X80管線鋼在管道凹陷狀態(tài)下的應(yīng)變演變特征

朱麗霞 武 剛 李麗鋒 羅金恒 田 野 徐春燕 林 睿

1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 2.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3.中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司 4.中國(guó)石油新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司

0 引言

X80管線鋼具有高強(qiáng)度和良好的抗延性斷裂能力，是目前輸氣管道的主導(dǎo)材料之一，其管道服役過程中的安全問題備受關(guān)注。管道建設(shè)及運(yùn)行過程中往往會(huì)產(chǎn)生管道失效，常見的失效原因有機(jī)械損傷、材料缺陷、腐燭、焊縫缺陷等，其中第三方破壞產(chǎn)生的機(jī)械損傷是最主要的原因之一，而機(jī)械損傷最常見的缺陷類型是管道凹陷[1-5]。

油氣管道凹陷是指由于管壁永久塑性變形而使管道橫截面發(fā)生的總變形[6]，沒有產(chǎn)生溝槽、裂紋和腐蝕等其他缺陷的平滑凹陷為單純凹陷，凹陷的形成是一個(gè)復(fù)雜塑性應(yīng)變發(fā)生的過程。凹陷對(duì)管道安全運(yùn)行的影響主要有4個(gè)方面[7-8]：①凹陷導(dǎo)致管壁變形產(chǎn)生應(yīng)力集中并降低承壓能力或者直接導(dǎo)致其破裂泄漏；②周期性的內(nèi)壓波動(dòng)也可能使凹陷區(qū)域出現(xiàn)疲勞損傷乃至斷裂；③對(duì)于一些延性較差的長(zhǎng)期服役管道，即使凹陷引起的應(yīng)力集中不大，也可能引起管道裂紋的產(chǎn)生甚至加快應(yīng)力腐蝕速率；④較深的凹陷會(huì)影響清管器及內(nèi)檢測(cè)器等設(shè)備運(yùn)行，給管道的檢測(cè)和管理帶來困難。油氣管道的凹陷一直是管道完整性維護(hù)的主要問題之一，國(guó)外對(duì)于含凹陷管道的評(píng)估方法通常是將凹陷深度作為主要指標(biāo)，多數(shù)以外徑的6%作為評(píng)價(jià)缺陷管道需要立即修理或移除的邊界條件。研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明基于凹陷深度的評(píng)估方法并不能準(zhǔn)確反映管道的實(shí)際工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)規(guī)范也逐步將應(yīng)變納入評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-12]，例如ASME B31.8[9]將應(yīng)變的6%納入邊界條件，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6696[13]對(duì)單純凹陷也規(guī)定應(yīng)變大于6%需要修復(fù)。研究和分析凹陷管道的殘余應(yīng)力及應(yīng)變的形成規(guī)律及分布對(duì)含凹陷管道的安全服役行為具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[14-16]。

對(duì)于實(shí)際的含凹陷管道而言，其應(yīng)力、應(yīng)變分布很難測(cè)量，且管體承受的應(yīng)變并非單一應(yīng)變，因此實(shí)驗(yàn)對(duì)管道在外力作用下變形行為的等效塑性應(yīng)變（Equivalent Plastic Strain，又稱 PEEQ）進(jìn)行研究，PEEQ是ABAQUS記錄變形過程而提出的一個(gè)表征塑性應(yīng)變累積值的量，是整個(gè)變形過程中塑性應(yīng)變的累積結(jié)果。有限元模擬可以較好地模擬凹陷參數(shù)對(duì)等效塑性應(yīng)變分布等特征的影響，有助于判斷含凹陷管體的危險(xiǎn)位置，更好地研究鋼管的失效行為[17-19]?；诖耍肁BAQUS有限元分析軟件研究不同內(nèi)壓及外部載荷作用下含單純凹陷X80鋼管的等效塑性應(yīng)變分布情況，并針對(duì)無內(nèi)壓管道鋼管凹陷區(qū)進(jìn)行了實(shí)時(shí)XTDIC應(yīng)變采集。通過驗(yàn)證模型結(jié)果，研究了單純凹陷下鋼管的等效塑性應(yīng)變分布規(guī)律，探討了單純凹陷條件下管線鋼應(yīng)變硬化規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 ABAQUS有限元分析

