16 Mn钢海底管道材料疲劳裂纹扩展试验研究*

张衡镜 邵永波 杨冬平

(1. 西南石油大学机电工程学院 四川成都 610500； 2. 中国石化胜利油田分公司技术检测中心 山东东营 257062)

海底管道长期处于恶劣多变的海洋环境中，在外部载荷及管内流体的综合作用下易发生失效破坏[1-2]。研究表明，波浪和海流的反复冲刷作用及海底地形变化导致海管形成悬空段，继而引发疲劳破坏是海管失效的主要原因[3-4]。此外，海水腐蚀也是加剧海底管道疲劳失效的关键因素[5]。海底管道材料疲劳性能的研究是海底管道腐蚀疲劳失效分析的基础。16 Mn钢是胜利油田海底管道工程中曾经使用的管道材料，现仍有部分16 Mn钢海底管道处于服役周期。对于16 Mn钢的疲劳性能，国内外学者开展了部分试验研究并取得了一定进展。熊缨 等[6]通过试验研究发现，温度、试件厚度对16 Mn钢的疲劳裂纹扩展速率有显著影响；刘彦国 等[7]在研究NaCl溶液对16 Mn钢的腐蚀疲劳寿命影响时发现，在一定浓度的NaCl溶液中，16 Mn钢的疲劳寿命显著降低且不存在腐蚀疲劳极限；Mehmanparast等[8]发现了加载频率与海水环境下金属的疲劳裂纹扩展行为有关的现象。

目前，国内外还缺少对全尺寸海底管道钢材在海水环境下的疲劳裂纹扩展和寿命预测的深入研究。本文采用取自足尺度海底管道纵向和环向的16 Mn钢制成标准紧凑拉伸(CT)试件，在相同载荷、应力比及室温条件下进行了以取材方向(裂纹扩展方向为管道纵向与管道环向)和试验环境(空气、海水)为变量的16 Mn钢疲劳裂纹扩展试验，采用裂纹张开位移法(COD)直接测量和背面应变片法(BFS)间接测量的方式来测量CT试件在空气和海水中的裂纹扩展长度，进而得到了不同变量条件下的裂纹扩展速率与应力强度因子范围之间的关系，并分析了取材方向与试验环境对16 Mn钢疲劳裂纹扩展行为的影响。最后，根据试验结果线性拟合出了不同取材方向及不同测试环境下的Paris材料常数C和m，从而为足尺度16 Mn海底管道疲劳寿命预测提供了基本参数依据。

1 试验方法

1.1 试验材料与设备

根据《金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228—2002)》[9]设计16 Mn钢的标准拉伸试件，在拉伸试验机上对材料进行力学性能测试，得到材料的弹性模量为208 GPa、屈服强度为370 GPa、泊松比为0.29。按照《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法(GB/T 6398—2017)》[10]，并参照ASTM E647[11]相关规定制成标准CT试件(图1)。试件制作时，分别沿管道轴向和环向取件(图2)。16 Mn钢疲劳裂纹扩展试验在STM793疲劳试件机上进行，不同取材方向及不同测试环境下的试验编号及对应参数见表1。

图1 本试验中16 Mn钢海管标准CT试件尺寸(单位：mm)Fig .1 Standard CT specimens dimensions of 16 Mn steel submarine pipeline in the test(unit：mm)

图2 本试验中16 Mn钢海管CT试件取样示意图(单位：mm)Fig .2 CT specimens sampling of 16 Mn steel submarine pipeline in the test(unit：mm)表1 本试验中16 Mn钢海管不同取材方向及测试环境下 的疲劳裂纹扩展试验编号及参数Table 1 Fatigue crack propagation test numbers and parameters of 16 Mn steel submarine pipeline under different directions and test environment in the test

试验编号取件方向试验环境 应力比加载频率/Hz最大荷载/kNA-1纵向空气0.11011A-2环向空气0.11011S-1纵向海水0.10.511S-2环向海水0.10.511

