度方向成45°,属于剪切断裂。裂纹加速或重新起裂前,产生较大的塑性变形,试样裂尖断面颈缩,裂纹沿试样厚度方向的局部变形受到周围材料的约束,产生较大的离面拉应力。离面拉应力的大小与裂尖面内的应力、裂尖的应变梯度和距试样厚度中心的距离有关。材料一定时,裂尖面内的应力越高,引起裂尖的变形梯度越大,从而导致试样内的离面应力也越大。离裂尖越近离面应力越大,在试样表面离面应力为零,离试样厚度中心越近离面应力越大,在试样的厚度中心离面应力最大,离面应力在裂尖前端的等应力线为接近三角形的曲线。裂纹起裂后,裂尖面内应力减小,离面应力也随之减小,但离面应力的分布规律并未改变。因此,若主裂纹起裂前未产生分层裂纹,在裂纹扩展过程中是不会产生分层裂纹的;若主裂纹起裂前产生了分层裂纹,分层裂纹通常不会随着主裂纹的扩展而向前扩展。即使分层裂纹向前扩展,随着主裂纹裂尖面内应力的降低便很快停止扩展。分层裂纹产生于主裂纹扩展之前,离试样(或管道)厚度中心越近,分层裂纹面越大,分层裂纹的裂尖离主裂纹的重新起裂点越远;离试样(或管道)表面越近,分层裂纹面越小,分层裂纹的裂尖离主裂纹的重新起裂点越近,形成如图3所示的分层裂纹。试样表面的离面应力为零,分层裂纹出现后分层裂纹面上的离面应力也为零,因此,离表面一定距离内不会产生分层裂纹,且分层裂纹之间有一定的距离。主裂纹扩展前分层裂纹已产生,分层裂纹面为解理形貌特征,主裂纹扩展与一系列薄试样的断裂扩展相似,试验温度在韧脆转变温度以上试样的主裂纹断裂是韧性断裂,具有韧性断裂的形貌特征,形成一系列韧性断裂条带,与分层裂纹面有明显的分界,见图5和图7。在主裂纹扩展前,分层裂纹已将试样(或管道断面)分成若干薄试样,薄试样断裂前产生的塑性变形比厚试样更大,使分层裂纹面和薄的主断裂面方向发生变化,断口上观察到的分层裂纹面已不再与试样表面平行。虽然,断裂后分层裂纹面已改变方向,但主断裂面上发生的断裂还是韧性断裂的事实没有改变。因此,产生分层裂纹处的断口,分层裂纹无论是三角形分布或是以其它形状分布均应评价为韧性断口。因为在高性能管线钢实际的管道爆破试验或非锤击影响区DWTT试样中,主断口脆性起裂和脆性扩展不可能产生分层裂纹。5dwtt分层裂纹的表现(1)断口形成分层裂纹的控轧钢,受力前内部并未存在潜在裂纹,分层裂纹是受力变形后产生的,是管线钢内部的薄弱界面在所受到的三维应力作用下的结果。分层裂纹出现于主裂纹起裂或加速之前,主裂纹的稳定扩展或减速时不会产生新的分层裂纹。分层裂纹的数量、张开程度和分层裂纹间距与主裂纹起裂或加速时的应力状态有关,而分层裂纹的长度与裂纹扩展时裂尖的应