超声冲击处理对A106-B焊管腐蚀疲劳的影响

张德红



超声冲击处理对A106-B焊管腐蚀疲劳的影响

张德红

(宜宾职业技术学院，宜宾 644003)

在部件加工过程中产生的拉伸残余应力是影响腐蚀疲劳性能的主要原因。超声冲击处理是一种潜在改善焊接结构腐蚀疲劳性能的有效方法。本文以某冶炼厂的A106-B焊管为研究对象，探索超声冲击处理对焊管腐蚀疲劳行为的影响。结果表明：超声冲击处理使焊趾形状明显改变，焊趾角度降低50%，半径增加15.5倍，显著降低了应力集中程度。同时，超声冲击处理使试样表面拉伸残余应力得到有效释放，最大应力由230 MPa降至120 MPa，并在近表面区引入压缩残余应力。此外超声冲击处理还可细化材料表面晶粒。因此，超声冲击处理后试样的抗腐蚀能力和抗疲劳性能都得以改善，使得A106-B焊管的腐蚀疲劳寿命增加了99.4%。

腐蚀疲劳性能；超声冲击处理；焊管；残余应力；疲劳寿命

腐蚀疲劳是在腐蚀环境下发生的疲劳作用，是材料在腐蚀和循环载荷共同作用下的力学性能退化行为[1−2]。研究材料和构件的腐蚀疲劳性能已成为结构完整性评估及寿命预测的重要内容[3]。与母材相比，焊接接头通常具有较低的疲劳强度[4]。这是因为焊接过程中伴随着复杂的焊接冶金作用，使得焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能均发生了改变[5−6]。国内外学者针对焊接接头的腐蚀疲劳问题进行了大量的研究。在腐蚀疲劳机制方面， HASAN等[7]研究了应力强度因子、加载模式、温度等对617镍基合金腐蚀疲劳性能的影响，发现疲劳裂纹扩展速率随温度升高而增大，但加载模式对其影响不明显。KANG等[8]研究了HSB800接头的腐蚀疲劳性能，结果显示临界再热粗晶区是薄弱位置；在裂纹扩展机制方面，OYEWOLE等[9]探讨了在平均及残余应力作用下的裂纹扩展行为，发现平均应力对裂纹扩展速率有显著影响。黄彪等[10]研究了铝合金激光焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展特性，并分析了裂纹扩展的影响因素，结果显示细小晶粒的焊缝组织有助于接头疲劳裂纹扩展性能的提高。季明国 等[11]对原油储罐用国产12MnNiVR钢板焊接接头进行了空气和储罐污水中的疲劳裂纹扩展试验，发现污水溶液对裂纹扩展速率没有显著影响；在腐蚀疲劳寿命预测方面，LARROSA等[12]在对损伤容限模型的综述中，指出建立基于环境与疲劳交互作用机理的损伤模型是当前研究的机遇与挑战。SUN等[13]建立了多尺度的腐蚀疲劳损伤模型，发现该模型在宏观及微观尺度上均可以有效地研究铝合金的腐蚀疲劳机理。但是如何改善材料的腐蚀疲劳性能仍是实际工程中亟需解决的问题之一。对接头进行焊后处理，是工程中改善接头综合性能的常规手段[14]。例如，焊后热处理、振动法、机械/温差拉伸法在消除残余应力方面均有各自优势。其中，高频冲击震动是一种消除残余应力，提升焊接接头服役性能的有效方法[15]。该方法可以克服大型部件难以整体热处理的问题，与传统的喷丸、锤击等方法相比，超声冲击[16]具有工作效率高的特点，在工业应用中具有良好的应用潜力[17−20]。本文以某冶炼厂的A106-B焊管为研究对象，探索超声冲击对腐蚀疲劳性能的改善效果，并分析具体的影响因素，为工程应用提供参考。

1 实验

实验材料为图1(a)所示的A106-B亚共晶碳钢钢管对接接头。焊接工艺为手工电弧焊。分别依据ASTM E8-04和ASTM E466—99标准，在对接管道焊接接头中制取拉伸和疲劳试样。两种试样的几何尺寸分别如图1(b)和图1(c)所示。选用MPI超声电源对6组试样进行超声冲击处理。冲击频率为20 kHz，并在外部焊趾处保持1 min。

