管線鋼單邊缺口拉伸試驗探討

唐家睿，吉玲康,2，陳宏遠，高惠臨，王紅偉

(1.西安石油大學材料科學與工程學院,西安 　710065；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　西安　710077；

3.西安交通大學材料科學與工程學院，西安　710049)

?

·試驗研究·

管線鋼單邊缺口拉伸試驗探討

唐家睿1，吉玲康1,2，陳宏遠2,3，高惠臨1，王紅偉1

(1.西安石油大學材料科學與工程學院,西安 710065；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室西安710077；

3.西安交通大學材料科學與工程學院，西安710049)

摘要：比較了管線鋼斷裂韌性測試技術的各個方法，介紹了單邊缺口拉伸試驗方法，并探討了試樣尺寸對單邊缺口拉伸試驗的影響及單邊缺口拉伸試驗與全尺寸試驗的關系。結果表明，單邊缺口拉伸試驗相對于全尺寸試驗，它的成本較低并且能得到相對接近于實際管線鋼的斷裂韌性結果。建立一套完善的SENT試驗標準對于推廣SENT試驗在管線鋼斷裂韌性測試中的應用，準確測試實際情況下的管線鋼及環焊縫斷裂韌性值具有重要意義。

關鍵詞：管線鋼；單邊缺口拉伸試驗；斷裂韌性測試技術；多試樣法；單試樣卸載柔度法

0引言

當前，隨著油氣資源需求量的急劇增加，油氣資源開采范圍不斷擴大，從平原地區逐漸向山地、沙漠、海洋、極地等擴展，管線敷設施工難度也在逐漸提高。特別是在海拔落差大的山地以及地震帶、斷層地區以及滑坡泥石流等多發地區，管線在服役過程中經常受到外部條件作用發生一定應變程度的變形[1]。在這種環境下，油氣管道會承受較大的位移和應變，管道的失效形式發生了明顯改變，逐漸由應力控制轉為應變控制。為適應這種環境，一種基于應變設計的管線鋼的設計和研發在國內外掀起了熱潮[2]。

為了對管線在大變形地區進行基于應變設計，需要知道其應變需求(外加應變)和應變容量(應變極限)[3，4]。其中，應變需求是服役環境對管線的應變要求，而應變容量則代表管線自身的應變能力，是管線能夠達到的最大變形程度。根據不同的設計極限狀態，將應變容量乘以對應的安全系數，就可以獲得該極限狀態下的許用應變。因此，提升應變容量是保證管線安全的重要途徑。應變容量的研究，又分為以局部屈曲為典型判據的壓縮應變容量，和以拉伸斷裂為判據的拉伸應變容量。相對而言，拉伸斷裂更危險，其導致管道徹底破壞，失效后果嚴重，因此往往使用苛刻的安全系數獲得許用應變[5]。斷裂韌性是指材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，是材料安全評估和缺陷評定的關鍵指標參數。通過斷裂韌性試驗可以量化基于應變設計管線的拉伸應變容量，防止裂紋擴展，從而確保管道運行的安全性[6-8]。

本文比較了管線鋼斷裂韌性測試技術方法，介紹了單邊缺口拉伸試驗的試驗方法及其應用情況，這對完善國內管線鋼斷裂韌性測試方法，并推動單邊缺口拉伸試驗在基于應變管線斷裂韌性測試領域的應用有重要意義。

1管線鋼斷裂韌性測試技術方法比較

斷裂韌性測試方法有很多種，目前用于測試管線鋼及環焊縫斷裂韌性的方法有三點彎曲法(SENB)、緊湊試樣法(CT)、全尺寸試驗(FST)、寬板拉伸試驗法(CWP)和單邊缺口拉伸法(SENT)。

