試樣減薄對(duì)厚壁管線管DWTT性能影響研究

楊專釗，魏偉榮，王高峰，王長(zhǎng)安

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司　北京　100101；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院　陜西　西安　710077；3.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司　廣東　深圳　518067)

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·試驗(yàn)研究·

試樣減薄對(duì)厚壁管線管DWTT性能影響研究

楊專釗1,2，魏偉榮3，王高峰1,2，王長(zhǎng)安1,2

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司北京100101；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院陜西西安710077；3.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司廣東深圳518067)

摘要：采用擺錘式試驗(yàn)機(jī)和落錘試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試了厚壁鋼管在20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃以及-70℃等溫度下DWTT性能，試樣包括外表面減薄、從鋼管內(nèi)表面減薄、雙面減薄以及全壁厚等4類試樣。通過(guò)測(cè)量剪切面積，擬合出各類試樣相應(yīng)韌脆轉(zhuǎn)變曲線，并推測(cè)出各類試樣韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50%。結(jié)果顯示，同樣試驗(yàn)條件下，減薄試樣測(cè)試結(jié)果優(yōu)于全壁厚試樣結(jié)果，而且落錘試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果優(yōu)于擺錘試驗(yàn)機(jī)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)，擺錘撕裂試驗(yàn)，韌脆轉(zhuǎn)變曲線，減薄試樣，管線鋼管

0引言

韌性是管線鋼的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)，它被定義為管線鋼在塑性變形和斷裂過(guò)程中所吸收的能量，從物理意義上講，韌性是對(duì)變形和斷裂的綜合表述。在管線鋼領(lǐng)域中，通常以夏比沖擊試驗(yàn)、落錘撕裂試驗(yàn)進(jìn)行韌性的測(cè)試和評(píng)價(jià)，雖然夏比沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，在管線鋼中得到了廣泛的應(yīng)用，但不能把沖擊所測(cè)得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等同于管線鋼管的實(shí)物的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。研究表明韌脆轉(zhuǎn)變溫度受到試樣的形狀、尺寸、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度等多方面的因素的作用，由于夏比沖擊試驗(yàn)尺寸小，其幾何約束遠(yuǎn)小于實(shí)際構(gòu)件的幾何約束，因而不能反映構(gòu)件的實(shí)際韌性情況。為了進(jìn)一步解決管線鋼韌性評(píng)定問(wèn)題，使得實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)更好地模擬實(shí)物，從而使試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步符合實(shí)際服役條件，可使用落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)進(jìn)行延伸和擴(kuò)展。落錘試驗(yàn)(DWT) 是美國(guó)海軍研究所(NRL)W.S.Pellini 和P.P.Puzak 等人在1950 年開(kāi)創(chuàng)的,用來(lái)研究具有溫度轉(zhuǎn)變行為的鐵素體結(jié)構(gòu)鋼的抗脆性斷裂性能的一種工程試驗(yàn)方法[1]。

DWTT試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)采用了全壁厚板狀試樣，因而更接近管道實(shí)際的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)；(2)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)。DWTT的試驗(yàn)結(jié)果主要是建立斷口形貌與溫度的關(guān)系，從而確定管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，DWTT被廣泛應(yīng)用的原因是因?yàn)檫@種試驗(yàn)所獲得的結(jié)果與全尺寸氣爆試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高。

目前,國(guó)內(nèi)管線鋼管生產(chǎn)中落錘撕裂試驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 8363-2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗(yàn)方法》[2-4]、SY /T 6476- 2007《輸送鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法》[5]和API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦作法》[6]。對(duì)于DWTT,不同的標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定,對(duì)于大壁厚管線鋼管可采用規(guī)定原壁厚試樣或是減薄至19 mm的試樣，試樣減薄可以是單面減薄或雙面減薄。

ASTM E436只規(guī)定了壁厚范圍為3.18～19 mm的試樣[7]，對(duì)于厚壁試樣，API 5L RP3-1996和GB/T 8363-2007，鋼管壁厚大于19 mm的，可以選擇：1)全壁厚；2)采用機(jī)械加工方法減薄至19 mm(單面或雙面)，而DNV-OS-F101，明確推薦采用雙面減薄試樣[8]。若采用減薄試樣，試驗(yàn)溫度應(yīng)該相應(yīng)降低。降低幅度隨壁厚減薄量臺(tái)階而增加。對(duì)于高鋼級(jí)高韌性厚壁管線鋼的DWT試驗(yàn)，在管線鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和DWT試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均未給出特殊規(guī)定。在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，只給出“由檢驗(yàn)用戶和承包商協(xié)商”的建議。隨著國(guó)內(nèi)外高鋼級(jí)、厚壁鋼管的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，對(duì)于大于19 mm及以上對(duì)各類鋼管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)應(yīng)該補(bǔ)充和完善[9]。

