Page 119 - 机械工程材料2025年第三期

李洋阳，等：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

长度a 0 为3 mm。由于只模拟实际管线停输或失效状
态时的工况，最大载荷为管道的工作压力（4 MPa），
最小载荷为0.4 MPa，每月停输次数按3次估算。在
计算管道疲劳寿命时，还需要确定导致裂纹失稳扩
展的裂纹尺寸a c ，但此临界裂纹长度不一定是管道
壁厚。管道中的某个裂纹可能在扩展到较短长度后
图 13 表面半椭圆裂纹示意
Fig. 13 Schematic of surface semi-elliptical crack: (a) whole tube 就自动引发撕裂失稳扩展，导致管道破坏失效。通
body and (b) local amplification of crack position 常，安全临近尺寸 ［23］ 为管道最大壁厚的 1/2，据此
根据文献［22］的研究结果，对于承受内压的管 确定裂纹失稳扩展的临界长度a c 为12 mm。将以上
道或压力容器，当外表面含有周向半椭圆裂纹（I型 各参数代入式（14），获得焊接接头母材、热影响区、
裂纹）时，其裂纹尖端的应力强度因子表达式可表 焊缝中裂纹达到临界失稳长度时的循环次数分别为
示为 554，360，7 734周次，即疲劳寿命分别为15.4，10.0，
p π α 214.8 a。可知焊缝的疲劳寿命最长，HAZ中的裂纹
K = F （10） 虽然有些处于HAZ细晶区，但其总体寿命比母材略
2 Rt Q
π
I
短一些，是焊接接头疲劳性能最为薄弱的区域。
式中：K 为I型裂纹尖端应力强度因子；F为应力强
I
在上述计算中，只考虑了管道中裂纹尺寸大小
度因子系数；Q为Folias膨胀系数；p为管道内压；R 对疲劳裂纹扩展寿命的影响，而在实际情况下，焊接
t
为管道半径；为管道壁厚。
残余应力、环境温度、地层移动、腐蚀介质等都会对
则有：
管道中疲劳裂纹的扩展产生较大的促进作用。同时，
∆ p π α
∆ K = F （11） 上述疲劳寿命计算公式只包括管道疲劳裂纹稳定扩
2 Rt Q
π
展阶段，实际管道寿命还应包括疲劳裂纹萌生阶段
式中：∆p为管道内压波动范围。 的寿命。因此，该疲劳寿命的计算公式具有一定的
由于目前油气管道多采用薄壁大口径管材制 局限性，对于内部存在沿管体周向半椭圆裂纹的管
造，裂纹尖端主要处于平面应力状态，因此采用式 道疲劳裂纹扩展寿命预测具有一定的参考意义。
（11）计算的结果偏于保守。将式（11）代入式（8），得：
4 结 论
1
N f = ∫ c a 0 a CY n a d n a 2 （12） （1）L360MS管线钢/N08825镍基合金双金属复

Q
Y = ( / ) 1/2 ∆ pF /(2 Rt （13） 合管中L360MS管线钢焊缝的硬度在220~250 HV，
π
π
)
明显高于母材（170~185 HV），填充层的硬度高于根
对式（12）分离变量积分得到的疲劳寿命计算公
焊层；焊缝与母材的界面处出现硬度跳跃的区域，硬
式为
度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。焊接接头的屈服强度和抗拉强度分别
（14）
为463，557 MPa，断后伸长率为11.6%，断裂位置位
将母材、热影响区和焊缝的各组试样试验所得 于母材，焊缝呈高强匹配状态。
C求平均值，分别为5.464 1×10 −8 ，4.083 9×10 −7 ， （2）L360MS管线钢焊接接头母材、热影响区和
3.486 7×10 − 11 ，n 值的平均值分别为 2.352 4， 焊缝中的疲劳裂纹均以沿晶或穿晶方式扩展，但焊
1.689 9，4.373 6，再用式（9）对C值进行修正，获得疲 缝中疲劳裂纹扩展路径更加曲折，并伴有分叉现象，
−8
劳裂纹沿深度方向扩展的C值分别为7.001 0×10 ， 甚至出现环形裂纹。
4.879 8×10 −7 ，5.527 6×10 −11 。 （3）L360MS 管 线 钢 焊 接 接 头 母 材、热 影 响
以热轧状态L360MS管线钢为例计算疲劳寿 区、焊缝的疲劳裂纹分别在循环 800 00，120 000，
命，钢管的规格为ϕ710 mm×24 mm，管道半径为 200 000周次后进入快速扩展区，裂纹长度迅速增加；
367 mm，假设在管道内部沿管体周向存在1条裂纹， 基于Paris公式利用Smith法回归推导出不同区域疲
裂纹长度为50 mm，裂纹深度为3 mm，即初始裂纹 劳裂纹稳定扩展阶段的速率方程，热影响区的材料

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