高頻電阻焊管運(yùn)輸疲勞失效分析

1、高頻電阻焊管運(yùn)輸疲勞失效分析 摘要：利用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)、壓扁試驗(yàn)、宏觀及微觀分析等方法對(duì)輸送管道施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的其中兩根323.9mm×6.4mm HFW API5LL360/X52高頻電阻焊管縱向開裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，高頻電阻焊管管體上縱向裂紋屬于運(yùn)輸疲勞裂紋，管體表面折疊、塑性損傷及運(yùn)輸過(guò)程中附加的周期應(yīng)力等是高頻電阻焊管產(chǎn)生疲勞失效的主要原因。 某管線設(shè)計(jì)壓力6.4MPa，高頻電阻焊管規(guī)格為323.9mm×6.4mmHFWAPI5LL360/X52。該批高頻電阻焊管是業(yè)主委托第三方全過(guò)程監(jiān)督，鋼管檢測(cè)合格后，首先用汽車運(yùn)送到約20km處的碼頭，再裝

2、 暗褐色的均勻腐蝕形貌。A鋼管管端沿周向、距縱焊船經(jīng)35天左右海運(yùn)，最后用汽車裝載行駛約1500km被運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)。在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊作業(yè)過(guò)程中，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)該批準(zhǔn)備投料對(duì)接的高頻電阻焊管有根端部存在貫穿全壁厚的縱向裂紋。為了給長(zhǎng)輸管道工程用鋼管的綜合質(zhì)量控制及已鋪設(shè)管道工程的安全運(yùn)營(yíng)提供風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)依據(jù)，本項(xiàng)目組在現(xiàn)場(chǎng)抽取兩根管體縱向開裂的高頻電阻焊管，對(duì)其管體開裂的原因進(jìn)行分析。1 分析方法及結(jié)果1.1 宏觀分析圖1為2根存在管端開裂的高頻電阻焊管實(shí)物照片。高頻電阻焊管管體外壁覆蓋著致密的3 層PE防護(hù)層，且防護(hù)層沒(méi)有明顯損傷痕跡；管體外壁距鋼管端部約95mm為裸露段，該段管體外表面與內(nèi)

3、表面均呈暗褐色的均勻腐蝕形貌。A鋼管管端沿周向、距縱焊縫150mm處有一條長(zhǎng)約76.7mm貫穿全壁厚的縱向分布的裂紋；B鋼管管端沿周向、距縱焊縫約292mm處有一條長(zhǎng)約40.5mm的貫穿全壁厚的縱向分布的裂紋，與裂紋相對(duì)應(yīng)的管端處，有一條長(zhǎng)約22mm的磕碰、卷邊塑性變形損傷缺陷存在。用機(jī)械方法剝離掉A、B管段防腐層 對(duì)全管段進(jìn)行超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)探傷，裸露管段長(zhǎng)裂紋所在處，其外壁上有多條縱向分布的磁痕缺陷，其余部位未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷存在，見(jiàn)圖2所示。1.2化學(xué)成分分析 采用ARL4460 直讀光譜儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMA751-2008鋼制品化學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)操作和術(shù)語(yǔ)，在鋼管距焊縫180°

4、位置取樣，對(duì)A、B兩根L360/X52高頻電阻焊管管體進(jìn)行化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。 由表1可看出，A、B兩根失效L360/X52高頻電阻焊管的化學(xué)成分均滿足管線設(shè)計(jì)要求。1.3 力學(xué)性能測(cè)試 拉伸試驗(yàn) 從遠(yuǎn)離裂紋處的失效高頻電阻焊管管段上，沿與鋼管焊縫成180°的管體處取橫向全壁厚板狀拉伸試樣，試樣規(guī)格為38.1mm×50mm（寬度×標(biāo)距）。在UH-F500KNI型拉伸試驗(yàn)機(jī)上，依據(jù)ASTMA370-2009鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的方法和定義標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可看出，A、B兩根失效高頻電阻焊管的拉伸性能均滿足管線設(shè)計(jì)要求。 沖擊試驗(yàn)從遠(yuǎn)離裂紋

5、處的鋼管段上 沿與鋼管焊縫成90°的管體處和管體裂紋兩側(cè)處 以管體壁厚中心為試樣中心線，沿縱向和橫向分別比取5 mm×10 mm×55mm的夏比V型缺口沖擊試樣。在ZBC2752-B型夏比擺錘試驗(yàn)機(jī)上，按照ASTM A370-2009標(biāo)準(zhǔn)，在0條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可看出，A、B兩根失效高頻電阻焊管在0條件下的夏比V型缺口沖擊吸收能量及斷面剪切率試驗(yàn)數(shù)值均滿足管線設(shè)計(jì)要求。 硬度試驗(yàn)在與鋼管焊縫成90°處的管體上，垂直管體軸向取橫截面硬度試樣。按照ASTM E92-1982金屬材料維氏硬度測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)要求，在距內(nèi)、外表面各 1.5mm和壁

