李 龍， 章傳國， 孫磊磊， 鄭 磊， 胡 平

（寶鋼中央研究院鋼管技術(shù)中心， 上海 201900）

0 前 言

油砂是一種非常規(guī)的石油資源， 是由瀝青、水、 砂及粘土組成的半固態(tài)混合物， 其儲量豐富， 約占石油儲量的30%， 主要分布于加拿大、委內(nèi)瑞拉和美國。 目前， 加拿大已經(jīng)進入了大規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段。 由于油砂粘度大， 開采時需要向油井內(nèi)注入高溫高壓蒸汽以增加油砂的流動性， 蒸汽的溫度和壓力可達350 ℃和17 MPa，因此， 要求蒸汽輸送用管道必須具備足夠的高溫強度及抗蠕變性能以保證輸送管道的長時安全服役。

早期， 用于蒸汽輸送管道的鋼管為調(diào)質(zhì)型X65 鋼級無縫管[1]， 近年來， 為了提高蒸汽輸量并降低管道建設(shè)成本， X80 鋼級焊管開始嘗試應(yīng)用于蒸汽輸送系統(tǒng)。 2002 年， Bishop 等[2]成功在354 ℃/17.2 MPa 條件下進行了X80 鋼級UOE 焊管的中試。 2004 年， Muraoka 等[3]使用Larson-miller （L-M） 參數(shù)模擬并測試了X80 鋼級UOE 焊管在350 ℃下服役20 年后的主要性能， 結(jié)果表明該UOE 焊管的高溫強度、 蠕變壽命和沖擊韌性均滿足使用要求。 2014 年， Toyoda 等[4]對X80 鋼級HFW 焊管進行了研究， 結(jié)果表明該HFW 焊管也具有良好的高溫強度、 蠕變壽命和夏比沖擊能。 然而， 對于X80 鋼級焊管在高溫下長時服役的研究仍然較少， 尤其是對X80 鋼級焊管管體和焊縫在高溫下的蠕變行為的研究相對缺乏。

對于高溫服役的材料， 良好的抗蠕變性能是保證材料長時安全服役的關(guān)鍵之一。 但對于蠕變設(shè)計壽命動輒數(shù)萬至數(shù)十萬小時的材料，使用真實的服役條件來測試蠕變持久壽命顯然是不現(xiàn)實的， 因此耐熱鋼等相關(guān)高溫構(gòu)件預(yù)測蠕變持久壽命時采用的方法是在更高溫度、 更高應(yīng)力條件下對材料進行蠕變試驗， 在相對較短的時間內(nèi)獲得蠕變斷裂的數(shù)據(jù)， 再通過外推的方法來預(yù)測材料在真實服役條件下的蠕變持久壽命[5]。 對于高溫蒸汽輸送用管， 設(shè)計壽命通常為20 年， 管道在約350 ℃， 工作應(yīng)力約200 MPa的條件下服役。 雖然管線鋼相比于耐熱鋼合金含量更低， 但在350～450 ℃環(huán)境下服役時， 管線鋼組織不會發(fā)生重大改變， 蠕變機制也相近，因此， 在450 ℃、 200 MPa 加載應(yīng)力作用下進行的蠕變試驗也可用外推法預(yù)測蠕變壽命。 綜上所述， 本研究以X80 鋼級雙縫埋弧焊UOE 焊管為研究對象， 管體和焊縫在試驗溫度450 ℃、加載應(yīng)力分別為500 MPa、 470 MPa、 435 MPa和400 MPa 下進行蠕變試驗， 測試了從試驗開始至蠕變試樣斷裂所持續(xù)的時間， 以預(yù)測真實服役條件下管道的蠕變持久壽命， 并對蠕變斷口進行分析。