因此，本研究就Ф762×38.1 mm X70厚壁海管減薄試樣與全壁厚試樣DWTT試驗(yàn)展開(kāi)研究與分析，通過(guò)落錘試驗(yàn)機(jī)與擺錘試驗(yàn)機(jī)兩種試驗(yàn)機(jī)型，通過(guò)DWTT系列溫度確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，研究減薄試樣與非減薄試樣斷裂韌性的差別。

1試驗(yàn)方法、材料與設(shè)備

本研究所使用試樣來(lái)源于Φ762×31.8 mm X70直縫埋弧焊管，試樣在距焊縫90°處橫向截取。試樣設(shè)計(jì)四組，分別為從鋼管外表面減薄、從鋼管內(nèi)表面減薄、雙面減薄和全壁厚試樣。減薄試樣尺寸為305 mm×76.2 mm×19 mm，全壁厚試樣，試樣尺寸為305 mm×76.2 mm×31.8 mm。試樣缺口形式均為壓制V型缺口，缺口角度為45°±2°，缺口深度為5 mm±0.5 mm；試驗(yàn)溫度為20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃和-70℃，每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)試2個(gè)試樣，分析測(cè)定每個(gè)試樣的單個(gè)剪切面積及其平均剪切面積。

本次試驗(yàn)分別使用JL-50000型落錘試驗(yàn)機(jī)以及HIT 50KP型擺錘試驗(yàn)機(jī)，兩種試驗(yàn)機(jī)最大能量為50 000 J。

2結(jié)果分析與討論

對(duì)落錘試驗(yàn)機(jī)及大擺錘試驗(yàn)機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合出相應(yīng)韌脆轉(zhuǎn)變曲線，如圖1、圖2所示。由圖1可見(jiàn)，若由落錘試驗(yàn)機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，該材質(zhì)的FATT50%溫度范圍約為-35℃～-44℃，其中雙面減薄試樣的FATT50%約為-44℃，其次是從鋼管內(nèi)表面減薄試樣，約為-41℃，接下來(lái)是全壁厚試樣，約為-37℃，最后為從鋼管外表面減薄試樣，約為-35℃。總體來(lái)說(shuō)，全壁厚試樣的FATT50%大于減薄試樣的FATT50%。

由圖2可見(jiàn)，若由大擺錘試驗(yàn)機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，該材質(zhì)的FATT50%溫度范圍約為-25℃～-45℃，其中從鋼管內(nèi)表面減薄試樣的FATT50%約為-45℃，其次是從鋼管外表面減薄試樣，約為-33℃，接下來(lái)是雙面減薄試樣，約為-30℃，最后為全壁厚試樣，約為-25℃。從該圖可以看出，全壁厚試樣的FATT50%大于減薄試樣的FATT 50%。

圖2　擺錘試驗(yàn)機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變曲線

綜上所述，無(wú)論是使用落錘試驗(yàn)機(jī)還是使用大擺錘試驗(yàn)機(jī)，所得到的該材料全壁厚試樣FATT50%總是大于減薄試樣的FATT50%，這就說(shuō)明在進(jìn)行大壁厚材料的DWTT試驗(yàn)時(shí)，若是使用減薄試樣，則應(yīng)降低相應(yīng)的試驗(yàn)溫度。這正驗(yàn)證了API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦作法》等實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，既“若采用減薄試樣，則實(shí)際的試驗(yàn)溫度應(yīng)低于規(guī)定試驗(yàn)溫度”。對(duì)于該規(guī)格鋼管，若是使用減薄試樣，按照API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦作法》等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其溫度應(yīng)該降低17℃，由圖1與圖2可以看出，全壁厚試樣與減薄試樣FATT50%的最大溫差分別約為9℃(落錘)與20℃(擺錘)。

此外，API RP 5L3-1996《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦作法》等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于減薄試樣，可對(duì)試樣的一個(gè)或兩個(gè)表面進(jìn)行機(jī)械加工，相關(guān)文獻(xiàn)指出，單面減薄試樣韌性優(yōu)于雙面減薄試樣韌性，這是因?yàn)椴牧显诤穸确较蛏暇哂行阅懿痪鶆蛐裕摪逶跓釞C(jī)械控軋工藝( TMCP)生產(chǎn)過(guò)程中,由于鋼錠邊部冷卻速度較快,此處材料的晶粒較細(xì),軋制得到的鋼板表面晶粒較細(xì),材料的韌性也較好,而相應(yīng)于鋼錠中心由于是偏析雜質(zhì)富集區(qū),晶體顆粒粗大,軋制獲得的鋼板中部韌性也較差。這樣,當(dāng)采用減薄試樣進(jìn)行DWTT 試驗(yàn)時(shí),由于單面減薄試樣保留了一側(cè)韌性較好的部分,雙面減薄試樣將兩側(cè)韌性較好部分均進(jìn)行去除,而保留中間韌性較差部分,所以單面減薄試樣測(cè)得的剪切面積好于雙面減薄試樣。就本次兩種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)看，并沒(méi)有表變現(xiàn)出這樣的規(guī)律。這可能與影響DWTT評(píng)定的其他因素有關(guān)，如斷口剪切面積評(píng)判方法的影響、試驗(yàn)設(shè)備的影響、缺口型式的影響等。

