x80管線(xiàn)鋼在不同溫度下的吸收能量測(cè)試

x80管線(xiàn)鋼在不同溫度下的吸收能量測(cè)試

0檢測(cè)手段及測(cè)試對(duì)象材料的強(qiáng)度和柔軟度是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。對(duì)于油氣輸送管道用鋼管,特別是高壓輸氣管道,材料的韌性尤為重要。評(píng)估金屬材料的韌性?xún)?yōu)劣,通常采用的方法包括實(shí)驗(yàn)室小尺寸的夏比沖擊試驗(yàn)、中等尺寸的落錘撕裂試驗(yàn)以及模擬實(shí)際管道的全尺寸氣體爆破試驗(yàn)等。而落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)的結(jié)果與鋼管全尺寸爆破試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合,更能接近材料的使用狀態(tài),反映其斷裂的真實(shí)情況,且容易操作,因此被廣泛應(yīng)用于管線(xiàn)鋼斷裂韌性的評(píng)價(jià),成為重要的質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)之一。近年來(lái),隨著輸送管道建設(shè)的快速發(fā)展,管道輸送壓力和直徑不斷增大,管線(xiàn)鋼的強(qiáng)度和韌性也在不斷提高?，F(xiàn)有輸送管標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于落錘撕裂試驗(yàn)還只停留在對(duì)剪切面積的定量分析上,僅用剪切面積百分?jǐn)?shù)來(lái)描述其韌性,這種方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展對(duì)高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼沖擊韌性進(jìn)行定量描述的需要,特別是對(duì)于斷口出現(xiàn)異常斷口發(fā)生時(shí),現(xiàn)有的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法對(duì)管線(xiàn)鋼的性能已經(jīng)無(wú)法做出客觀評(píng)價(jià)。因此,對(duì)于高強(qiáng)度、高韌性管線(xiàn)鋼而言,能量測(cè)試是必不可少的。目前,國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行落錘撕裂能量測(cè)試時(shí),均使用示波落錘式試驗(yàn)機(jī),而示波擺錘式試驗(yàn)機(jī)仍屬空白。近日,中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院與德國(guó)ZWICK聯(lián)合開(kāi)發(fā)的50000J示波擺錘式落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)已研制成功,并正式投入使用。筆者采用該設(shè)備對(duì)X80管道的DWTT試樣進(jìn)行了示波落錘撕裂試驗(yàn),運(yùn)用兩種不同能量測(cè)試方法測(cè)試了不同溫度下的吸收能量,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較及原因分析。根據(jù)落錘試驗(yàn)吸收能量及夏比沖擊試驗(yàn)吸收能量分別繪制韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn),得到不同的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析。1試驗(yàn)方法和設(shè)備本試驗(yàn)選取實(shí)際的X80天然氣輸送管道為試驗(yàn)材料,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,力學(xué)性能見(jiàn)表2。落錘試樣缺口形式為壓制缺口,試樣根據(jù)APIRP5L3—1996試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求制作,幾何尺寸為76.2mm×305mm×t(t為壁厚)。根據(jù)APIRP5L3—1996標(biāo)準(zhǔn)要求方法,在20℃,0℃,-10℃,-20℃,-40℃和-60℃各測(cè)試一組試樣,每組試樣2個(gè),對(duì)吸收能量及剪切面積進(jìn)行記錄。系列溫度示波落錘撕裂試驗(yàn)在德國(guó)產(chǎn)ZWICKPIT50示波擺錘式落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)機(jī)最大沖擊能量為50kJ,記錄沖擊過(guò)程中的載荷-時(shí)間、載荷-位移曲線(xiàn)。夏比沖擊試樣為V形缺口,規(guī)格為10mm×10mm×55mm。根據(jù)ASTME23—2007標(biāo)準(zhǔn)要求方法,在20℃,0℃,-10℃,-20℃,-40℃和-60℃各測(cè)試一組試樣,每組試樣3個(gè),對(duì)沖擊吸收能量及剪切斷面率進(jìn)行記錄。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1能量-位移曲線(xiàn)積分該示波擺錘式落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)共有兩種沖擊吸收能量測(cè)試方式:第一種為利用角度編碼器通過(guò)擺錘沖擊前后的揚(yáng)角計(jì)算出落錘試樣的吸收能量E角;第二種為通過(guò)載荷-位移曲線(xiàn)積分,積分所得面積即為吸收能量E示。由于目前落錘撕裂試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)試系統(tǒng)既無(wú)計(jì)量檢定方法,亦無(wú)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)量,故兩種方法同時(shí)測(cè)定,可相互驗(yàn)證吸收能量測(cè)試結(jié)果。X80管線(xiàn)鋼試樣在不同溫度下的落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出,E角比E示高,這是由于E角包含了擺錘的風(fēng)阻及摩擦,而E示是由載荷-位移曲線(xiàn)積分而得,不包含風(fēng)阻及摩擦,因此E角比E示高。