1.1SENB和CT試驗法

SENB和CT試驗法是最早用于管線鋼及環焊縫斷裂韌性測試的方法， 也是應用最為成熟的技術，有完整系統的斷裂韌性測試和數據處理流程。但研究發現， SENB和CT試樣裂紋尖端約束較高，與管道實際工況不相符，應用于管線鋼斷裂韌性評估時存在很大局限性，極大地低估了管材和焊縫的斷裂韌性水平，造成了資源嚴重浪費。研究表明，FST、CWP和SENT試驗方法裂紋尖端約束水平更接近于真實管道服役情況，能夠更加準確的反應管道的真實斷裂韌性水平。圖1是不同斷裂韌性測試方法測試試樣裂紋尖端約束度水平對比情況，從圖中可以看出，SENB試驗的裂紋尖端約束水平最高，SENT，CWP，FST試驗方法與真實管道最為接近，更能反應真實的管道情況。

圖1　不同測試方法測試試樣裂紋尖端約束度水平對比情況

1.2全尺寸拉伸(FST)試驗

由于管線鋼管在服役過程中具有復雜的載荷條件，小試樣試驗的結果不足以提供足夠可信的各種服役條件下的變形行為預測，因此，全尺寸拉伸試驗就成為最可信的試驗方法。全尺寸試驗是用拉伸或彎曲使一段鋼管受載至失效。主要測量其應變容量，如失效前產生多大的縱向應變，通常被定義為最大載荷點。試樣可以為母材或者包含1、2個環焊縫。全尺寸試驗極其費時而且成本很高，試樣設計，制造還有試驗過程，分析過程的時間加起來，一個試驗得進行數個月[9]。

由于全尺寸拉伸試驗需要載荷能力大，對試驗設備能力的要求很高，全世界范圍內裝備全尺寸拉伸試驗設備并不多。目前僅有美國的ExxonMobil公司和加拿大的C-FER研究所具有全尺寸拉伸試驗設備。圖2為C-FER的全尺寸拉伸設備。

圖2　英國TWI全尺寸實物變形設備

1.3寬板拉伸(CWP)試驗

寬板拉伸試驗用于焊接缺陷的評估已經有半個世紀的歷史。20世紀90年代以來，寬板拉伸試驗得到了管線鋼研究領域的廣泛認可，被越來越多地應用于管線鋼環焊縫評估和應變設計中。與小尺寸試樣相比，寬板拉伸試驗允許的測試材料尺寸更大，能夠在更加接近實際工況的情況下反映出工程中存在的問題，如材質不均勻性、 焊接殘余應力和板厚等對結構性能的影響等。 目前，國外管線鋼管環焊縫性能和應變設計的大量數據庫資料建立在寬板拉伸試驗的基礎上。

CWP試驗測試試樣是管體的一個弧面，其標稱寬度為200～450 mm，并施加縱向拉伸載荷。該試樣可以有一個或多個環焊縫，在沿焊縫的一半長度處有一個機械加工的缺口。在試樣進行縱向拉伸直至失效過程中，對跨焊縫的應變及焊縫之外的遠端應變進行采集。國外開展寬板拉伸試驗研究較早，已有許多組織和機構可以進行寬板拉伸試驗，例如比利時Gent大學、加拿大C-FER、日本JFE、NSC等。

姚登樽等人[10]對X70 管線鋼管環焊縫進行了寬板拉伸試驗，如圖3所示，其研究表明由于X70板材性能的差異，導致變形主要發生在焊縫左側板材上，整體變形不均勻。在不考慮內壓影響的情況下，研究中焊接工藝制備的 X70 高強匹配環焊縫，在含有3.5 mm×50 mm 尺寸的裂紋缺陷情況下， 管道整體軸向應變可達3.2%，裂紋不發生失穩擴展，缺陷依然可靠。