1.2 裂纹拓展过程测量方法

对于空气环境中的疲劳试验，采用背面应变法(BFS)和COD规测量法同时测量疲劳试验中裂纹长度的变化过程，测量装置如图3a所示。对于海水环境中的疲劳试验，由于盛放海水的介质盒导致COD规安装不便，故采用背面应变法测量裂纹长度(图3b)。整个试验过程使用泰斯特TST5912动态数据采集及信号测试分析系统进行数据采集，为保证准确测得每次循环加载的峰值应变，应变仪采集频率设置为疲劳试验机加载频率的10～20倍。

图3 试件裂纹扩展试验装置图及应变片位置Fig .3 Crack propagation test device of the specimen and the position of strain gauge

2 试验过程及结果分析

2.1 空气环境下的疲劳试验

空气环境下的疲劳裂纹扩展试验采用了COD规直接测量和背面应变片间接测量2种不同的测量方式，其目的在于通过2种测量方式的对比，以确保海水环境中采用背面应变法测量裂纹长度的准确性。因此，首先进行了空气环境下的疲劳裂纹扩展试验。

预制疲劳裂纹是进行空气环境下疲劳试验的第一步，所有CT试件均在室温环境下采用降K法预制一段3 mm的疲劳裂纹。待预制疲劳裂纹完成后便可进行空气环境下的疲劳裂纹扩展试验，试验停止条件为出现3个裂纹扩展速率大于0.01 mm/cycle的点。整个试验过程保持恒幅加载，加载波形为正弦波，具体试验参数取自表1，空气环境下测量裂纹长度装置见图4。

图4 空气环境下测量裂纹长度装置Fig .4 Measuring crack length device in air environment

试验结束后，将空气环境下测得的疲劳试验结果进行数据处理,并将裂纹扩展规律以函数的形式表达。以试件A-1为例，通过2种不同测量方式得到的疲劳裂纹扩展规律，即裂纹扩展速率da/dN(a为裂纹长度，N为疲劳载荷循环次数)与应力强度因子范围ΔK关系如图5所示。

图5 空气环境下采用COD法与BFS法测量 裂纹扩展速率的结果Fig .5 Measurement results of crack growth rate by COD method and BFS method in air environment

由图5可知，在实际试验测量过程中，采用BFS法和COD法所得结果基本一致，都能准确地测量裂纹长度。这意味着在COD法无法使用的场合，如海水环境中的疲劳裂纹扩展试验，可使用BFS法来测量裂纹长度。

2.2 海水环境下的疲劳试验

海水环境中的疲劳试验需进行试件预处理，即在预制疲劳裂纹前，CT试件应预浸泡在海水溶液中24 h以上，试验中所用海水均为渤海自然海水。海水环境条件下CT试件疲劳试验装置如图6所示。

图6 海水环境条件下CT试件疲劳试验装置Fig .6 Fatigue test equipment for CT specimens in seawater environment

为保证应变片在海水环境中能长期正常工作，贴片完成后须涂上防水防腐蚀的AZ-710粘接胶。试验停止后，用千分尺测多点长度，取算数平均值的方法得到预制后疲劳初始裂纹长度a0和最终裂纹长度af，并对测得的裂纹长度进行修正。试验共计12个试件，每组试验重复3次，对最终结果满足疲劳裂纹扩展试验标准要求的同组试件进行数据统计时取算数平均值。对测得的数据，采用《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法(GB/T6398—2017)》[10]中推荐的递增多项式法进行局部拟合求导，以确定疲劳裂纹扩展速率。

2.3 空气与海水环境下的疲劳试验结果对比

完成所有CT试件疲劳试验，测得4组试件初始裂纹长度a0、最终裂纹长度af及试验停止时的循环次数Nf，如表2所示。从表2可知，各组试件初始裂纹长度a0、最终裂纹长度af基本一致，但试验停止时的循环次数Nf存在差异。

表2 空气与海水环境下CT试件疲劳试验所得 的裂纹长度与循环次数Table 2 Crack length and cycle times of CT specimens fatigue test in air and seawater environment

将疲劳试验结果作进一步的数据处理，得到4组CT试件在不同取材方向与不同试验环境下的疲劳裂纹扩展规律，如图7所示。

图7 空气与海水环境下CT试件的取材方向与环境因素 对疲劳裂纹扩展速率的影响Fig .7 Effects of sampling direction and environmental factors on fatigue crack growth rate of CT specimens in air and seawater environment