图1 试样尺寸及取样示意

(a) Dimension of welded pipe and schematic diagram of sampling; (b) Tensile specimen; (c) Fatigue specimen

图2 (a) 超声冲击现象图；(b) 腐蚀疲劳试验装置；(c) 腐蚀疲劳试样实物图；(d) 试验后的腐蚀疲劳试样

为评估超声冲击对残余应力的影响，仅对焊接接头的一侧进行超声冲击处理，如图2(a)所示。随后采用超声测试方法，对焊管对接接头两侧的残余应力进行分析。采用3组试样进行拉伸试验，拉伸速率为5 mm/s。获取的平均屈服强度为360 MPa。腐蚀疲劳试验共测试12根试样(包含6根超声处理的试样，6根未进行超声处理的试样)。应力比和加载频率分别为0.05和1 Hz(参照ASTM E467-99的规定)。应力的取值分别为屈服强度的85%，90%和95%。腐蚀疲劳试验装置及试样分别如图2(b)和图2 (c)所示。腐蚀溶液为60 ℃下质量分数为10%NaCl+浓度10−2mol/L Na2S2O3的去离子水溶液。该溶液的pH值为3.5，通过添加H2SO4或NaOH进行调节。为降低实验成本和对环境的污染，采用Na2S2O3代替H2S。

2 结果与讨论

焊趾是疲劳裂纹萌生的敏感区域之一。当裂纹萌生后焊趾区的应力集中作用会进一步加剧。随裂纹向部件内部扩展，有效承载面积减小，应力水平增加，最终导致断裂。因此，消除裂纹及延缓裂纹的扩展是提升设备疲劳寿命的有效方法。此外，焊接残余应力在与交变载荷产生应力叠加后，应力幅值会发生变化，进而影响结构的抗疲劳强度。

2.1 超声冲击对焊趾的影响

图2所示为超声冲击处理及腐蚀疲劳试验过程，图2(a)示意了超声冲击处理的位置，图2(b)为自行搭建的腐蚀疲劳试验装置，图2(c)和(d)为试验前后的腐蚀疲劳试样。由图2(d)可知，超声处理的试样在腐蚀疲劳作用下断裂于热影响区, 未进行超声处理的试样在腐蚀疲劳作用下断裂于焊趾处。这表明超声冲击处理可改变腐蚀疲劳断裂机理。如前文所述，未进行超声冲击处理的试样，焊趾是疲劳裂纹萌生的敏感区域之一，与本研究的试验结果吻合。超声冲击处理使试样表面产生塑性变形。塑性变形过程中材料的位错密度显著增加，进而使得试样表面硬度增大。图3所示为超声冲击处理前后，焊管厚度方向的显微硬度分布及焊趾形貌的对比。图3(a)显示试样表面硬度在塑性变形后增加了约30%。在疲劳载荷下，硬度的增加会有效阻止表面裂纹萌生。为分析焊趾处的塑性变形情况，采用线切割技术对冲击前后的焊趾进行切割，并通过图像扫描获取了如图3(b)所示的表面形貌。采用CATIA软件对二者的轴向截面积进行计算分析，发现二者的面积比(超声冲击处理后的焊趾截面积/未超声冲击处理焊趾的截面积)为0.952。这表明塑性变形为4.8%。图4所示为试验焊趾的几何形貌。由图可知，超声冲击对焊趾形状的影响主要体现为焊趾半径和焊趾角度的改变。测试结果显示，超声冲击处理后，焊趾角度降低了约50%，焊趾半径增加了15.5倍。这种改变可显著降低焊趾的应力集中程度，进而削弱裂纹向部件内部扩展的能力。