圖3　X70管線鋼環焊縫寬板拉伸試驗實際信號采集傳感器布置圖

隨著研究的細化和深入，人們逐漸發現寬板拉伸試驗的一些缺點：

1.當用于材料測試和焊接工藝評定時，CWP試驗就顯得昂貴并耗時。

2.測試數據離散，數據只能對特定的焊縫和材料性能提供信息。

3.與全尺寸管體相比，CWP局限性較大，不能完全代表錯邊對全尺寸管體的影響。

1.4單邊缺口拉伸(SENT)試驗

為了在保證管線安全的情況下提高韌性測試結果的準確性，在20世紀末，國外許多研究機構就先后展開了裂尖低約束條件下的斷裂韌性研究，英國焊接研究所(TWI)，挪威科技工業研究院(SINTEF)，埃克森美孚(ExxonMobil)先后開發了不同的單邊缺口拉伸(SENT)試驗方法來測管線鋼的斷裂韌性[11]。

SENT試驗測試的試樣為小尺寸試樣，對其表面進行預制裂紋并施加拉伸載荷，在裂紋擴展到一定量時，測量試樣的裂紋擴展量，獲得其斷裂阻力曲線。圖4為作者對X70管線環焊縫進行的SENT試驗。

圖4　X70管線環焊縫SENT試驗

與SENB方法相比，SENT方法中試樣裂紋尖端約束度較低，更接近于實際管線的裂尖約束，從而在保證安全的同時亦可降低斷裂韌性測試的保守性[12]。相對于FST和CWP試驗，SENT試驗成本較低，并且能得到相對接近于實際管線的斷裂韌性結果。這使得SENT試驗近年來越來越多的被應用于管線鋼斷裂韌性測試中。

2SENT試驗方法及研究現狀

2.1常用SENT試驗方法

材料的斷裂韌性取決于其斷裂韌性阻力曲線。SENT試驗通過測量材料在準靜態加載下的裂紋尖端張開位移，可以獲得材料的斷裂韌性阻力曲線，從而對材料的斷裂韌性進行評價。材料的斷裂韌性阻力曲線可以通過多試樣法或單試樣卸載柔度法獲得。

2.1.1多試樣法

多試樣法是通過對一定數量(不少于6個)的試樣進行SENT試驗來得到斷裂韌性阻力曲線的試驗方法。每個試驗可以獲得阻力曲線上的一個點。為了獲得阻力曲線，試樣被加載到所要求的延性撕裂狀態。圖5為作者采用多試樣法對X70管線環焊縫焊縫金屬進行SENT的位移載荷曲線。從圖5中可以看出，每個試樣都受到不同程度的載荷，從而獲得不同程度的延性撕裂狀態。

圖5　多試樣法獲得的環焊縫焊縫金屬SENT試驗的位移載荷曲線

試驗后試樣在使用液氮在低溫下將其脆斷之前需進行熱著色來標記裂紋擴展區，以區分脆斷時的裂紋擴展。試驗所得的宏觀斷口如圖6所示，由上往下依次是缺口、預制裂紋、擴展裂紋、脆性斷口。

圖6　多試樣法獲得的典型試樣的宏觀斷口

得到試樣斷裂表面后，根據斷裂韌性試驗標準采用9點法測量裂紋擴展量，通過所得到的數據計算斷裂韌性參數(CTOD)及其所對應的裂紋擴展量對應斷裂阻力曲線上的一個點，通過擬合方程δ=(x△a)y得到材料的斷裂韌性阻力曲線。圖7為作者采用多試樣法獲得的X70管線環焊縫焊縫金屬及熱影響區斷裂韌性阻力曲線。

圖7　多試樣法獲得的斷裂韌性阻力曲線

2.1.2單試樣卸載柔度法

單試樣卸載柔度法是利用彈性柔度技術通過 1 個試樣進行SENT試驗得到斷裂韌性阻力曲線上多個點的試驗方法。單試樣卸載柔度法與多試樣法進行SENT試驗的步驟大體一致，不同之處在于單試樣卸載柔度法是對1個試樣進行等間距的加載/卸載循環，通過使用由載荷-裂紋口張開位移(CMOD)確定的彈性卸載柔度曲線，如圖8所示計算每個加載/卸載循環的裂紋尺寸(即裂紋擴展量)，并與其對應的裂紋張開位移(CTOD)獲得斷裂韌性阻力曲線。