以X80高鋼級(jí)管線鋼管為研究對(duì)象，其規(guī)格為 ?1 219 mm×18.4 mm×12 000 mm， 主 要 參 數(shù)有：密度（ρ）為 7.8×103kg/m3，彈性模量（E）為210 000 MPa，泊松比（ν）為 0.3，屈服強(qiáng)度（σy）為628 MPa，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。通過ABAQUS有限元建立完整的12 m管道模型及直徑為150 mm的圓球形施痕物。對(duì)施痕物和管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖2），考慮到施痕物與管道相互接觸及其實(shí)際工況，管道網(wǎng)格的密度由兩端向中心逐漸增加。

圖1 試驗(yàn)用鋼管的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

圖2 管道模型和圓球形施痕物網(wǎng)格劃分示意圖

為了更好地反映管道在施工和運(yùn)行過程中壓力、凹陷深度和等效塑性應(yīng)變之間的關(guān)系，分別模擬了無內(nèi)壓及工作內(nèi)壓為6 MPa狀態(tài)下，不同凹陷深度對(duì)應(yīng)變的影響。分別對(duì)管道不施加內(nèi)壓和施加6 MPa工作內(nèi)壓，模擬管道在建設(shè)施工和服役工作兩種情況，通過改變凹陷深度來研究等效塑性應(yīng)變的變化趨勢(shì)，工程上指導(dǎo)管道的安全施工和服役。令施痕物垂直于管道軸線對(duì)管道施加凹陷缺陷，隨后移除施痕物，記錄不同下壓深度所產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)茍D和凹陷區(qū)域不同深度下的應(yīng)變變化曲線。

1.2 X80管線鋼單純管道凹陷預(yù)制

為了驗(yàn)證研究模擬結(jié)果，選取一定管道凹陷深度，預(yù)制X80管線鋼單純凹陷。試驗(yàn)管道為?1 219 mm×18.4 mm 的 X80 螺旋縫埋弧焊管，在 1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)管道母材進(jìn)行凹陷壓制（圖3），如圖3-a、b所示，壓頭為半球形，壓頭直徑為150 mm，壓入凹坑深度為101.6 mm（8.33%OD，OD表示鋼管外徑，下同），回彈后凹坑深度為87.373 mm（7.17%OD），且凹坑底部未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖3 預(yù)制管道凹陷模型圖

1.3 應(yīng)變監(jiān)控和微觀結(jié)構(gòu)分析

采用XTDIC采集系統(tǒng)對(duì)鋼管內(nèi)表面凹陷區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，得到不同凹陷深度下管體的應(yīng)變?cè)茍D。為了研究凹陷區(qū)域各個(gè)位置微觀組織對(duì)凹陷的影響，分別距離凹陷中心0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm取D-1、D-2、D-3試樣，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后，用2%硝酸酒精溶液侵蝕待測(cè)面，用光學(xué)顯微鏡觀察其表面組織，用透射電子顯微鏡觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并在樣品表面測(cè)得顯微硬度（圖4）。制備透射電鏡試樣時(shí)在細(xì)砂紙上單向磨薄至100 nm左右，剪出直徑3 mm左右試樣，在液氮和酒精混合液下用電解雙噴減薄穿孔對(duì)試樣進(jìn)行再次減薄。

圖4 測(cè)試取樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工作內(nèi)壓條件下模擬管道凹陷深度對(duì)應(yīng)變的分布影響

工作內(nèi)壓（6 MPa）下，不同管道凹陷深度下的應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。由圖5可以看出，不同管道凹陷深度下，凹陷區(qū)的應(yīng)變分布規(guī)律相同。應(yīng)變分布呈圓環(huán)擴(kuò)散狀，凹陷區(qū)軸向應(yīng)變的影響范圍廣于徑向，最大應(yīng)變并非出現(xiàn)在凹陷中心，而是出現(xiàn)在距離凹陷中心一定距離處，且最大軸向應(yīng)變值高于最大徑向應(yīng)變值。隨著距離凹陷中心距離的增大，徑向應(yīng)變及軸向應(yīng)變?cè)谶_(dá)到峰值后快速減小。

凹陷區(qū)軸向和徑向等效塑性應(yīng)變與凹陷中心距離的分布曲線如圖6所示。隨著凹陷深度的增加，凹陷區(qū)的最大應(yīng)變隨之增大，且同一凹陷深度的軸向應(yīng)變均略大于徑向應(yīng)變。當(dāng)凹陷深度為10%OD時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?.35，此時(shí)，管道已經(jīng)發(fā)生明顯的塑性變形，與X80管線鋼拉伸行為中的塑性變形相似，在此階段其應(yīng)力—應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服平臺(tái)，管道表現(xiàn)出典型的非線性，具有較大的均勻塑性伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，在凹坑中心附近的應(yīng)變硬化程度最大。