1 試驗材料與方法

試驗材料取自試制的X80 鋼級高溫蒸汽輸送用雙縫埋弧焊UOE 焊管， 規(guī)格為Φ1 219 mm×22 mm， 其化學(xué)成分見表1， 室溫和高溫下的力學(xué)性能見表2。 由表1 和表2 可以看出， 該X80鋼級高溫蒸汽輸送用雙縫埋弧焊UOE 焊管具備足夠的室溫和高溫強度。

表1 X80 鋼級UOE 焊管化學(xué)成分%

表2 X80 鋼級UOE 焊管室溫和高溫下的力學(xué)性能

蠕變試樣取自管體和焊縫橫向壁厚中心， 試樣尺寸如圖1 所示， 使用RDL50 電子式持久蠕變試驗機按照標準ASTM E139-11 進行蠕變試驗， 將試樣置于試驗機加熱爐內(nèi)加熱， 在試樣平行長度兩端固定熱電偶監(jiān)控試驗溫度， 并控制在450±3 ℃， 到達加熱溫度后保溫10 min 開始加載應(yīng)力， 試驗應(yīng)力分別為500 MPa、 470 MPa、435 MPa 和400 MPa， 試驗進行至試樣斷裂為止， 記錄時間-伸長率曲線。 同時制取金相試樣， 采用4%硝酸酒精溶液進行表面腐蝕， 采用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡對蠕變斷口的微觀組織形貌進行觀察。

圖1 X80 鋼級UOE 焊管蠕變試樣尺寸（單位：mm）

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 管體和焊縫的高溫蠕變行為

管體和焊縫在450 ℃不同應(yīng)力下的蠕變曲線如圖2 所示。 管體的蠕變曲線呈典型的三段式分布[6]， 第Ⅰ階段為減速蠕變階段， 隨著形變加工硬化不斷增強， 位錯開動和滑移阻力增大， 蠕變速率不斷降低； 第Ⅱ階段為恒速蠕變階段， 此時加工硬化與動態(tài)回復(fù)達到相對平衡， 蠕變以相對恒定的速率進行； 第Ⅲ階段為加速蠕變階段， 空洞萌生長大， 斷裂開始。 隨著蠕變加載應(yīng)力從400 MPa 升高至500 MPa， 管體的恒速蠕變階段不斷縮短， 在450 ℃/500 MPa 的條件下恒速蠕變階段基本消失。

焊縫的蠕變曲線明顯不同于管體， 首先，焊縫蠕變的持久時間短于管體， 尤其是450℃/400 MPa 的試驗條件下， 管體蠕變持久時間為4 200 h， 而焊縫僅為1 200 h； 其次， 從曲線形態(tài)看， 焊縫加速蠕變的第Ⅲ階段基本不存在； 再次， 從伸長率看， 焊縫蠕變的伸長率僅為1%～2%， 遠低于管體蠕變接近10%的伸長率， 這些現(xiàn)象表明焊縫蠕變的斷裂更具有脆性斷裂的特征。 圖3 為管體和焊縫的蠕變斷裂試樣照片， 可見管體蠕變斷裂試樣具有明顯的頸縮特征， 而焊縫蠕變試樣基本無頸縮， 這種差別也表明焊縫蠕變斷裂更具有脆性斷裂傾向。

圖2 X80 鋼級UOE 焊管管體和焊縫450 ℃不同應(yīng)力下的蠕變曲線

圖3 X80 鋼級UOE 焊管管體和焊縫蠕變斷裂試樣

圖4 為管體和焊縫蠕變加載應(yīng)力-蠕變斷裂時間曲線， 通過線性回歸和外推預(yù)測了材料在200 MPa 下的蠕變持久壽命。 可見， 管體的預(yù)測壽命高于焊縫， 但兩者的預(yù)測壽命均滿足高溫蒸汽輸送用管20 年的設(shè)計壽命。 值得注意的是，焊縫在450 ℃/400 MPa 的蠕變試驗條件下， 持久壽命出現(xiàn)了較明顯的向下轉(zhuǎn)折， 這可能與低應(yīng)力長時間的蠕變中， 斷裂由韌轉(zhuǎn)脆有關(guān)[8]， 這種轉(zhuǎn)變會造成抗蠕變性能的惡化， 因此焊縫的蠕變持久壽命預(yù)測需要更多的試驗數(shù)據(jù)進行驗證。

