全尺寸疲劳试件疲劳断口分析

胡艳华，牛虎理，刘 剑

中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

疲劳断裂是焊接结构最常见的失效机制之一[1]。由于疲劳破坏是低应力作用下损伤累积的结果，使得各种因素对疲劳破坏的影响十分敏感。所有焊接接头均含有缺陷或不连续区域，其形式为几何尺寸缺陷或冶金缺陷，如各种裂纹、未熔合、高硬度部位等；而这些缺陷又常位于应力集中处，因此研究焊缝接头形式及焊接缺陷对于提高对焊接结构疲劳断裂过程的认识有重要意义。

疲劳断口记录了断裂过程的许多信息。由于应力条件差异，疲劳断口有其独特的特征，而这些特征又会受到材料本身的性质、应力大小及状态、环境因素的影响而发生变化，所以疲劳断口的分析是研究疲劳断裂机理、分析断裂原因的重要手段之一。根据疲劳裂纹的形成及扩展过程，典型的疲劳宏观断口可分为三个区域：疲劳源、稳扩区和瞬断区[1]。疲劳源为疲劳裂纹的萌生地，一般发生在构件表面存在应力集中的部位，但如果构件内部存在缺陷，也可在构件内部发生；稳扩区的宏观特征为该区域常呈现出垂直于疲劳裂纹扩展方向的贝壳状或海滩波纹状的条纹，这些贝壳状的推进线是在使用过程中循环应力振幅变化或载荷大小改变等所遗留下的痕迹；瞬时断裂区是疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，发生快速扩展并导致构件瞬时断裂而形成的端口区域，其宏观特征与静载断裂的断口一样，脆性材料为结晶状断口，延性材料为放射性或人字纹花样，在构件边缘形成剪切唇。

为了满足海洋隔水管的全尺寸疲劳性能评定要求和工程应用需求，本文针对多接头隔水管刚度大、载荷施加难度大的特点，开展了φ323.9 mm×18 mm海洋隔水管多接头全尺寸疲劳试验研究，并通过高清相机和三维视频显微镜对疲劳试件的断口进行了宏观和微观观察与分析，为疲劳失效分析提供了重要依据。

1 试验方法

1.1 多接头全尺寸疲劳试件制备

全尺寸疲劳试验采用的隔水管材质为X65 钢，其规格为φ323.9 mm×18 mm×10 000 mm，管材化学成分见表1，其屈服强度、抗拉强度和伸长率如表2所示[2]。

表1 化学成分（质量分数）/%

表2 力学性能

管道全尺寸疲劳试验接头形式为环焊缝对接接头，环焊缝采用双V 型复合坡口型式，坡口形式和尺寸如图1所示，焊接方法为STT 打底+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。

图1 坡口形式及尺寸

为了消除封头效应对加载试验结果的影响，两端采用焊接堵头封堵；在一端堵头上制作进（出）水口，进（出）水口共用同一根软管，在另一端距离管道端部不远处钻一小孔，并焊上阀门，用于排出管道内部的空气[2]。

1.2 全尺寸疲劳试验的载荷施加方式

海洋隔水管全尺寸疲劳试验采用四点弯曲+内压联合加载方式，相位角为0°，即作动器同步动作。弯曲加载时，作动器传输的加载载荷作用在对称于环焊缝的位置，确保最大弯矩在管道环焊缝处。内压加载通过连接在管道端部的液压子站施加，加载载荷在管道圆周截面内引起相同数值的周期应力[3]。通过设定不同的波形、应力比和内压压力，可模拟管道在不同受力状态和内部介质压力状态下的工况，以测试多接头隔水管的全尺寸疲劳性能。

1.3 疲劳断口分析试块的制备

全尺寸管道疲劳试验结束后，根据全尺寸管道疲劳破坏的外部特征判断疲劳源部位，采用气割方法以疲劳裂纹源为中心，初步截取尺寸大约为600 mm×500 mm 的分析用试块。为防止气割过程中温度过高导致疲劳断口受热氧化而影响分析效果，所以保持气割切口与疲劳源具有足够的距离，同时在气割过程中采用湿布覆盖疲劳源部位的办法对取样的区域进行冷却。气割后，疲劳试件发生内外贯穿的断裂，试块的裂纹远比气割前在疲劳试件外表面观察到的裂纹更明显，这主要是因为在气割过程中裂纹周围区域受热膨胀而使裂纹进一步张开，以及气割后样块裂纹又失去了周围约束的缘故。

使用高清相机、三维视频显微镜对试块拍摄宏观断口形貌照片，进行疲劳断口观察分析，综合全尺寸试样的疲劳信息，分析确定影响疲劳强度的关键因素。

2 试验结果

2.1 疲劳试块的宏观分析

（1）图2为疲劳试块表面宏观照片。疲劳断口试块被切割为左、中、右三段，分别标记为试块I、II、III。图2（a）～（c）是管道内表面高清照片；图2（d）～（f）为对应位置外表面照片，其中虚线为内表面焊缝焊趾位置。

