落錘撕裂試驗與大能量擺錘沖擊試驗的對比與分析

藺衛平，李 娜，王亞龍，梁明華，張 翔

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.國家石油管材質量監督檢驗中心，西安710065）

0 前 言

落錘撕裂試驗是測試管線鋼材料韌性的一種方法，現已被廣泛應用于抗脆性斷裂擴展性能的評價[1]。試驗目的主要是建立斷口形貌與溫度的關系，從而確定管線鋼材料的韌脆轉變溫度，以保證管線在韌性溫度區內工作，避免發生脆性斷裂事故。由于該試驗方法獲得的結果與管道實物爆破試驗結果相吻合，因此被廣泛應用于管線鋼的韌性評價，并作為鋼管的質量驗收指標之一[2-5]。

落錘試樣可以通過落錘試驗完成斷裂，也可以通過大能量擺錘沖擊試驗完成[6-7]，通過對這兩種試驗結果的對比分析，研究了兩種試驗結果剪切面積的差異，以及剪切面積與吸收能量之間的關系。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用X70級φ762 mm×31.8 mm直縫埋弧焊管，鋼管母材的化學成分和拉伸性能分別見表1和表2。金相分析結果表明，母材的晶粒度為8.0級，其顯微組織如圖1所示。

表1 X70鋼管母材的化學成分 %

表2 X70鋼管母材的拉伸性能

圖1 X70鋼管母材的微觀組織

1.2 試驗方法

在距焊縫90°處橫向截取試樣，采用壓制缺口，壁厚分為原壁厚和減薄壁厚，減薄壁厚試樣為單側減薄。原壁厚試樣幾何尺寸為305 mm×76.2 mm×31.8 mm，減薄試樣的尺寸為305 mm×76.2 mm×19.0mm。試驗溫度分別為20℃，0℃，-10℃，-30℃，-50℃和-70℃，根據GB/T 8363-2007，減薄試樣的實際試驗溫度比規定試驗溫度低17℃。試樣自離開保溫裝置至打斷的時間不得超過10 s，試驗采用JL-50000落錘試驗機和HIT 50KP擺錘試驗機，HIT 50KP擺錘試驗機可以測出沖擊時的吸收能量。用MEF4M金相顯微鏡進行金相組織分析。

2 試驗結果及分析討論

2.1 落錘試驗與大能量擺錘試驗結果

用落錘試驗機和大能量擺錘試驗機分別對原壁厚和減薄試樣在規定溫度進行試驗，然后對試樣的斷口按照GB/T 8363-2007進行評判，每個溫度做兩個試樣，取其平均值。其結果如圖2所示。在試驗溫度為20℃時，原壁厚試樣未斷裂，數據無效，因此原壁厚試樣試驗溫度只有5個。

圖2 落錘試驗與大能量擺錘試驗結果

從圖2中可以看出，減薄試樣經過落錘與擺錘試驗后，其剪切面積的結果基本一致。對原壁厚試樣而言，落錘試驗與擺錘試驗的結果稍有差別。這是因為當試樣變厚時，在外力作用下，沿厚度方向的收縮和變形受到的約束會增加，沖擊時產生較大形變硬化。這就使試樣斷口的脆性區增加，剪切面積下降，且結果分散性增加。落錘試樣和擺錘試樣的斷口形貌如圖3和圖4所示。

圖3 減薄試樣0益時的斷口形貌

圖4 原壁厚試樣0益時的斷口形貌

2.2 力-位移曲線

試驗采用大能量擺錘沖擊試驗機，可以通過示波測量系統，采集試樣斷裂過程的數據，形成力-位移曲線，通過積分得出沖擊吸收能量。全壁厚試樣在0℃時的力-位移曲線如圖5所示。

圖5 全壁厚試樣在0益時的力-位移曲線

表3 大能量擺錘試樣剪切面積與吸收能量的結果

擺錘試樣的剪切面積與吸收能量結果見表3。可以看出，剪切面積與吸收能量之間存在一定的比例關系，剪切面積越大，吸收能量越大。當剪切面積大于50%時，剪切面積與吸收能量之間的比例系數趨于穩定。

2.3 試驗結果分析

對于沖擊試樣，GB/T 9711和API SPECIFICATION 5L都規定，小尺寸試樣的吸收功值應為全尺寸試樣的值乘以小尺寸試樣寬度與全尺寸試樣寬度的比值。但對落錘試樣并沒有此規定。沖擊試樣都是標準試樣，寬度值只有規定的幾種。而落錘試樣的厚度沒有標準值，都是原壁厚，只有在試驗機能力達不到時才會減薄至19 mm，因此不容易形成標準規定。

大能量擺錘試樣厚度比值與吸收能量比值見表4。從表4可以看出，吸收能量比值與厚度比值不一致，吸收能量的比值普遍偏高。

表4 大能量擺錘試樣厚度比值與吸收能量比值

3 結論

（1）落錘試驗與大能量擺錘沖擊試驗的試樣剪切面積結果基本一致；

（2）對大能量擺錘試樣，剪切面積與吸收能量之間存在一定的比例關系；

（3）對不同厚度的大能量擺錘試樣，其吸收能量的比值與厚度的比值不一致。

[1]RYUJI M，NOBUYUKI I，SHIGERU E.Evaluation for Abnormal Fracture Appearance in Drop Weight Tear Test with High Toughness Linepipe[C]∥Proceedings of Offshore Mechanics and Arctic Engineering.New York:American Society of Mechanical Engineers，2002：129-136.

[2]馬建坡，徐科.用示波落錘試驗法評價14MnVTiRe鋼的韌脆斷裂行為[J].材料開發與應用，2003(04)：9-12.

[3]陳宏達，霍春勇，馮耀榮.管線鋼落錘撕裂試驗方法的建立、應用及發展[J].鋼鐵研究學報，2005，17(06):1-5.

[4]楊政，郭萬林，董蕙茹.X70管線鋼沖擊韌性實驗研究[J].金屬學報，2003(02)：159-163.

[5]楊政，粟庭亞，馮耀榮.高性能管線鋼落錘撕裂試樣斷裂性能的試驗研究[J].西安交通大學學報，2006，40(09)：1079-1082.

[6]山靜民，葉蘇錦，王長安.管線鋼落錘撕裂試驗能量測試系統的分析與應用[J].鋼管，2008，37(03)：64-67.

[7]王樹人，代文科，山靜民.管線鋼落錘撕裂試驗的能量測試[J].焊管，2006，29(02)：47-48.

[8]GB/T 8363-2007，鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法[S].

[9]SY/T 6476-2007，輸送鋼管落錘撕裂試驗方法[S].

[10]GB/T 19748-2005，鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法[S].