6、厚中心處，分別進(jìn)行10kg載荷維氏硬度試驗(yàn)，硬度計(jì)型號(hào)為HSV-20，試驗(yàn)位置如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可看出，A、B兩根失效高頻電阻焊管的母材硬度值均符合管線設(shè)計(jì)要求。在Tukon2100B顯微硬度計(jì)上對(duì)A、B兩根失效高頻電阻焊管組織流線特征明顯區(qū)域和無(wú)流線變形區(qū)域分別進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示，結(jié)果見(jiàn)表5。裂紋附近組織變形區(qū)的硬度測(cè)量結(jié)果顯示，折疊所在處變形組織存在形變硬化現(xiàn)象，且部分檢測(cè)點(diǎn)硬度實(shí)測(cè)值已超出管線設(shè)計(jì)要求。1.4 壓扁試驗(yàn)在A、B兩根失效高頻電阻焊管管段上取壓扁試樣，按照GB/T2462007金屬管壓扁試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為SHT4106

7、。試驗(yàn)結(jié)果：將焊縫置于與受力方向0°位置，壓扁至2/3D直至貼合，未出現(xiàn)開裂。壓扁試驗(yàn)結(jié)果，高頻電阻焊管符合工程設(shè)計(jì)要求。1.5 金相分析及斷口形貌 金相分析 從A、B兩根失效高頻電阻焊管管體上分別取樣，其顯微組織為珠光體加鐵素體，晶粒度級(jí)別為11.6級(jí)。 在A管距管端20mm處，沿垂直圖2中磁痕方向取金相分析試樣。光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)外壁與磁痕方向?qū)?yīng)的橫截面上有多個(gè)起始于表面的裂紋，這些裂紋主要可分為三大類：一類是縫隙內(nèi)有灰色氧化物的裂紋，裂紋與外表面成一定的夾角向前延伸，后逐漸變?yōu)檠乇诤穹较驍U(kuò)展，這類裂紋為鋼管表面折疊裂紋，近管壁層組織有明顯的塑性變形特征，其顯微組織見(jiàn)圖4（a

8、）；另一類是產(chǎn)生于表面局部小的點(diǎn)蝕坑底部的 裂紋 見(jiàn)圖4（b）第三類裂紋起源于管壁基體內(nèi)大型氧化物夾雜 裂紋以穿晶 沿晶方式擴(kuò)展 靠近表面夾雜處的裂紋已擴(kuò)展至外表面，見(jiàn)圖4（c）。 在A管上沿垂直主裂紋方向取金相分析試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)基體內(nèi)多處折疊缺陷與主斷口面相貫通，且折疊附近組織存在明顯的變形流線，見(jiàn)圖 4（d）。該斷口起源于折疊裂紋缺陷。 B鋼管管體裂紋處金相試樣觀察結(jié)果與A鋼管基本相同 管體內(nèi) 外壁折疊形貌見(jiàn)圖 5（a）、（b）；鋼管坡口面及管體上多處同樣也存在這類缺陷，見(jiàn)圖5（c）、（d）。 斷口掃描電鏡形貌 沿兩根失效高頻電阻焊管管體縱向長(zhǎng)裂紋剖開A、B管體，其斷口宏觀形貌

9、見(jiàn)圖6（a）、（b）所示。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)A鋼管斷口主要由內(nèi)、外兩個(gè)大平臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)平臺(tái)又由多個(gè)小平臺(tái)組成，整體呈棕褐色腐蝕形貌。清洗干凈斷口，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)A鋼管斷口裂紋起源于內(nèi)表面，具有明顯的多源疲勞特征，內(nèi)側(cè)斷口呈擠壓形變腐蝕形貌靠近外壁斷口上放射線收斂于內(nèi)壁疲勞斷口上放射線收斂于內(nèi)壁疲勞斷口，見(jiàn)圖7折疊缺陷處； 對(duì)其表面銹蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線能譜曲線分析可知，其主要由Fe、C、O、Ca、K、Mn、Cl等元素組成，X射線能譜曲線見(jiàn)圖8。根據(jù)上述斷口特征及分析結(jié)果可判斷該斷口為疲勞斷口，且外壁斷口是由起源于內(nèi)壁的疲勞斷口再次啟動(dòng)擴(kuò)展而形成的。B鋼管斷口形貌特征幾乎與A鋼管斷口完全相同，裂紋分