圖4 管體和焊縫蠕變加載應(yīng)力-蠕變斷裂時間曲線

2.2 管體和焊縫的蠕變斷口形貌

圖5 為使用SEM 觀察的不同加載應(yīng)力下管體蠕變斷口， 除400 MPa 的條件外， 管體蠕變斷口均呈杯錐狀， 由中心的纖維區(qū)和四周的剪切唇構(gòu)成， 纖維區(qū)分布著尺寸大小不一的等軸狀韌窩， 韌窩底部可以觀察到一些球形夾雜，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征[7]， 如圖6 所示。 另外， 隨著加載應(yīng)力降低， 中心纖維區(qū)面積不斷增大， 當加載應(yīng)力達到400 MPa 時， 纖維區(qū)面積較大， 此時宏觀斷口不再呈杯錐狀。

不同加載應(yīng)力下焊縫蠕變斷口的體視顯微鏡照片如圖7 所示， 觀察焊縫蠕變斷口表面， 可以發(fā)現(xiàn)斷口不同區(qū)域的氧化色存在明顯差異， 按氧化色可以將斷口分為較深和較淺氧化色兩個部分， 這可能與蠕變斷口的形成過程有關(guān)， 較深氧化色部分可能為斷口的起裂端， 在高溫下與空氣接觸時間較長， 因此形成了較深的氧化色； 較淺氧化色部分為斷口的擴展部分， 高溫下與空氣接觸時間較短， 因此顏色較淺。

圖5 不同加載應(yīng)力下管體蠕變斷口的SEM 形貌

圖6 500 MPa 下管體蠕變斷口的SEM 形貌（局部放大）

圖7 不同加載應(yīng)力下焊縫蠕變斷口的體視顯微鏡照片

使用SEM 觀察焊縫蠕變斷口形貌， 500 MPa、470 MPa 和435 MPa 焊縫蠕變斷口形貌類似， 僅展示500 MPa 下焊縫蠕變斷口形貌， 如圖8 所示， 體視顯微鏡下氧化色較深的部分呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂形貌， 而氧化色較淺的部分出現(xiàn)了較淺的撕裂狀韌窩， 斷口整體呈現(xiàn)出沿晶型和韌窩型的混合斷口， 因此蠕變的斷裂始于沿晶型斷口，之后快速以撕裂狀韌窩形式擴展到整個區(qū)域。

圖8 X80 鋼級UOE 焊管焊縫蠕變斷口的SEM 形貌（450 ℃/500 MPa）

圖9 為焊縫蠕變400 MPa 應(yīng)力條件下的斷口形貌， 與500 MPa、 470 MPa 和435 MPa 明顯不同， 其氧化色較深的部分出現(xiàn)較淺的韌窩， 但氧化色較淺的部分出現(xiàn)了典型的解理斷裂形貌，這表明在較低應(yīng)力下焊縫蠕變脆性斷裂特征更加明顯， 從而導(dǎo)致蠕變持久壽命逐漸減小。