圖5 6 MPa內(nèi)壓下不同管道凹陷深度模擬應(yīng)變結(jié)果圖

圖6 6 MPa內(nèi)壓下不同管道凹陷深度下應(yīng)變分布曲線圖

2.2 內(nèi)壓對(duì)凹陷狀態(tài)應(yīng)變分布的影響

圖7 為無內(nèi)壓條件下，不同管道凹陷深度下等效塑性應(yīng)變的分布模擬結(jié)果。由圖7可以看出，凹陷深度為6%OD和8%OD時(shí)，凹陷管道上的應(yīng)變分布呈橢圓狀，且徑向影響范圍明顯小于軸向的應(yīng)變區(qū)域。當(dāng)凹陷深度到10%OD時(shí)，這種不均勻分布明顯減小，軸向應(yīng)變區(qū)域略大于徑向，而應(yīng)變都是呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

圖7 無內(nèi)壓下不同管道凹陷深度下模擬應(yīng)變結(jié)果圖

圖8 不同管道凹陷深度有無內(nèi)壓情況下的應(yīng)變分布曲線圖

圖8 為不同管道凹陷深度下的等效塑性應(yīng)變分布曲線，其中E6%OD、E8%OD、E10%OD分別表示工作內(nèi)壓6 MPa下的應(yīng)變，6%OD、8%OD、10%OD是無內(nèi)壓下的應(yīng)變。由圖8可知，不同凹陷深度下的應(yīng)變表現(xiàn)出相同的分布特征，隨著與凹陷中心距離的增大，應(yīng)變值逐漸增大，達(dá)到極大值后隨距離的增大而減小。同時(shí)，不論徑向、軸向，有內(nèi)壓條件下的應(yīng)變遠(yuǎn)高于無內(nèi)壓條件下的應(yīng)變；在相同內(nèi)壓條件下，隨著凹陷深度的增大，應(yīng)變量增大，且相同內(nèi)壓及凹陷深度下，同一位置處的軸向應(yīng)變普遍大于徑向應(yīng)變。無內(nèi)壓情況下，凹陷深度由6%OD增大到10%OD，最大應(yīng)變由0.15增大到0.24，增幅1.6倍，可見凹陷深度每增大1%OD，應(yīng)變?cè)隽?.4；內(nèi)壓為6 MPa時(shí)，凹陷深度由6%OD增大到10%OD，最大應(yīng)變由0.17增大到0.42，增幅2.47倍，凹陷深度每增大1%OD，應(yīng)變?cè)隽?.62?？梢姡枷萆疃仍酱?，內(nèi)壓與深度對(duì)應(yīng)變影響的疊加效應(yīng)越大。

2.3 凹陷過程中的應(yīng)變硬化分析

為了研究管道凹陷過程中的實(shí)時(shí)應(yīng)變變化，采用XTDIC采集系統(tǒng)對(duì)管道凹陷過程中的應(yīng)變進(jìn)行采集，圖9所示為不同管道凹陷深度下的應(yīng)變?cè)茍D，研究發(fā)現(xiàn)凹陷深度為1%OD時(shí)，最大應(yīng)變出現(xiàn)在凹陷中心，隨著凹陷深度增加，凹陷區(qū)的最大應(yīng)變出現(xiàn)在凹陷的邊緣，其結(jié)果與模擬結(jié)果相同。隨著凹陷深度的增加，產(chǎn)生應(yīng)變區(qū)域和應(yīng)變量增加，管體發(fā)生明顯的塑性變形。圖10為無內(nèi)壓情況下有限元模擬和DIC實(shí)時(shí)采集的應(yīng)變分布曲線，圖中6%OD、8%OD、10%OD為ABAQUS模擬結(jié)果，M3%OD、M6%OD、M8%OD為實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖10可以看出，模擬的應(yīng)變?cè)谙嗤恢玫膽?yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，但實(shí)測(cè)應(yīng)變略大于模擬結(jié)果應(yīng)變值，這是由于PEEQ是等效塑性應(yīng)變，模擬過程中只考慮下壓和回彈情況，而在實(shí)際試驗(yàn)中，管道除了自身的缺陷外，還有可能承受很多方面的應(yīng)力，對(duì)凹陷過程造成影響。

