張德紅

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超聲沖擊處理對A106-B焊管腐蝕疲勞的影響

張德紅

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644003)

在部件加工過程中產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力是影響腐蝕疲勞性能的主要原因。超聲沖擊處理是一種潛在改善焊接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞性能的有效方法。本文以某冶煉廠的A106-B焊管為研究對象，探索超聲沖擊處理對焊管腐蝕疲勞行為的影響。結(jié)果表明：超聲沖擊處理使焊趾形狀明顯改變，焊趾角度降低50%，半徑增加15.5倍，顯著降低了應(yīng)力集中程度。同時，超聲沖擊處理使試樣表面拉伸殘余應(yīng)力得到有效釋放，最大應(yīng)力由230 MPa降至120 MPa，并在近表面區(qū)引入壓縮殘余應(yīng)力。此外超聲沖擊處理還可細(xì)化材料表面晶粒。因此，超聲沖擊處理后試樣的抗腐蝕能力和抗疲勞性能都得以改善，使得A106-B焊管的腐蝕疲勞壽命增加了99.4%。

腐蝕疲勞性能；超聲沖擊處理；焊管；殘余應(yīng)力；疲勞壽命

腐蝕疲勞是在腐蝕環(huán)境下發(fā)生的疲勞作用，是材料在腐蝕和循環(huán)載荷共同作用下的力學(xué)性能退化行為[1?2]。研究材料和構(gòu)件的腐蝕疲勞性能已成為結(jié)構(gòu)完整性評估及壽命預(yù)測的重要內(nèi)容[3]。與母材相比，焊接接頭通常具有較低的疲勞強度[4]。這是因為焊接過程中伴隨著復(fù)雜的焊接冶金作用，使得焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能均發(fā)生了改變[5?6]。國內(nèi)外學(xué)者針對焊接接頭的腐蝕疲勞問題進(jìn)行了大量的研究。在腐蝕疲勞機制方面， HASAN等[7]研究了應(yīng)力強度因子、加載模式、溫度等對617鎳基合金腐蝕疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨溫度升高而增大，但加載模式對其影響不明顯。KANG等[8]研究了HSB800接頭的腐蝕疲勞性能，結(jié)果顯示臨界再熱粗晶區(qū)是薄弱位置；在裂紋擴(kuò)展機制方面，OYEWOLE等[9]探討了在平均及殘余應(yīng)力作用下的裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)平均應(yīng)力對裂紋擴(kuò)展速率有顯著影響。黃彪等[10]研究了鋁合金激光焊接接頭的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展特性，并分析了裂紋擴(kuò)展的影響因素，結(jié)果顯示細(xì)小晶粒的焊縫組織有助于接頭疲勞裂紋擴(kuò)展性能的提高。季明國 等[11]對原油儲罐用國產(chǎn)12MnNiVR鋼板焊接接頭進(jìn)行了空氣和儲罐污水中的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗，發(fā)現(xiàn)污水溶液對裂紋擴(kuò)展速率沒有顯著影響；在腐蝕疲勞壽命預(yù)測方面，LARROSA等[12]在對損傷容限模型的綜述中，指出建立基于環(huán)境與疲勞交互作用機理的損傷模型是當(dāng)前研究的機遇與挑戰(zhàn)。SUN等[13]建立了多尺度的腐蝕疲勞損傷模型，發(fā)現(xiàn)該模型在宏觀及微觀尺度上均可以有效地研究鋁合金的腐蝕疲勞機理。但是如何改善材料的腐蝕疲勞性能仍是實際工程中亟需解決的問題之一。對接頭進(jìn)行焊后處理，是工程中改善接頭綜合性能的常規(guī)手段[14]。例如，焊后熱處理、振動法、機械/溫差拉伸法在消除殘余應(yīng)力方面均有各自優(yōu)勢。其中，高頻沖擊震動是一種消除殘余應(yīng)力，提升焊接接頭服役性能的有效方法[15]。該方法可以克服大型部件難以整體熱處理的問題，與傳統(tǒng)的噴丸、錘擊等方法相比，超聲沖擊[16]具有工作效率高的特點，在工業(yè)應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用潛力[17?20]。本文以某冶煉廠的A106-B焊管為研究對象，探索超聲沖擊對腐蝕疲勞性能的改善效果，并分析具體的影響因素，為工程應(yīng)用提供參考。