圖9 X80 鋼級UOE 焊管焊縫蠕變斷口的SEM 形貌（450 ℃/400 MPa）

2.3 焊縫蠕變斷口的顯微組織

為了進一步分析焊縫蠕變斷口的斷裂模式，將所有焊縫蠕變斷口按圖10 中的紅色虛線進行剖分， 觀察縱截面的顯微組織。

圖10 X80 鋼級UOE 焊管焊縫蠕變斷口的剖分方式與觀察方向

由于500 MPa、 470 MPa 和435 MPa 蠕變條件下焊縫斷口宏微觀形貌相似， 此處以500 MPa蠕變條件下的形貌為例。 圖11 為450 ℃/500 MPa蠕變試驗條件下焊縫斷口的宏觀形貌和顯微組織。 從宏觀形貌看， 可以發(fā)現(xiàn)起裂點出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)靠近熔合線的位置， 在焊縫兩側(cè)均出現(xiàn)起裂點， 其中一側(cè)起裂后向管體擴展造成斷裂，管體部分存在少量頸縮； 從顯微組織看， 蠕變斷裂起始于HAZ 的粗晶區(qū)， 晶粒尺寸粗大， 之后沿粗晶區(qū)擴展至管體部分， 粗晶區(qū)斷口形貌對應(yīng)于圖8 （b） 中的沿晶斷口， 管體區(qū)斷口形貌對應(yīng)于圖8 （d） 中的撕裂狀韌窩斷口。

圖12 為450 ℃/400 MPa 蠕變試驗條件下焊縫斷口的宏觀形貌和顯微組織。 此時斷裂的擴展路徑發(fā)生了變化， 起裂點雖然也位于焊縫HAZ粗晶區(qū)， 但未擴展至管體， 而是在粗晶區(qū)以解理斷裂的形式發(fā)生裂紋擴展， 如圖9 （d） 所示，這可能是由于低應(yīng)力下晶界滑動減弱， 從而抑制了沿晶斷口的形成[9]， 同時在高溫環(huán)境中， 晶粒發(fā)生粗化， 晶粒內(nèi)部析出第二相， 從而加劇了HAZ 粗晶區(qū)解理斷裂的傾向， 使其斷裂機制由沿晶斷裂變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>

圖11 X80 鋼級UOE 焊管焊縫蠕變斷口顯微組織（450 ℃/500 MPa）

圖12 X80 鋼級UOE 焊管焊縫蠕變斷口顯微組織（450 ℃/400 MPa）

圖13 X80 鋼級UOE 焊管管體顯微組織

圖14 X80 鋼級UOE 焊管焊縫蠕變斷口縱截面SEM 顯微組織（450 ℃/500 MPa）

圖13 為管體顯微組織照片， 可以看出晶粒尺寸十分細小。 圖14 為450 ℃/500 MPa 蠕變試驗條件下焊縫斷口縱截面的SEM 顯微組織， 在粗晶區(qū)的晶界上可以觀察到較多的空洞和夾雜。 這與國內(nèi)外對高溫焊接接頭失效研究相一致[10]， 蠕變開裂大多發(fā)生在焊接接頭的HAZ 粗晶區(qū)，這是因為粗晶區(qū)晶粒晶界粗大， 雜質(zhì)元素易在晶界偏聚弱化晶界， 且熱影響區(qū)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后晶界上易析出夾雜[11]， 這些都促進了蠕變空洞在晶界的形核， 降低管體的抗蠕變性能，因此粗晶區(qū)抗蠕變性能較差， 成為了蠕變斷裂的起始部位。

3 結(jié) 論

（1） 高溫蒸汽輸送用X80 鋼級UOE 焊管管體抗蠕變性能優(yōu)于焊縫， 預(yù)期蠕變持久壽命長于焊縫， 兩者預(yù)期壽命均達到蒸汽輸送管20 年設(shè)計壽命。

（2） 管體和焊縫蠕變斷口存在顯著差異， 管體試樣出現(xiàn)明顯頸縮， 表現(xiàn)為韌性斷裂， 斷口呈韌窩狀； 焊縫試樣無明顯頸縮， 表現(xiàn)出部分脆性斷裂特征， 斷口為沿晶型和韌窩型的混合斷口；在400 MPa 下， 焊縫蠕變斷口還出現(xiàn)了部分解理形貌， 進一步降低了其抗蠕變性能。

（3） 相比于管體細小的晶粒組織， 焊縫HAZ粗晶區(qū)晶粒粗大， 且在晶界上存在較多夾雜， 空洞易在晶界處形核并長大， 進而形成裂紋源并發(fā)生沿晶斷裂， 從而降低了焊縫的蠕變性能。