Page 113 - 机械工程材料2025年第三期

2025 年 3 月 第 49 卷 第 3 期 Vol. 49 No. 3 Mar. 2025

DOI：10. 11973/jxgccl230625

双金属复合管中 L360MS 管线钢焊接接头的疲劳裂纹

扩展行为以及疲劳寿命预测

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李洋阳 ，王基翔 ，周培山 ，徐颖超 ，王 斌 1
（1. 西南石油大学新能源与材料学院，成都 610500；2. 中国石油天然气管道科学研究院有限公司，

廊坊 065000；3. 国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司， 上海 200122）
摘 要： 以NiCrMo-3合金作为焊接材料，对L360MS管线钢/N08825镍基合金双金属复合管进
行多层多道对接焊，剥离N08825镍基合金覆层后测试了L360MS管线钢焊接接头的硬度和拉伸性
能。参考实际运行条件，对L360MS管线钢焊接接头进行疲劳裂纹扩展试验，采用柔度法获得不同
区域的裂纹长度-循环次数曲线，基于Paris公式研究不同区域的疲劳裂纹扩展行为，并对疲劳寿
命进行预测。结果表明：拉伸试验后，接头试样在母材处断裂，焊缝呈高强匹配状态；焊缝硬度在
220~250 HV，明显高于母材（170~185 HV），最高值出现在邻近熔合线焊缝区域，最低值出现在热
影响区。母材、热影响区和焊缝中的疲劳裂纹主要以沿晶和穿晶方式扩展，但焊缝中疲劳裂纹扩展
路径更加曲折，并伴有分叉现象，甚至出现环形裂纹。热影响区的Paris材料常数C最大，母材次之，
焊缝最小，在应力比0.1下母材和热影响区的疲劳裂纹扩展速率较快，焊缝区域最慢。对材料常数C
修正后，得到疲劳裂纹沿深度方向扩展的寿命预测公式，预测得到内部存在沿管体周向的半椭圆裂
纹的管道热影响区的疲劳寿命最短，该区域是焊接接头疲劳性能最薄弱的区域。
关键词： L360MS管线钢；焊接接头；疲劳裂纹扩展；疲劳寿命
中图分类号：TG405 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2025）03-0105-09

0 引 言 疲劳裂纹作为不锈钢和镍基合金双金属复合管焊接
接头的一种常见服役缺陷，受到了广泛关注，但是未
近年来，一些高温、高压、超深高酸油气田被开
见有关双金属复合管中L360MS管线钢焊接接头疲
发，高酸性环境中的H 2 S、CO 2 、单质硫等对油气的
劳裂纹扩展及寿命预测的研究。
［1］
开采及运输造成了巨大困难 。兼顾性能与成本的
管道疲劳寿命的预测方法主要包括断裂力学方
需要，以双金属复合管为主的新型材料在耐蚀油气
法、损伤力学方法、疲劳裂纹扩展曲线法（裂纹长度
［2］
输送中发挥着越来越重要的作用 ，也较好地解决 ［3］
a-循环次数N曲线法）和局部应力-应变法 。其
［3］
了管线钢的腐蚀问题 。疲劳断裂是油气输送管线
中，断裂力学方法利用描述疲劳裂纹扩展速率的
［4］
在服役过程中的失效形式之一 ，具有突发性，给生
Paris公式来计算疲劳寿命，该方法考虑的因素较多，
产安全造成极大的危害 ［5-6］ 。在管线生产和安装过
反映的疲劳信息更全面，更接近材料或结构的实际
程中，焊接是不可避免的环节，焊接接头通常被认为
情况，因此在挪威船级社和法国船级社的规范性指
是管线中的薄弱位置。开展输送管线焊接接头不同
导性文件中得到推荐使用。为给建立以疲劳寿命分
区域疲劳裂纹的扩展及其断裂失效研究，对预判管
析为基础的双金属复合管焊接接头可靠性评估体
道可能存在的安全风险非常重要。近年来，国内外
系提供参考，作者以NiCrMo-3合金作为焊接材料，
学者对双金属复合管焊接接头的显微组织、断裂行
对L360MS管线钢/N08825镍基合金双金属复合管
为和应力腐蚀等方面进行了大量研究 ［4，7-9］ 。其中，
进行多层多道对接焊，剥离N08825 镍基合金覆层
后，以L360MS管线钢实际运行条件为试验参数，对
收稿日期：2023-12-29；修订日期：2024-10-18
L360MS管线钢焊接接头进行疲劳裂纹扩展试验，
基金项目：四川省科技计划项目（2021YFG0364）
基于Paris公式研究了疲劳裂纹扩展行为，并对疲劳
作者简介： 李洋阳（1998—），女，河南安阳人，硕士研究生
导师：王斌教授 寿命进行预测。
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