管线钢中分层裂纹的产生及对主裂纹扩展的影响

管线钢中分层裂纹的产生及对主裂纹扩展的影响
摘要：本文分析了管线钢中分层裂纹产生的原因为钢板内部的弱界面和板中的三维应力状态共同作用的结果。

并且对分层裂纹产生后，对主裂纹扩展的影响进行了分析，其降低了裂纹尖端的应力三轴性，同时当裂纹达到分层裂纹界面时，其钝化了主裂纹，两者皆使得主裂纹在邻接层的引发变得困难，从而使得管线钢韧性得到改善。

关键词：管线钢；分层裂纹；三轴性；弱界面
1引言
管道运输是石油、天然气最经济、最方便、最主要的运输方式[1]。

油气长输管道管壁承受着很大的油气压力，油气管道一旦发生爆裂往往是灾难性的，经济损失巨大，对社会产生巨大的影响。

随着我国社会对能源需求的增加，长距离、大口径、高压力、耐腐蚀是我国油气管道发展的必然趋势，高强度高韧性管道材料也是必然的选择。

裂纹的快速扩展是构件最危险的一种失效形式，结构中裂纹一旦发生失稳，则将是快速动态扩展[2]。

管壁中的缺陷、运输过程中无意形成的刻痕或其他应力集中部位可能成为裂纹源，在管内气压作用下发生裂纹的快速扩展，疲劳裂纹扩展在后期也会出现快速裂纹扩展，管道在瞬间破裂数百米乃至上千米。

对输气管道而言，由于气体减压波速度较低，所以不易止裂。

迄今，全世界最长的输气管裂纹长度达13km，损失最严重的是1989年前苏联乌拉尔山发生的一次输气管爆裂事故，造成1024人伤亡。

美国1993年和1994年分别发生在华盛顿和新泽西州的两起输送管爆裂事故，损失也很严重[3]。

我国也曾多次发生过输送管线在使用和试压过程中出现爆裂的情形。

本文主要分析管线钢中分层裂纹的产生机理，及其对主裂纹扩展的影响，从而为油气长输管线安全评估提供一定的理论基础。

分层裂纹产生机理
分层裂纹是控扎钢板断口上常见的一种断口形貌，如图1所示，其表现为经控制轧制的管道断裂或钢材在力学性能试验时，平行于主应力方向出现材料分层现象。

断口形成分层裂纹的控轧钢，断裂前内部并未存在裂纹，分层裂纹是受
力变形后产生的。

影响分层裂纹产生的原因是复杂和多样的，本文将其归结为内在的弱界面和外部作用应力两方面[4]。

由于管线钢冶炼或控扎过程中所存在的片状夹杂或不规则缺陷等使得管线钢在平行于卷板表面方向形成很多弱界面，其使得管线钢表现为明显的各向异性性能，也即在卷板表面方向和垂直于表面方向其受力性能存在很大差别。

在垂直于卷板表面方向，其强度往往低于卷板表面方向。

当板材的厚度较大时，其内部应力分布具有明显的三维特性。

当缺口、弯头等不连续几何边界存在，甚至锈坑等缺陷存在时，其管道中的应力三轴性将更加明显。

由于应力三轴性的存在，则在管道或板材中存在弱界面时，当垂直于弱界面的应力超过弱界面的强度时，则在主裂纹扩展前有可能先出现分层裂纹，如图2.c所示。

分层裂纹对主裂纹扩展的影响
在高强度高韧性管线钢中平行卷板表面方向的片状夹杂或缺陷在钢材内部形成弱界面，在较高的垂直弱界面应力作用下开裂、增长并连接形成分层裂纹。

试样的取向不同，裂纹扩展的方向与弱界面的方向不同，可以产生不同的分层裂纹，其分层裂纹方向不同，影响因素也不同，但均为弱界面被垂直于该弱界面的拉应力所致。

若在垂直于预期的裂纹扩展方向存在有适度的弱界面，则裂纹顶端前面的弱界面在应力x作用下将被拉开，就可以形成一个内部自由表面。

由于在自由表面上不可能作用有垂直应力，x在该界面处降至零，如图2所示。

内部自由表面的产生不仅使裂纹顶端的三轴性减小，同时裂纹达到界面时变钝了（图2.b），两者皆使裂纹在邻接层的引发变得困难，从而使韧性得到显著改善。

分层裂纹产生于裂纹扩展之前，且分层裂纹之间有一定的间距，分层裂纹改变了裂纹端部的构形，从而对裂纹的扩展产生影响。

分层裂纹在x 应力最大处产生，分层裂纹产生后，x应力分布改变，缺口根部x应力降低。

主裂纹扩展到分层裂纹后，分层裂纹面成为主裂纹的根部，裂纹端部钝化。

钝化后的裂纹端部x应力比钝化裂纹扩展前裂纹端部x应力小，在钝化后的裂纹端部产生比第一次小的第二次分层裂纹，如图2所示，第二次分层裂纹与第一次分层裂纹之间材料的受力状态和拉杆类似。

结论
本文详细分析了管线钢中分层裂纹的产生机理，及其对主裂纹扩展的影响，可以得到如下结论：
平行于卷板表面方向的弱界面和应力三轴性时分层裂纹产生的根本原因。

分层裂纹之间有一定的间距，且后一次出现的总是小于前一次出现的分层裂纹。

内部分层裂纹使得裂纹顶端的三轴性减小，同时裂纹达到界面时变钝了，两者皆使裂纹在邻接层的引发变得困难，从而使韧性得到显著改善。

参考文献
[1] 潘家华. 西气东输工程[J]. 焊管,2000,23(3):21-25.
[2] 潘家华. 油气管道断裂力学分析[M]. 北京:石油工业出版社,1989.
[3] 李鹤林. 油气输送钢管的发展动向与展望[J]. 焊管,2004,27(6):1-11.
[4] Shin SY, Hong S, Bae JH, Kim K, Lee S. Separation phenomenon occurring during the Charpy impact test of API X80 pipeline steels. Metall Mater Trans A 2009;40(A):2333-49.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。