10、別起源于外壁、內(nèi)壁和管端塑性變形處，但以外壁為主，掃描電鏡下觀察斷口特征形貌幾乎與A鋼管相同，B鋼管長(zhǎng)裂紋斷口掃描電鏡微觀形貌圖略。 。2 分析與討論 A、B兩根開裂鋼管實(shí)物樣品理化性能檢測(cè)結(jié)果顯示，遠(yuǎn)離裂紋處管體原材料橫向拉伸強(qiáng)度、夏比沖擊吸收能量、硬度和主裂紋兩側(cè)各80mm處管體橫向夏比沖擊韌性指標(biāo)均符合API5L標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)附加技術(shù)規(guī)范要求 。根據(jù)鋼管制造公司提供的該批鋼管投料、生產(chǎn)、檢測(cè)、表面防腐及貨物發(fā)運(yùn)等質(zhì)量管理流程，出庫(kù)鋼管質(zhì)量完全符合該輸送管線工程技術(shù)要求。送檢的開裂管段，管體外防腐層完好，A、B鋼管段的管端裸露段外表面和整個(gè)管段內(nèi)壁呈均勻腐蝕形貌，A鋼管無(wú)明顯壓痕、摔傷等塑性變

11、形痕跡。另?yè)?jù)調(diào)查，該批鋼管生產(chǎn)過(guò)程中，甲方聘請(qǐng)第三方對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程實(shí)施了第三方監(jiān)督。綜上所述，可初步排除該批鋼管中A、B兩根鋼管未防腐的裸露段在出庫(kù)前就存在穿透性裂紋缺陷的可能性。 管體表面縱向裂紋斷口掃描電鏡觀察結(jié)果表明，起始于A管體內(nèi)、外表面的小裂紋和貫穿管端壁厚的長(zhǎng)裂紋斷口特征一致，源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)都十分平坦，擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋清晰可見(jiàn)，均為疲勞斷口，且為典型的多源疲勞。B鋼管表面縱向裂紋斷口可分為兩類，一類是起始于鋼管管端坡口棱角緣塑性損傷處的裂紋，其裂紋萌生主要與塑性損傷處材料組織形變硬化所導(dǎo)致的局部殘余應(yīng)力集中有關(guān)，該斷口占整個(gè)斷口面積相對(duì)較小，擴(kuò)展區(qū)呈扇形平臺(tái)狀，屬于疲勞裂紋擴(kuò)展所形成的

12、；第二類裂紋特征幾乎相同于A鋼管縱向裂紋，裂紋更多的起始于外壁，內(nèi)壁較少，也為多源疲勞斷口?？傊?，A、B兩根失效高頻電阻焊管上靠近端部管體裂紋，無(wú)論是起始于管體內(nèi)表面或者是外表面的裂紋，其均以疲勞的方式沿壁厚方向擴(kuò)展，多個(gè)疲勞區(qū)相互連通，最后貫穿整個(gè)全壁厚。管體上穿透性裂紋屬于疲勞裂紋。 開裂的鋼管均為新鋼管其在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊作業(yè)之前，承載的可能性僅限于鋼管從出庫(kù)到現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸過(guò)程中 即鋼管汽車陸運(yùn)和海運(yùn)路途中 在采用汽車運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)堆垛情況下 由于鋼管堆垛層數(shù)有限 存放在最底層鋼管在靜態(tài)下受力要小得多，只要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款要求，在堆垛存放狀態(tài)下鋼管所承受的力也不至于使鋼管產(chǎn)生明顯損傷否則 鋼管可能會(huì)發(fā)

13、生塑性形變。而據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督反映，在海運(yùn)過(guò)程中，該批鋼管在船艙內(nèi)堆垛高度達(dá)26層，根據(jù)估算，最底層鋼管承受來(lái)自其上面堆垛鋼管附加的重力達(dá)15t；另一方面，堆垛中鋼管可能還會(huì)受到來(lái)自相鄰鋼管給其附加的水平方向的約束力的作用；其次還受到下面支撐、固定墊塊對(duì)鋼管的支持力。 從上面分析可知 鋼管在靜態(tài)主要受上層鋼管累加重力 下面支撐固定墊塊對(duì)鋼管的支持力及水平方向約束力等三種力的作用；但在運(yùn)輸途中，鋼管受力情況會(huì)隨外加動(dòng)載發(fā)生較大的變化。一方面該鋼管D/t（D為鋼管外徑，t為鋼管壁厚）相對(duì)較大，位于船艙較底部堆垛鋼管受力較為復(fù)雜，水平方向有來(lái)自相鄰鋼管的約束力的作用，縱向除承受鋼管自重和下面固定墊塊作用外