圖8　單試樣卸載柔度法獲得的CMOD載荷曲線

單試樣卸載柔度法的裂紋尺寸通過如下公式計算[13]：

(1)

ui是第i個加載/卸載循環對應的正則化的柔度，由式(2)定義：

(2)

式中：

Beff=B-(B-BN)2/B為試樣的有效厚度，BN為試樣的凈厚度；

E′=E/(1-v2)是平面應變狀態下的彈性模量，v為泊松比。

最終，通過所得到的數據計算斷裂韌性參數(CTOD)及其所對應的裂紋擴展量對應斷裂阻力曲線上的一個點，通過擬合方程δ=x(△a)y得到材料的斷裂韌性阻力曲線。如圖9所示，單試樣卸載柔度法所獲得的斷裂韌性阻力曲線上的每一個點都對應圖8中的一個加載/卸載循環。

圖9　單試樣卸載柔度法獲得的斷裂韌性阻力曲線

2.1.3多試樣法與單試樣卸載柔度法的比較

多試樣法的優勢在于通過對測試材料多個位置進行取樣來進行SENT試驗，得到的斷裂韌性曲線可以較為準確的反應材料的整體性能。這一點是單試樣卸載柔度法所無法取代的。但與單試樣卸載柔度法相比，多試樣法試驗成本較高，所獲得斷裂韌性阻力曲線上的點較少。

單試樣卸載柔度法的優點是只需要對一個試樣進行SENT試驗即可得到其斷裂韌性阻力曲線，并且得到的斷裂韌性阻力曲線上的點很多，可以準確的反應該試樣的斷裂韌性。與多試樣法相比，單試樣卸載柔度法成本較低，并且得到的斷裂韌性阻力曲線更為精確。不足之處在于其只能對測試材料的一個位置進行斷裂韌性的評價，無法準確的得到測試材料的整體性能。

2.2SENT試樣尺寸及對試驗結果的影響

SENT試驗的影響因素有很多，例如試樣尺寸，缺口位置，焊縫寬度及錯邊等。在眾多影響因素當中，試樣尺寸對SENT試驗的影響最大。試樣尺寸的影響包括試樣初始裂紋深度及試樣不同寬厚比對SENT試驗的影響。

Huang Tang等人[14]對一組4個目標試樣初始裂紋(a0)/試樣寬度(W)為0.25的SENT試樣與目標a0/W為0.45的試樣進行了對比。實驗中a0/W誤差為0.02，每組的斷裂韌性阻力曲線差異非常小，并且兩組比值試驗存在明顯差別。由圖10可以看出，短缺陷試樣的斷裂韌性阻力曲線高于深缺陷試樣。

圖10　不同a0/W試樣所得到的斷裂韌性阻力曲線

James A等人[14]對B=2W的斷裂韌性阻力曲線和開側槽的厚度(B)=寬度(W)的試樣進行了對比，試樣a0/W大約為0.45。如圖11所示，其所獲得斷裂韌性阻力曲線非常接近。圖12為B=W和B= 2W斷裂表面的照片。由于使用了5%的側槽，試樣表面獲得了平坦的裂紋前沿。這意味著5%壁厚側槽對促進裂紋平坦很有效。

圖11　B=W和B=2W的SENT試樣得到的斷裂韌性阻力曲線

圖12　兩種規格((a)B= 2W，(b)B = W，帶側槽)試樣的斷裂面

上述試驗表明，試樣尺寸相同的情況下，短缺陷SENT試樣的裂紋增長阻力高于深缺陷試樣；試樣缺陷相同的情況下，試樣尺寸B=W與B=2W的SENT試樣的斷裂韌性阻力曲線基本一致；在SENT試樣兩側使用5%的側槽，可以使試樣獲得較為平坦的裂紋前沿。所以，作者推薦使用帶有5%側槽的B=W的SENT試樣。