3兩種試驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

對(duì)兩種試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示。可見(jiàn)，兩種試驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，單面減薄試樣的FATT50%較為接近，而雙面減薄及全壁厚試樣的FATT50%較大。

此外，從圖中的比較可知，落錘試驗(yàn)機(jī)所得結(jié)果的韌脆轉(zhuǎn)變曲線總體上靠左，既落錘試驗(yàn)機(jī)與擺錘試驗(yàn)機(jī)在相同的試驗(yàn)溫度下，落錘試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)剪切面積較大，圖4為兩種試驗(yàn)機(jī)在相同的溫度(-50℃)雙面減薄試樣斷口照片。由此可知，就本次試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，落錘試驗(yàn)機(jī)所確定的FATT50%總體上較低。

圖3　不同類型試樣兩種試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

1)雖然通用的鋼管標(biāo)準(zhǔn)允許采用全壁厚試樣或減薄試樣降溫測(cè)試性能指標(biāo)，但通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究，采用減薄試樣降溫測(cè)試更容易達(dá)到性能指標(biāo)要求；

2)為確保鋼管安全運(yùn)行，更全面真實(shí)地反映鋼管的落錘性能，對(duì)于厚壁鋼管盡量選擇全壁厚DWTT試樣；

3)落錘試驗(yàn)機(jī)所得結(jié)果的韌脆轉(zhuǎn)變曲線總體上靠左，既落錘試驗(yàn)機(jī)與擺錘試驗(yàn)機(jī)在相同的試驗(yàn)溫度下，落錘試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)剪切面積較大；

圖4　兩種試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果斷口

4)由于研究期限限制以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)量相對(duì)不足，上述結(jié)論尚需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證和研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 馬建坡,方 亮,吉嘉龍.落錘試驗(yàn)試樣厚度尺寸效應(yīng)對(duì)TNDT的影響[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2004,19(1):5-8.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).鐵素體鋼落錘撕裂試驗(yàn)方法：GB 8363- 2007 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3] 王樹(shù)人,陳宏達(dá),楊蔚東.落錘撕裂試驗(yàn)新舊標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析[J].焊管，2009，32(9)：67-70.

[4] 孫宏.GB/T 8363-2007鐵素體鋼落錘撕裂試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介[J].焊管，2010，33(5):64-66.

[5] 國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì).輸送鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法：SY /T 6476- 2007 [S].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[6] American Petroleum Institute.Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Tear Tests on Line Pipe :API RP 5L3-1996[S].1996.

[7] American Society of Mechanical Engineers.Standard Test Method for Drop-Weight Tear Tests of Ferritic Steels: ASTM E436 - 03(2008) [S].2008.

[8] DET Norske Veritas.Submarine Pipeline Systems :DNV-OS-F101 [S].2007.

[9] 楊專釗,李安強(qiáng),楊溪,等.關(guān)于DWTT的管線鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析[J].焊管，2011,34(08)：59-62.

Influence of Specimen Thickness Reducing on the DWTT Properties of the Heavy Wall Thickness Linepipe

YANG ZhuanZhao1,2,WEI Weirong3,WANG Gaofeng1,2,WANG Changan1,2

(1.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.Ltd.,Beijing 100101,China; 2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi′an,Shaanxi 710077,China； 3.Shenzhen Branch of China National Offshore Oil Corporation,Shenzhen,Guangdong 518067,China)

Abstract：The series DWTT properties of the heavy wall thickness linepipe were tested by both traditional drop weight tear test machine and the 50000J pendulum impact testing machine at the temperature of 20℃,0℃,-10℃,-30℃,-50℃ and-70℃ respectively.The series specimens were designed as the reduced specimen from the outside surface,reduced specimen from the inside surface,reduced specimen from the both side and the whole scale thickness specimen.The shear area of each specimen was measured and calculated,and the ductile-brittle transition curve of each sorts of specimen was fitted,so that the ductile-brittle transition temperature (FATT50%) was estimated.The results showed that the reduced specimens were better than the whole scale thickness specimen,so did the drop weight tear test.

Key words：drop weight tear test;pendulum impact test;ductile-brittle transition curve;reduced thickness specimen;line pipe

第一作者簡(jiǎn)介：楊專釗，男，1979年生，研究生，高級(jí)工程師，主要從事石油管工程研究開(kāi)發(fā)、技術(shù)咨詢和技術(shù)支持服務(wù)工作。E-mail:yangzhuanzhao@163.com

中圖法分類號(hào)：TG115.5+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)03-0045-04

(收稿日期：2015-12-27編輯：葛明君)