双相结构管线钢塑性损伤机制及其非线性超声检测技术研究

More attentions are paid to the safety service of petroleum pipeline for its application in polar areas, ocean and geologically unstable areas. Pipeline steels have to endure high pressure and great deformation so that they are easier to be plastically damaged such as local buckling, instability and ductile fracture. So the plastic damage mechanism and the detection of damage degree for pipeline steel need to be further discussed. In this research project, a typical dual-phase pipeline steel is chosen to be researched. The dislocation pattern，microstructural and micro-void evolution during plastical damage will be revealed. The improved GTN model is used to describe the plastic damage of pipeline steel. The effect of microstructure on degradation of mechanical properties will be studied and the degradation mechanism of mechanical properties will be also discussed. Nonlinear ultrasonic technique is brought to analyze the plastic damage degree of pipeline steel. The relationship between the nonlinear ultrasonic parameters and plastic damage degree of pipeline steel will be investigated and the uniform correlation model among microstructural evolution, plastic damage constitutive behavior and ultrasonic nonlinear characteristics will be proposed. The study will provide a basis for the evaluation of damage degree and security service of pipeline.

随着石油管线不断向极地、海洋和地质不稳定地区延伸，在高压、大变形等运行工况的作用下，极易产生局部屈曲、失稳和延性断裂等与塑性损伤相关的失效行为，管线钢材料塑性损伤机制及其损伤程度的检测需要进一步探讨。本项目以典型的双相结构管线钢为研究对象，揭示塑性损伤过程中位错组态演变机制、金相微观组织演变机制和微孔洞演化机制等微观结构演变规律；在此基础上，采用改进的GTN细观损伤模型对管线钢材料塑性损伤进行描述，分析微观组织结构对材料力学性能劣化的影响规律，揭示管线钢的材料力学性能退化机制；引入非线性超声技术检测管线钢塑性损伤程度，研究超声波非线性参数β与损伤变量孔洞体积分数f之间的关联性，建立管线钢材料微观结构演变—塑性损伤行为—超声非线性特征三者耦合的统一关联模型。为定量评估管线钢塑性损伤程度和管道安全服役状态提供依据。

本项目以油气输送管材双相结构（多边形铁素体PF+贝氏体B）X80管线钢为研究对象，严格按照申请书和计划书中研究计划进行。(B+PF)X80管线钢组织主要由多边形铁素体、贝氏体及少量M/A岛组成。0°试样，F呈等轴状，B呈沿轧制方向生长的条状含量为53.6%。90°试样垂直于轧面时，F与B均为压扁的长条状，随着取样角度增大，B条长度增大，含量由44.8%增加至53.3%，因此组织随着角度变化表现出明显的各向异性；0°试样塑性最佳，其铁素体含量、硬度、强度及延伸率分别为55.2%、207.7HV、635MPa、24%。随取样角度增加B相含量增加，F相内部位错密度增大，变形能力减弱，两相协调能力变差。为了制备了不同贝氏体和铁素体含量的双相X80管线钢，研究发现700℃冷却速度30.8℃/s获得的B+F双相管线钢。裂纹的扩展主要通过B/F两相相界以及F相晶界进行，裂纹沿贝氏体板条以及M/A岛状组织阻碍而不断偏转，最终形成锯齿状起伏的扩展路径。分别对变形量为0%、4%、6%、8%的双相X80管线钢拉伸试样进行EBSD试验，研究了管线钢在塑性变形过程中的微观组织演变过程。分析它在塑性变形过程中晶体取向、晶界、晶粒尺寸、局部取向差、几何位错、施密特因子以及泰勒因子等的演变规律。管线钢在酸、中、碱性土壤模拟液中的应力腐蚀敏感性的大小为：碱性土壤模拟液＞酸性土壤模拟液＞近中性土壤模拟液。.分别建立了RVE微观组织模型和基于Lemaitre模型塑性损伤模型，研究了管线钢塑性损伤演变规律；.分别采用声发射信号、超声纵波技术、超声导波技术对管线钢塑性损伤程度进行了表征。利用声发射信号中RMS值、E3、E4、E5、E6、E7及E8值等特征作为输入，基于全连接神经网络对其塑性损伤程度评价；研究了椭球形微缺陷对超声导波信号的影响，发现随着椭球形微缺陷数量的增加，超声非线性参量呈线性增加；研究塑性变形量对超声纵波信号的影响，发现相对衰减系数随着塑性损伤的增加而减小。由此构建了建立管线钢材料微观结构组织演变—塑性损伤行为—声学检测信号特征三者的统一关联模型。