2.3 SENT與全尺寸試驗的關系

在所有斷裂韌性測試方法中，全尺寸試驗是最可信的試驗方法，得到的斷裂韌性結果最接近于實際管道。所以對SENT試驗與全尺寸試驗關系的研究尤為重要。美孚公司對不同a0/W的SENT試樣與全尺寸試驗所得的斷裂韌性阻力曲線進行了對比[16]。圖13為全尺寸試驗和SENT試驗的斷裂韌性阻力曲線對比結果。研究表明，當SENT試樣的a0/W比全尺寸試驗的a0/t(厚度)大0.1時，兩者的R曲線結果非常相似。

圖13　全尺寸實驗(a0/W=0.2)和SENT試驗(a0/W為0.3～0.37)測量的斷裂韌性曲線對比

2.4SENT應用現狀

單邊缺口拉伸試驗方法作為管線鋼斷裂韌性測試技術中的一項重要方法，具有試驗結果接近于實際管道、效率高、成本低的特點。這使得SENT試驗近年來越來越多的被應用于管線鋼斷裂韌性測試中。

國外開展單邊缺口拉伸試驗研究較早，如英國焊接研究所(TWI)、挪威科技工業研究院(SINTEF)、埃克森美孚(ExxonMobil)等。國外對SENT試驗制定了相應的標準，如DNV-RP-F108[17]推薦采用SENT 試樣測定管道的斷裂韌度。這些標準都需要進一步的改進及完善。目前，國內石油行業尚未有相關的SENT標準公布，研究和完善SENT試驗方法對于推廣SENT試驗在管線鋼斷裂韌性測試中的應用，準確測試實際情況下的管線鋼及環焊縫斷裂韌性值具有重要意義。

SENT試驗是一項理論基礎較強的試驗方法，涉及到測試柔度校正、 裂紋擴展尺寸計算、 斷裂韌性阻力曲線公式推導等內容，每次試驗需要進行詳細的試驗過程設計。作者認為單邊缺口拉伸試驗應建立一套完善的測試步驟和理論分析技術，規范化、標準化單邊缺口拉伸試驗過程，確保各種測量數據和試驗結果更加真實可靠，為管道設計和焊接施工提供真實可靠的數據支持。

3結論

1)與SENB方法相比，SENT方法中試樣裂紋尖端約束度較低，更接近于實際管線鋼的裂尖約束，從而在保證安全的同時亦可降低斷裂韌性測試的保守性。相對于FST和CWP試驗，SENT試驗成本較低，并且能得到相對接近于實際管線鋼的斷裂韌性結果。

2)多試樣法的優勢在于可以得到較為準確的反應材料的整體性能的斷裂韌性曲線。單試樣卸載柔度法的優點是成本較低，并且得到的斷裂韌性阻力曲線更為精確。

3)試樣尺寸相同的情況下，短缺陷SENT試樣的裂紋增長阻力高于深缺陷試樣；試樣缺陷相同的情況下，試樣尺寸B=W與B=2W的SENT試樣的斷裂韌性阻力曲線基本一致；在SENT試樣兩側使用5%的側槽，可以使試樣獲得較為平坦的裂紋前沿。所以，推薦使用帶有5%側槽的B=W的SENT試樣。

4)研究SENT試驗方法，建立一套完善的SENT試驗標準對于推廣SENT試驗在管線鋼斷裂韌性測試中的應用，準確測試實際情況下的管線鋼及環焊縫斷裂韌性值具有重要意義。

參 考 文 獻

[1] ChristianAgrel, Gudfinnur Sigurdsson, Erling-φstby. Reliability fracture assessment-strain-based pipeline design[C].6th International PipelineTechnology Conference, Belgium, 2013.

[2] 李鶴林,李宵,吉玲康. 油氣管道基于應變的設計及抗大變形管線鋼的開發與應用[J].焊管,2007,30(5):5-11.

[3] Sandeep Kibey,et.al., Tensile Strain Capacity Equations for Strain-Based Design of Welded Pipelines[C], Proceedings

of the 8th International Pipeline Conference, Canada, 2010.