2.4 凹陷過程中應(yīng)變硬化和組織響應(yīng)

材料的加工硬化主要取決于等效塑性應(yīng)變的大小，結(jié)合圖7、8可以看出，管線鋼對(duì)塑性變形的抗力是隨變形量的增加而增加的，屬于典型的應(yīng)變硬化機(jī)制。據(jù)此，提出了針對(duì)凹陷狀態(tài)下管線鋼的應(yīng)變硬化區(qū)域示意圖（圖11-a），在應(yīng)變大且集中的凹陷中心出現(xiàn)強(qiáng)硬化區(qū)。通過對(duì)凹陷區(qū)各位置硬度的測(cè)定得到圖11-b，管外壁硬度始終小于管內(nèi)壁，且硬度隨著距離凹陷中心的距離增大而減小。這體現(xiàn)出在凹坑附近出現(xiàn)應(yīng)變硬化，凹坑邊緣應(yīng)變硬化不明顯。

圖9 不同管道凹陷深度的應(yīng)變?cè)茍D

圖10 無內(nèi)壓模擬和實(shí)測(cè)在不同管道凹陷深度下應(yīng)變分布曲線圖

圖11 凹陷狀態(tài)下管線鋼的應(yīng)變硬化示意圖

圖12 凹陷不同區(qū)域的組織圖

組織研究表明，管道組織均為粒狀貝氏體，遠(yuǎn)離凹陷區(qū)的粒狀貝氏體之間晶界清晰可見（圖12-a），而凹陷中心由于承受了較大的變形，晶粒沿著變形最大的方向被拉長(zhǎng)，組織由晶界明晰的粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы缒：淖冃螒B(tài)粒狀貝氏體（圖12-b）。由此可見，凹陷區(qū)底部和側(cè)壁晶粒沿著變形最大的方向被拉長(zhǎng)，晶格被扭曲，從而誘發(fā)形變強(qiáng)化，提高了材料的抗變形能力，產(chǎn)生了應(yīng)變硬化。由于不同區(qū)域組織的顯微變化，使得凹陷區(qū)不同部位表現(xiàn)出不同的應(yīng)變硬化響應(yīng)。Han等[20]認(rèn)為管線鋼在變形過程中，隨著應(yīng)變的增加，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。對(duì)比凹陷邊緣發(fā)現(xiàn)，凹陷邊緣區(qū)在變形過程中產(chǎn)生了應(yīng)變硬化，使得硬度顯著提高（圖11-b）。X80管線鋼母材和凹陷試樣透射電鏡照片如圖13所示，從圖13-b可以看到在晶界處，位錯(cuò)在此纏結(jié)，晶粒發(fā)生滑移，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化。在發(fā)生塑性變形前，有很大一部分脫釘?shù)奈诲e(cuò)停留在晶界處，但總有一部分位錯(cuò)尚未到晶界處而處于易動(dòng)狀態(tài)[21]。少量易動(dòng)位錯(cuò)的存在可使材料的初始屈服抗力下降。隨著凹陷深度的增加，凹陷中心外緣部分塑性變形量增大，晶界處的位錯(cuò)也開始運(yùn)動(dòng)，降低了均勻塑性變形能力和形變?nèi)萘浚瑢⑹沟霉芫€鋼產(chǎn)生應(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。

圖13 X80管線鋼母材和凹陷試樣透射電鏡照片

3 結(jié)論

1）不同凹陷深度下的應(yīng)變表現(xiàn)出相同的分布特征，應(yīng)變值隨著與凹陷中心距離的增加而逐漸增大，達(dá)到應(yīng)變峰值后隨距離的增大而快速減小。

2）在相同內(nèi)壓條件下，應(yīng)變量隨著凹陷深度的增加而增大，且相同內(nèi)壓及凹陷深度下，同一位置處的軸向應(yīng)變普遍大于徑向應(yīng)變；凹陷深度越大，內(nèi)壓與深度對(duì)應(yīng)變影響的疊加效應(yīng)越大。

3）凹陷變形過程中，材料初期發(fā)生了典型的應(yīng)變硬化過程，隨著變形的深入，凹陷區(qū)底部和側(cè)壁晶粒沿著變形最大的方向被拉長(zhǎng)，位錯(cuò)在晶界處纏結(jié)，晶格被扭曲，產(chǎn)生了應(yīng)變硬化。