观察管道内表面，疲劳裂纹沿焊缝一侧焊趾开裂，如图2（a）～（c）所示。从外表面看，疲劳裂纹扩展路径较为复杂：试块I 中裂纹穿过其中一条焊道焊缝区后沿两条焊道结合位置扩展，如图2（d）；试块II 中裂纹沿两条焊道结合位置开裂，如图2（e）；试块III 中裂纹在其中一条焊道焊缝区“曲折”扩展，直至终止，如图2（f）。

图2 疲劳试块表面宏观照片

（2）图3为试块I 疲劳断口宏观照片。图中虚线将断口大致分成了三个区域，其中A1、A2区为裂纹扩展区域，B 区为瞬间断裂区。试样内、外表面附近均出现裂纹扩展区A1、A2（断口形貌有对称的特征），一方面由于试样承受双向弯曲载荷；另一方面，表明管道内、外表面均有裂纹萌生。结合图2分析可知，内表面裂纹起源于管道内表面焊趾位置，向外扩展形成A1区；外表面裂纹起源于两条焊道的结合位置，向内扩展形成A2区；裂纹扩展到剩余面积不足以承担最大疲劳载荷时，发生静强度（即过载）断裂失效，形成粗粒区B。

图3 试块I 断口宏观照片

（3）图4为试块II 疲劳断口宏观照片。断口边缘存在明显的棘轮状标志，表明该处应力集中严重；结合图2（e）分析可知，该应力集中发生在两条焊道结合处。在管线钢多道焊过程中，第一焊道焊接热影响区受第二焊道焊接热作用，会形成再热热影响区。该区域微观组织呈现出的复杂性和不均匀性致使焊缝疲劳抗力下降[4-5]。

图4 试块II 断口宏观照片

2.2 多接头全尺寸试块疲劳断口的微观分析

为进一步分析疲劳裂纹产生的原因，运用三维视频显微镜对疲劳断口进行进一步观察和分析，选取典型、有代表性的疲劳断口微观照片如图5所示。

图5 试块II 疲劳断口微观照片

观察图5（a），疲劳断口靠近管道内表面的区域（包括焊趾位置）存在断续的焊接未熔合，如图中A、B 区所示；其中A 区覆盖了焊趾位置。分析图5（b），管道外表面附近的疲劳断口同样存在熔合不良的区域（C 区）；结合2.1 节的分析，可知该区域出现在两条焊道的结合处，表明本试验中两条焊道未完全融合。一方面，焊缝未熔合缺陷会造成构件有效承载面积减小；另一方面，未熔合区域处于构件形状不连续甚至发生突变的焊趾和两条焊道结合位置，因此这些区域应力集中严重，在疲劳加载中易作为疲劳裂纹源而显著加速管道的疲劳破坏。

3 分析与讨论

试验所用全尺寸疲劳试件焊接接头中存在未熔合等不连续性缺陷，这些缺陷会造成焊缝有效承载面积减小，引起缺陷位置的应力集中。在试件承受循环载荷时，缺陷位置易诱发裂纹或引起开裂，降低试件的疲劳寿命；另一方面，也使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中一个相当短的时间。

从以上对疲劳断口的观察可知，疲劳抗力的薄弱部位分别为试件内表面的焊趾与外表面两条焊道的结合位置。分析原因有以下几个方面：其一，焊缝与母材（或第二条焊道与第一条焊道）之间存在的形状突变导致了应力集中；其二，焊趾和两道焊缝结合位置存在熔合不良缺陷，降低了有效承载面积，加重了应力集中；其三，焊接热过程或再热过程在焊趾和两条焊道结合位置引入了不可忽视的残余拉应力[6]；其四，这两处位置在焊接热过程或再热过程的作用下，会出现微观组织粗化甚至生成脆性组织，导致了疲劳抗力下降[7]。

由图2（f）可以看到，裂纹在其中一条焊道焊缝区“曲折”扩展且最终终止扩展。这是由于焊缝中存在垂直于焊道的柱状晶，其取向与裂纹扩展方向成一定角度，裂纹在扩展过程中必须斜切过柱状晶，其扩展也因此受到较大阻力，最终导致焊道中裂纹路径较为曲折，疲劳裂纹扩展门槛值得到了提高[7]，因此焊缝区具有较好的抗疲劳裂纹扩展性能。

4 结论

（1）试验用全尺寸疲劳试件焊接接头中存在的未熔合等不连续性缺陷降低了试件的疲劳寿命。

（2）试验用全尺寸疲劳试件疲劳抗力的薄弱部位分别为试件内表面的焊趾与外表面两条焊道的结合位置。焊缝区疲劳裂纹扩展路径较为曲折，表明试件具有较好的抗疲劳裂纹扩展性能。

（3）可通过采取加宽对接接头间的间隙、清洁坡口污染物等措施，防止内侧表面焊缝的未熔合；也应设法降低内侧表面焊缝余高，打磨外表面焊缝，以减小形状不连续导致的应力集中，最终提高全尺寸试件的抗疲劳寿命。