从图7可以看出，海底管道疲劳裂纹扩展速率与试验试件取材方向有关。在疲劳裂纹扩展试验初始阶段，取材方向为管道纵向的CT试件A-1和S-1，其裂纹扩展速率相对于环向取材试件A-2和S-2的裂纹扩展速率稍快；同时，比较表2中纵向和环向试件的循环次数Nf的差异，也可说明纵向取材试件裂纹扩展速率较快,其原因可能是海底管道轧制过程中在管道环向产生的残余应力延缓了此方向的疲劳裂纹扩展[12]。但是，在恒幅循环载荷作用下，疲劳裂纹扩展过程中的K值是持续增长的，当疲劳裂纹扩展到一定阶段，驱动裂纹扩展的应力强度因子K足够大时，残余应力对裂纹扩展的影响便可忽略不计，因此不同取材方向的试件在经过裂纹扩展最初阶段后的裂纹扩展趋势基本相同。

对比图7中试件A-1、A-2、S-1、S-2的曲线可以看出：海水环境对疲劳裂纹扩展速率的影响明显,海水环境中CT试件的疲劳裂纹扩展速率约为试件处于空气中的疲劳裂纹扩展速率的2倍。这是因为16 Mn钢在海水环境中的疲劳过程为典型的金属疲劳腐蚀，其本质是交变载荷和腐蚀介质共同作用下导致的破坏现象[13]。

海水环境中的CT试件断口如图8所示，箭头方向为裂纹扩展方向，断口外部形貌观察到裂纹扩展面有明显的腐蚀痕迹。这是因为疲劳试验过程中裂纹面在循环载荷的作用下不断开合，使腐蚀源与尚未腐蚀的金属充分接触，从而加速裂纹扩展速率，进而减小裂纹扩展至同一长度所需时间[14]。归根到底，海底管道用钢的腐蚀疲劳扩展可能是一种应力腐蚀与氢致裂纹的混合结果[15]。

图8 海水环境中的CT试件腐蚀疲劳断口Fig .8 Fatigue crack surface of CT specimens in seawater

2.4 裂纹扩展速率与应力强度因子范围关系分析

金属疲劳破坏现象对工程结构威胁极大，因此，疲劳裂纹扩展寿命的预测一直都是人们关注的重点。材料疲劳裂纹扩展寿命的预测基于断裂力学理论，随着断裂力学理论研究的深入，许多学者提出了关于裂纹扩展规律的公式[16]，其中最著名的、应用最广泛的是Paris公式，该公式建立了裂纹扩展速率与应力强度因子范围ΔK的关系，是预测疲劳裂纹扩展寿命的基础，其表达形式为

(1)

式(1)中:C、m为材料的Paris常数，其数值与材料疲劳性能、加载环境等因素有关。

将Paris公式两边同时取对数，得

(2)

在双对数坐标中，疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子范围ΔK成线性关系，可用线性拟合的方式得到Paris常数C和m。

式(3)～(6)分别为将A-1、A-2、S-1、S-2等4组试验结果拟合出的材料常数C和m代入式(1)后的表达式，即

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)反映了不同取材方向和不同环境下疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围的关系，可以看出，材料常数C受试验环境和材料取向因素影响较大；材料常数m反映了图7中曲线的斜率。在相同载荷和加载环境的情况下，不同材料取向对同一试验材料的Paris常数m值影响较小。

3 结论

1) 16 Mn钢海底管道CT件疲劳裂纹拓展试验结果表明,取材方向对材料疲劳裂纹扩展行为有一定影响。疲劳裂纹扩展试验初始时，纵向取材试件的疲劳裂纹扩展速率比环向取材试件稍快;但从整个疲劳裂纹扩展过程来看，2种取材方式的疲劳裂纹扩展速率基本一致。

2) 海水环境对16 Mn钢海底管道材料的疲劳裂纹扩展速率影响显著，试验结果表明海水环境中的疲劳裂纹扩展速率约为空气中的2倍。

3) 在相同的加载条件下，16 Mn钢海底管道的Paris常数C和m与材料取向和环境因素有关。