图3 (a) 焊管厚度方向的显微硬度分布；(b) 超声冲击处理前后的焊趾表面形貌

2.2 超声冲击对残余应力的影响

为分析超声冲击处理消除焊接残余应力的效果。对距离接头表面1 mm处的残余应力进行测试对比，具体结果如图5所示。可以看出超声冲击处理可有效降低残余应力的峰值应力，最大应力由230 MPa降至120 MPa，降低幅度约达到66%。同时也可改变残余应力的分布规律，使得焊趾处(距离焊缝中心约22 mm的位置)的残余应力由拉应力改变为压应力。图6所示为超声冲击前后的微观组织对比。由图可知，超声冲击处理后，焊趾处的微观组织也发生了显著改变，组织改变的原理为：超声冲击处理时，随变形量增加，材料内位错互相作用使位错密度不断增加，原亚晶界逐步模糊不清、消失；随超声冲击进行，金属表面被反复冲击，使得一些位错重新排列形成新的亚晶界。随时间延长，塑性变形继续进行，位错密度进一步增加，使晶界逐步消失又组成新的晶界，导致晶粒破碎、细化。原本粗大的晶粒变成均匀细化的晶粒，分布均匀的组织提升了局部腐蚀抗力。

图4 试验焊趾几何形貌

图5 距离表面1 mm处的残余应力分布

2.3 超声冲击对疲劳性能的影响

图6 超声冲击前后焊趾处微观组织

图7所示为超声冲击前后的S-N曲线对比。由图可知，超声冲击处理后，试样的疲劳寿命增加了约99.4%。这是因为超声冲击处理后，会在距离表面一定深度范围内引入压缩应力。循环载荷中的拉伸应力在与超声冲击引入的压缩应力叠加后，其整体应力水平降低(见图8)，例如初始循环载荷中平均应力为0，波幅如图8(a)所示，当叠加如图8(b)所示的残余应力r时，整体应力变为平均应力为r，波幅如图8(c)所示。残余压应力会提升材料的疲劳强度，延长疲劳寿命。由Goodman公式可知：

式中：a为波动应力；m为平均应力；fat为疲劳极限；为平均应力敏感系数。当把残余应力与平均应力叠加后，公式(1)变为：

式中：r为残余应力。因此残余应力导致的疲劳强度改变并描述为：

由上式可以看出，疲劳强度会随压缩残余应力的增大而提高。

图8 残余应力与初始循环载荷叠加效果示意图

3 结论

1) 超声冲击处理后，焊趾的形状发生明显改变，有效改善了焊趾处应力集中程度。同时超声冲击处理后，表面的显微硬度明显提升。因此，处理后的材料避免了在焊趾处萌生裂纹并向内部扩展。最终的失效是热影响性能较低导致。

2) 超声冲击处理对残余应力的峰值应力和分布规律都有显著影响。具体体现为：有效降低了峰值应力，降幅达66%；使焊趾处的残余应力由拉应力转变为压应力。此外，冲击后材料微观组织更加均匀细小，提升了局部腐蚀的抗力。

3) 超声冲击处理后，试样的腐蚀疲劳寿命明显提升。疲劳寿命的提升主要是因为残余应力的叠加导致了平均应力下降。其机理可由Goodman公式推导 获取。

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Effect of ultrasonic impact treatment on corrosion fatigue behavior of A106-B steel welded pipes

ZHANG Dehong

(YiBin Vocational and Technical College, Yibin 644003, China)

Tensile residual stresses caused in manufacturing processes are the main reason of decreasing in corrosion fatigue property of structures. Applying ultrasonic impact treatment is one of the promising and effective methods for enhancing corrosion fatigue properties of materials. In this work, effect of ultrasonic impact treatment on corrosion fatigue behavior of A106-B welded steel pipe, provided by a gas refinery, has been investigated. The results indicated that ultrasonic impact treatment modified the weld toe geometry obviously, weld toe angle is reduced by 50% and weld toe radius is increased by 15.5 times, the stress concentration decreases significantly. Meanwhile, the surface tensile residual stress releases effectively. And the compressive stress is introduced in the sub-surface region. In addition, grain refinement is observed in the surface region of the material. Hence, after ultrasonic impact treatment, both corrosion resistance and fatigue resistance of the specimens are improved, the corrosion fatigue life is increased by 99.4%.

corrosion fatigue properties; ultrasonic impact treatment; welded pipe; residual stress; fatigue life

TG172.34

A

1673-0224(2019)03-267-06

2018−12−02；

2019−01−04

张德红，副教授，硕士。电话：13550713311；E-mail: 110615840@qq.com

(编辑 高海燕)