2.2錘頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果示波擺錘式落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)可以記錄試驗(yàn)過(guò)程中載荷-時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn),同時(shí)可根據(jù)角度編碼器計(jì)算出位移值,得到載荷-位移曲線(xiàn),根據(jù)載荷-位移曲線(xiàn)積分可得到試樣落錘撕裂吸收能量。圖1為X80管線(xiàn)鋼落錘撕裂試樣在不同溫度下的載荷-位移曲線(xiàn),圖2為對(duì)應(yīng)的錘頭速度曲線(xiàn)。由圖1可以看出,當(dāng)試驗(yàn)溫度較高時(shí),在試驗(yàn)的開(kāi)始階段,試樣缺口的根部首先產(chǎn)生彈性變形,沖擊載荷隨位移的增加呈線(xiàn)性迅速增加。載荷增加到一定程度后,增長(zhǎng)速度逐漸減小或不再增加,此時(shí),試樣缺口根部發(fā)生塑性變形。隨著缺口的鈍化、形變硬化的產(chǎn)生,載荷再次提升達(dá)到最大值,此時(shí),試樣韌性起裂。隨后由于裂紋的擴(kuò)展,載荷逐漸下降。而當(dāng)試驗(yàn)溫度較低時(shí),試樣壓制缺口根部脆性起裂。裂紋脆性起裂后在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到非常高的擴(kuò)展速度,隨著裂紋迅速擴(kuò)展,載荷迅速降低。在試驗(yàn)過(guò)程中,錘頭速度隨著試樣吸收能量的增加而逐漸減小,如圖2所示。錘頭對(duì)試樣的作用力與試樣的裂紋擴(kuò)展速度有關(guān),裂紋擴(kuò)展速度越慢,錘頭對(duì)試樣的作用力就越大。隨著試驗(yàn)溫度降低,試樣總的吸收能量變得越小,裂紋擴(kuò)展速度越來(lái)越快,因此,錘頭的最終速度變得越來(lái)越大。2.3斷裂穩(wěn)定性測(cè)定材料的力學(xué)性能與溫度有關(guān),示波落錘撕裂試驗(yàn)所記錄的DWTT試樣斷裂過(guò)程的力學(xué)參數(shù)同樣受環(huán)境溫度的影響。由吸收能量及剪切面積繪制的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3中可以看出,落錘撕裂吸收能量繪制的韌脆溫度轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)與剪切面積繪制的韌脆溫度轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)形狀基本相同,在-20℃以上,試樣斷裂總功基本保持不變,低于此溫度時(shí),斷裂總功迅速下降,斷裂由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。夏比沖擊試驗(yàn)由于試樣小、易加工、試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)時(shí)間短和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于科研和實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)測(cè)定沖擊吸收能量繪制材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn),從而得到韌脆轉(zhuǎn)變溫度。該X80管線(xiàn)鋼夏比沖擊試驗(yàn)吸收能量及剪切面積繪制的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn)如圖4所示。由該曲線(xiàn)可看出,在整個(gè)試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),沖擊吸收功未有明顯變化,而剪切面積基本保持不變,無(wú)法得到韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度受到試樣形狀、尺寸、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率等多方面因素的影響。夏比沖擊試樣由于尺寸小,在外力作用下,沿厚度和寬度方向受到的約束遠(yuǎn)小于落錘撕裂試樣,沖擊時(shí)產(chǎn)生較少的形變硬化。因此,其測(cè)定值過(guò)高地估計(jì)了管線(xiàn)鋼的韌性。而DWTT試驗(yàn)采用了全壁厚試樣,更接近管道實(shí)際的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。試樣寬度增加,裂紋擴(kuò)展路徑較長(zhǎng),可更好地反映實(shí)際管道中裂紋長(zhǎng)程擴(kuò)展的性質(zhì)。由于DWTT試驗(yàn)曲線(xiàn)與全尺寸爆破試驗(yàn)曲線(xiàn)十分接近,因此DWTT試驗(yàn)更能真實(shí)地反映管道實(shí)際的韌脆行為。3試驗(yàn)結(jié)果分析(1)使用兩種能量檢測(cè)方式對(duì)X80管線(xiàn)鋼在不同溫度下的具體吸收能量進(jìn)行了測(cè)試,為今后制定管線(xiàn)鋼標(biāo)準(zhǔn)中落錘撕裂試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)試評(píng)判提供了參考依據(jù)。兩種能量測(cè)試方法相互對(duì)比,相互驗(yàn)證。(2)在管線(xiàn)鋼的動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程中,裂紋擴(kuò)展由起裂、擴(kuò)展、止裂過(guò)程所組成。不同溫度下的載荷-位移曲線(xiàn)形狀是不同的,隨著溫度的降低,達(dá)到最大載荷后的載荷下降速度加快。錘頭的最終速度與試樣總的吸收能量有關(guān),試樣吸收能量越大,錘頭最終的速度越小,反之,試樣吸收能量越小,錘頭最終的速度越大。(3)根據(jù)落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果繪制的韌脆溫度轉(zhuǎn)變曲