1 實驗

實驗材料為圖1(a)所示的A106-B亞共晶碳鋼鋼管對接接頭。焊接工藝為手工電弧焊。分別依據(jù)ASTM E8-04和ASTM E466—99標(biāo)準(zhǔn)，在對接管道焊接接頭中制取拉伸和疲勞試樣。兩種試樣的幾何尺寸分別如圖1(b)和圖1(c)所示。選用MPI超聲電源對6組試樣進(jìn)行超聲沖擊處理。沖擊頻率為20 kHz，并在外部焊趾處保持1 min。

圖1 試樣尺寸及取樣示意

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

圖2 (a) 超聲沖擊現(xiàn)象圖；(b) 腐蝕疲勞試驗裝置；(c) 腐蝕疲勞試樣實物圖；(d) 試驗后的腐蝕疲勞試樣

為評估超聲沖擊對殘余應(yīng)力的影響，僅對焊接接頭的一側(cè)進(jìn)行超聲沖擊處理，如圖2(a)所示。隨后采用超聲測試方法，對焊管對接接頭兩側(cè)的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。采用3組試樣進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為5 mm/s。獲取的平均屈服強度為360 MPa。腐蝕疲勞試驗共測試12根試樣(包含6根超聲處理的試樣，6根未進(jìn)行超聲處理的試樣)。應(yīng)力比和加載頻率分別為0.05和1 Hz(參照ASTM E467-99的規(guī)定)。應(yīng)力的取值分別為屈服強度的85%，90%和95%。腐蝕疲勞試驗裝置及試樣分別如圖2(b)和圖2 (c)所示。腐蝕溶液為60 ℃下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaCl+濃度10?2mol/L Na2S2O3的去離子水溶液。該溶液的pH值為3.5，通過添加H2SO4或NaOH進(jìn)行調(diào)節(jié)。為降低實驗成本和對環(huán)境的污染，采用Na2S2O3代替H2S。

2 結(jié)果與討論

焊趾是疲勞裂紋萌生的敏感區(qū)域之一。當(dāng)裂紋萌生后焊趾區(qū)的應(yīng)力集中作用會進(jìn)一步加劇。隨裂紋向部件內(nèi)部擴(kuò)展，有效承載面積減小，應(yīng)力水平增加，最終導(dǎo)致斷裂。因此，消除裂紋及延緩裂紋的擴(kuò)展是提升設(shè)備疲勞壽命的有效方法。此外，焊接殘余應(yīng)力在與交變載荷產(chǎn)生應(yīng)力疊加后，應(yīng)力幅值會發(fā)生變化，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的抗疲勞強度。

2.1 超聲沖擊對焊趾的影響

圖2所示為超聲沖擊處理及腐蝕疲勞試驗過程，圖2(a)示意了超聲沖擊處理的位置，圖2(b)為自行搭建的腐蝕疲勞試驗裝置，圖2(c)和(d)為試驗前后的腐蝕疲勞試樣。由圖2(d)可知，超聲處理的試樣在腐蝕疲勞作用下斷裂于熱影響區(qū), 未進(jìn)行超聲處理的試樣在腐蝕疲勞作用下斷裂于焊趾處。這表明超聲沖擊處理可改變腐蝕疲勞斷裂機理。如前文所述，未進(jìn)行超聲沖擊處理的試樣，焊趾是疲勞裂紋萌生的敏感區(qū)域之一，與本研究的試驗結(jié)果吻合。超聲沖擊處理使試樣表面產(chǎn)生塑性變形。塑性變形過程中材料的位錯密度顯著增加，進(jìn)而使得試樣表面硬度增大。圖3所示為超聲沖擊處理前后，焊管厚度方向的顯微硬度分布及焊趾形貌的對比。圖3(a)顯示試樣表面硬度在塑性變形后增加了約30%。在疲勞載荷下，硬度的增加會有效阻止表面裂紋萌生。為分析焊趾處的塑性變形情況，采用線切割技術(shù)對沖擊前后的焊趾進(jìn)行切割，并通過圖像掃描獲取了如圖3(b)所示的表面形貌。采用CATIA軟件對二者的軸向截面積進(jìn)行計算分析，發(fā)現(xiàn)二者的面積比(超聲沖擊處理后的焊趾截面積/未超聲沖擊處理焊趾的截面積)為0.952。這表明塑性變形為4.8%。圖4所示為試驗焊趾的幾何形貌。由圖可知，超聲沖擊對焊趾形狀的影響主要體現(xiàn)為焊趾半徑和焊趾角度的改變。測試結(jié)果顯示，超聲沖擊處理后，焊趾角度降低了約50%，焊趾半徑增加了15.5倍。這種改變可顯著降低焊趾的應(yīng)力集中程度，進(jìn)而削弱裂紋向部件內(nèi)部擴(kuò)展的能力。