14、，還要受堆在其上層的鋼管的累加重力，這些力的綜合作用使鋼管橫截面在水平方向和縱向可能發(fā)生交替屈曲形變。若鋼管在裝船時(shí)，誤將較短尺寸的較下層，這時(shí)放在其上層與之相鄰鋼管的受力狀況則更為苛刻；另外船在海中航行，遇到大的風(fēng)浪，風(fēng)浪會(huì)導(dǎo)致船舶上下、左右周期性顛簸和振動(dòng)，一旦管體某一個(gè)部位固定墊塊移位，或管體局部與硬度較高的物體直接接觸，發(fā)生周期性碰撞、摩擦，管體表面或端部局部就會(huì)因塑性變形而產(chǎn)生應(yīng)變硬化和組織應(yīng)力集中。眾所周知，應(yīng)力集中處是鋼管的薄弱環(huán)節(jié)之一，在疲勞載荷下，應(yīng)力集中處易萌生疲勞裂紋擴(kuò)展紋，并發(fā)生疲勞損傷，特別是當(dāng)管體本身存在深的點(diǎn)蝕坑或大型夾雜物等缺陷時(shí)，其不僅破壞了鋼管材料力學(xué)性能的

15、連續(xù)性，且易引起材料形成局部應(yīng)力集中；這些攜帶缺陷的鋼管在運(yùn)輸途中，一旦受到周期性彎曲 應(yīng)力作用，其缺陷處易萌生裂紋，且成為疲勞裂紋源，并使裂紋萌生期大大縮短、有效疲勞壽命顯著下降；當(dāng)管體存在折疊等原始裂紋缺陷時(shí)，一旦外部附加的周期性彎曲應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)管體上折疊裂紋擴(kuò)展斷裂韌性門檻值，折疊裂紋會(huì)直接成為疲勞裂紋源而擴(kuò)展，使鋼管發(fā)生疲勞失效。在A、B鋼管試樣中，不僅發(fā)現(xiàn)了管壁深的點(diǎn)蝕坑或大型夾雜物處萌生擴(kuò)展的裂紋，還發(fā)現(xiàn)了大量起始于內(nèi)、外表面折疊缺陷的疲勞裂紋，在B鋼管端部損傷處也發(fā)現(xiàn)了起始于管端塑性變形的疲勞裂紋。據(jù)此可判斷A、B兩高頻電阻焊管屬于疲勞失效。 近年來(lái) 隨著管道工程建設(shè)項(xiàng)目的不斷

16、增加 有關(guān)鋼管在長(zhǎng)途水路運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生疲勞損傷的問(wèn)題也逐步被更多的工程技術(shù)人員所認(rèn)知 。APISPEC5LW規(guī)范就對(duì)鋼管在海運(yùn)過(guò)程中如何預(yù)防鋼管發(fā)生疲勞損傷提出了明確的規(guī)范性要求 。運(yùn)輸疲勞是一種低周次、高振幅的損傷形式。通常海浪的頻次在110次/s，裝滿船艙的鋼管其承受疲勞載荷的頻次與海水振動(dòng)次數(shù)相當(dāng)。據(jù)此有人選用直徑180mm、壁厚9 mm、疲勞壽命估算值635天、強(qiáng)度級(jí)別為625MPa的鐵素體加珠光體鋼管進(jìn)行疲勞損傷模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示：發(fā)生失穩(wěn)開裂鋼管的斷口形貌特征與實(shí)物鋼管疲勞斷口幾乎相同 并且鋼管疲勞壽命與估算值也吻合得很好；模擬試驗(yàn)得出結(jié)論：當(dāng)鋼管承受周期性外載振幅超過(guò)其疲勞門檻值時(shí)

17、，無(wú)缺陷位于船艙底部鋼管，在平滑過(guò)渡墊塊下也會(huì)發(fā)生疲勞失效；有原始塑性壓痕或無(wú)壓痕的鋼管，在較為堅(jiān)硬枕木或尖銳墊塊約束下會(huì)發(fā)生早期疲勞失效。所以，據(jù)此可判斷本項(xiàng)目分析的A、B兩高頻電阻焊管管體開裂是在運(yùn)輸途中產(chǎn)生的疲勞損傷，屬于運(yùn)輸疲勞失效。 綜上所述，鋼管在海運(yùn)過(guò)程中，因船艙顛簸，堆垛在其上層的鋼管給下層鋼管附加的垂直向下應(yīng)力就變成了一個(gè)周期性的彎曲應(yīng)力鋼管斷口金相 、掃描電鏡分析結(jié)果表明，該鋼管管體穿透性裂紋就是管壁折疊裂紋在運(yùn)輸疲勞應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展形成的；另外，該管體上塑性形變?nèi)毕荨Ⅻc(diǎn)蝕坑底和淺表層夾雜等缺陷所形成的疲勞裂紋，不但加速了主斷口疲勞裂擴(kuò)展的進(jìn)程，而且也加速了A、B兩高頻電阻焊管管體的開裂。3 結(jié)論1） 管