[4] 屈德強. 基于應變高鋼級管線鋼管應變性能研究[D].西安石油大學,2011,6.

[5] 馬小芳. GMAW焊接的HTP高鈮X80管線鋼管的縱向應變容量[J].焊管,2013,39(11):75-80.

[6] 羅金恒,趙新偉,李新華. X80管線鋼斷裂韌性研究[J].壓力容器,2007,24(8):6-9.

[7] 楊政,郭萬林,霍春勇. X70管線鋼不同溫度下斷裂韌性實驗研究[J].金屬學報,2003,39(9):908-913.

[8] 李曉紅,康勇. 基于應變設計的管道環焊縫缺陷評估[J].焊管,2009,32(7):65-67.

[9] D.P. Fairchild, S.Y.Shafrova, H. Tang, W. Cheng, J.M. Crapps. Observations on the Design, Execution, and Use of Full-Scale Testing For Strain-Based Design Pipelines[C].Proceedings of the Twenty-fourth (2014)International Ocean and Polar Engineering Conference, 2014.

[10] 姚登樽,隋永莉,孫哲,等. X70管線鋼管環焊縫寬板拉伸試驗[J].焊管,2014,37(6):26-30.

[11] 徐杰. 管線鋼裂尖約束對韌脆斷裂行為的影響[D].北京科技大學,2009.

[12] 姚瑤,蔡力勛,包陳,等. 基于SENT試樣獲取材料斷裂韌度的載荷分離法研究[J].機械工程學報,2014,50(10):48-57.

[13] G. Shen, W.R. Tyson. Crack Size Evaluation Using Unloading Compliance in Single-Specimen Single-EdgeNotched Tension Fracture Toughness Testing[J]. Journal of Testing and Evaluation, 2009,37(4):1-11.

[14] Huang Tang, MarioMacia, Karel Minnaar. Development of the SENT Test for Strain-Based Design[C].Proceedings of the 8th International Pipeline Conference, Canada, 2010.

[15] Guowu Shen, James A. Gianetto, William R. Tyson. Measurement of J-R Curves Using Single-Specimen Technique on Clamped SE(T) Specimens[C].Proceedings of the Nineteenth (2009) International Offshore and Polar Engineering Conference, 2009,Japan.

[16] S. Kalyanam, G. M. Wilkowski, D.J. Shim. Why conduct sen(t) tests and considerations in conducting /analyzingsen(t) testing[C].Proceedings of the 8th International Pipeline Conference, 2010,Canada.

[17] DNV-RP-F108, Fracture control for pipeline installation methods introducing cyclic plastic strain [S].

Single Edge Notched Tensile Test Summarization of Pipeline Steel

TANG Jiarui1，JI Lingkang1,2，CHEN Hongyuan2,3，GAO Huilin1，WANG Hongwei1

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Xi'anShiyouUniversity,Xi′an,Shaanxi710065，China；.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials，Xi′an,Shaanxi710077，China；3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi′an,Shaanxi710049，China)

Abstract：This paper compared each method of fracture toughness testing technology of pipeline steel. The method of Single-edge-notched-tensile (SENT) test was introduced. The influence of specimen size on SENT test and the relationship with full-scale test was discussed. The results showed that compared to full-scale test，SENT test was at a low cost and could obtain results relatively close to the actual fracture toughness of pipeline. A set of completed SENT test standard would be of great significance in promoting SENT test of pipeline steel fracture toughness test and testing accurate fracture toughness value of actual pipeline steel and girth weld.

Key words：pipeline steel; single edge notch tensile test; fracture toughness testing technology; multiple-sample method; single-sample unload compliance method

(收稿日期：2016-01-25編輯：葛明君)

中圖法分類號：O346.1

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0037-06

第一作者簡介：唐家睿，男，1991年生，碩士研究生，從事基于應變管線斷裂韌性方面的研究。E-mail：282457958@qq.com