圖3 (a) 焊管厚度方向的顯微硬度分布；(b) 超聲沖擊處理前后的焊趾表面形貌

2.2 超聲沖擊對殘余應(yīng)力的影響

為分析超聲沖擊處理消除焊接殘余應(yīng)力的效果。對距離接頭表面1 mm處的殘余應(yīng)力進(jìn)行測試對比，具體結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯龀暃_擊處理可有效降低殘余應(yīng)力的峰值應(yīng)力，最大應(yīng)力由230 MPa降至120 MPa，降低幅度約達(dá)到66%。同時也可改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，使得焊趾處(距離焊縫中心約22 mm的位置)的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力。圖6所示為超聲沖擊前后的微觀組織對比。由圖可知，超聲沖擊處理后，焊趾處的微觀組織也發(fā)生了顯著改變，組織改變的原理為：超聲沖擊處理時，隨變形量增加，材料內(nèi)位錯互相作用使位錯密度不斷增加，原亞晶界逐步模糊不清、消失；隨超聲沖擊進(jìn)行，金屬表面被反復(fù)沖擊，使得一些位錯重新排列形成新的亞晶界。隨時間延長，塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，位錯密度進(jìn)一步增加，使晶界逐步消失又組成新的晶界，導(dǎo)致晶粒破碎、細(xì)化。原本粗大的晶粒變成均勻細(xì)化的晶粒，分布均勻的組織提升了局部腐蝕抗力。

圖4 試驗焊趾幾何形貌

圖5 距離表面1 mm處的殘余應(yīng)力分布

2.3 超聲沖擊對疲勞性能的影響

圖6 超聲沖擊前后焊趾處微觀組織

圖7所示為超聲沖擊前后的S-N曲線對比。由圖可知，超聲沖擊處理后，試樣的疲勞壽命增加了約99.4%。這是因為超聲沖擊處理后，會在距離表面一定深度范圍內(nèi)引入壓縮應(yīng)力。循環(huán)載荷中的拉伸應(yīng)力在與超聲沖擊引入的壓縮應(yīng)力疊加后，其整體應(yīng)力水平降低(見圖8)，例如初始循環(huán)載荷中平均應(yīng)力為0，波幅如圖8(a)所示，當(dāng)疊加如圖8(b)所示的殘余應(yīng)力r時，整體應(yīng)力變?yōu)槠骄鶓?yīng)力為r，波幅如圖8(c)所示。殘余壓應(yīng)力會提升材料的疲勞強度，延長疲勞壽命。由Goodman公式可知：

式中：a為波動應(yīng)力；m為平均應(yīng)力；fat為疲勞極限；為平均應(yīng)力敏感系數(shù)。當(dāng)把殘余應(yīng)力與平均應(yīng)力疊加后，公式(1)變?yōu)椋?/p>

式中：r為殘余應(yīng)力。因此殘余應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞強度改變并描述為：

由上式可以看出，疲勞強度會隨壓縮殘余應(yīng)力的增大而提高。

圖8 殘余應(yīng)力與初始循環(huán)載荷疊加效果示意圖

3 結(jié)論

1) 超聲沖擊處理后，焊趾的形狀發(fā)生明顯改變，有效改善了焊趾處應(yīng)力集中程度。同時超聲沖擊處理后，表面的顯微硬度明顯提升。因此，處理后的材料避免了在焊趾處萌生裂紋并向內(nèi)部擴(kuò)展。最終的失效是熱影響性能較低導(dǎo)致。

2) 超聲沖擊處理對殘余應(yīng)力的峰值應(yīng)力和分布規(guī)律都有顯著影響。具體體現(xiàn)為：有效降低了峰值應(yīng)力，降幅達(dá)66%；使焊趾處的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。此外，沖擊后材料微觀組織更加均勻細(xì)小，提升了局部腐蝕的抗力。

3) 超聲沖擊處理后，試樣的腐蝕疲勞壽命明顯提升。疲勞壽命的提升主要是因為殘余應(yīng)力的疊加導(dǎo)致了平均應(yīng)力下降。其機理可由Goodman公式推導(dǎo) 獲取。

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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

張德紅，副教授，碩士。電話：13550713311；E-mail: 110615840@qq.com

(編輯 高海燕)