X90管線鋼示波沖擊特征值的研究

張庶鑫，李 娜，藺衛平，任繼承

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安700077）

X90管線鋼示波沖擊特征值的研究

張庶鑫，李 娜，藺衛平，任繼承

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安700077）

為了更準確地評價X90管線鋼的韌性，利用示波沖擊試驗機提取了不同溫度下該管線鋼的載荷－位移曲線，研究了其沖擊韌性隨溫度的變化情況。結果表明，在20℃和0℃時X90管線鋼示波沖擊曲線與GB/T 19748中的F型曲線相似，為韌性斷口；－20℃以下時，可以看到明顯的不穩定裂紋擴展特征；隨著溫度的降低，X90管線鋼示波沖擊的最大力基本不變，而屈服力升高；裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區形成能基本不隨溫度變化而變化，僅當達到－100℃時，裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區形成能急劇降低。穩定裂紋擴展能隨著溫度的降低而降低。

焊管；X90管線鋼；沖擊韌性；示波沖擊；剪切斷面率

Abstract:In order to more accurately evaluate the toughness of X90 pipeline steel,the load-displacement curve was extracted under different temperatures by using instrumented impact testing machine,and the impact toughness variation situation along with temperature was studied.The results showed that the instrumented impact curve of X90 pipeline steel at 20℃and 0℃was similar to the GB/T 19748 F type,was ductile fracture;-20℃below,obvious unstable crack propagation characteristics can be seen;with the reduction of temperature,the maximum force of X90 pipeline steel instrumented impact basically unchanged,while the yield force increased;crack formation energy,shear lip and secondary fiber area formation energy almost unchanged as the temperature changing;only when the temperature reached-100℃,crack formation energy,shear lip and secondary fiber area formation energy decreased sharply.Stable propagation crack energy decreased with the temperature decreasing.

Key words:welded pipe;X90 pipeline steel;impact toughness;instrumented impact;shear fracture area rate

隨著石油天然氣需求量的增加，油氣輸送工作量也隨之增加。為了提高油氣輸送效率，輸送管道的直徑和輸送壓力不斷提高，管材的強度和韌性也不斷提高[1-2]。在管道的設計與評價過程中，夏比沖擊試驗作為表征管材韌性最方便的試驗方法，得到了廣泛的應用。傳統的沖擊試驗只能得到材料的總韌性值，對于不同的管材，可能總韌性值Ak相同，但其裂紋啟裂功和裂紋擴展功所占比例不同，韌性也不同[3-4]。示波沖擊試驗機可以通過測量試樣在斷裂過程中的載荷、位移、吸收功能量數據，動態記錄裂紋萌生、擴展至失穩的整個過程。因此，使用示波沖擊試驗機可以更準確評價材料的韌性。本研究利用示波沖擊試驗機分析了X90管線鋼在不同溫度下沖擊曲線的特征值，驗證了GB/T 19748附錄中給出的剪切斷面率計算公式的有效性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用符合API SPEC 5L要求的X90管線鋼，其主要化學成分見表1，材料的屈服強度為690 MPa，抗拉強度為795 MPa，斷后伸長率為35%。

表1 試驗用X90管線鋼主要化學成分 %

用MEF4M金相顯微鏡對管材進行金相組織分析，結果如圖1所示。從圖1可以看出，X90管線鋼的組織為粒狀貝氏體，彌散分布M/A島，晶粒度為11.6級。由于細小的粒狀貝氏體組織具有小的有效晶粒尺寸，能有效阻止裂紋的擴展。同時彌散分布的M/A島在基體中是以不連續的方式分布的，島與島之間有一定的距離，中間具有良好韌性的板條鐵素體。板條鐵素體使得裂紋更不易擴展，所以不連續分布的M/A島避免了裂紋連續擴展通道的形成。因此，M/A島的存在，在增加鋼的強度的同時，并未明顯降低鋼的韌性和塑性。此種組織決定了其具有良好的低溫沖擊韌性[5-6]。

圖1 X90管線鋼的金相組織

1.2 試驗方法

沖擊試樣在距焊縫90°管體處橫向截取，缺口垂直于厚度方向，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗參照GB/T 19748—2005標準，使用MPM9700示波沖擊試驗機在20℃、0℃、－20℃、 －40℃、 －60℃、 －80℃和－100℃不同的試驗溫度下進行了試驗。

2 示波沖擊曲線

根據GB/T 19748—2005標準，將示波沖擊曲線分為A－F六種類型，典型的金屬沖擊曲線為E型和F型。F型曲線通常為金屬室溫下發生的沖擊斷裂，只發生穩定裂紋擴展；E型曲線為金屬在低溫環境下發生的沖擊斷裂，不僅包含穩定裂紋擴展，還存在不穩定裂紋擴展，如圖2所示。在圖2所示曲線上，Fgy為屈服力，Fgy之前為彈性階段。Fgy之后，由于缺口根部的應力集中，在一定的沖擊載荷和彎曲撓度下，裂紋開始萌生，在最大力Fm時，裂紋達到臨界尺寸。接下來，裂紋在小載荷下快速擴展，此時斷口為纖維狀韌性區。Fiu為不穩定裂紋擴展起始力，此時，裂紋失穩擴展，形成放射狀脆斷區，Fa為不穩定裂紋擴展終止力。相對應的，達到Fm時，所需要的能量為裂紋形成能Ei，Fm到Fiu為穩定裂紋擴展能Ep1，Fa后為剪切唇和二次纖維區的形成能Ep2。因此傳統的沖擊總能量Et，并不能直接反應材料的韌性強弱，可使用Ep=Ep1+Ep2來表征材料的韌性。

圖2 典型金屬低溫示波沖擊曲線

3 試驗結果及分析

在不同試驗溫度下，X90管線鋼示波沖擊載荷－位移曲線如圖3所示[7]。從圖3可以看出，在20℃和0℃時管線鋼沖擊曲線與GB/T 19748中的F型曲線相似，為韌性斷口。溫度在－20℃以下，可以看到明顯的不穩定裂紋擴展特征。對比－20℃、－40℃、－60℃、－80℃和－100℃溫度下的沖擊試驗 曲線，可以看到溫度越低，不穩定裂紋擴展出現的越早。因此溫度越低，脆性面積更大。對不同溫度下的示波沖擊曲線特征值進行提取，結果見表3。

圖3 不同溫度下X90管線鋼示波沖擊載荷－位移曲線

屈服力與最大力隨溫度變化曲線如圖4所示。由圖4可見，其中隨著溫度的降低，沖擊的最大力基本不變，而屈服力升高。溫度越低，金屬原子間結合力越大，因此屈服力越大。最大力基本不變表明，當臨界裂紋形成，裂紋開始穩定擴展時的力值不隨溫度變化而變化。

裂紋形成能、穩定裂紋擴展能、剪切唇及二次纖維區形成能隨溫度變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，裂紋形成能、剪切唇及二次纖維區形成能基本不隨溫度變化而變化，僅當達到-100℃時，裂紋形成能、剪切唇及二次纖維區形成能急劇降低。穩定裂紋擴展能隨著溫度的降低而降低。

表3 不同溫度下X90管線鋼示波沖擊特征值

圖4 屈服力與最大力隨溫度變化曲線

圖5 裂紋形成能、穩定裂紋擴展能、剪切唇及二次纖維區形成能隨溫度變化曲線

沖擊功和剪切面積隨溫度變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，沖擊功和剪切面積變化趨勢基本一致。X90管線鋼具有良好的室溫和低溫沖擊韌性。室溫沖擊吸收功平均值為330 J，韌脆轉變曲線具有明顯的上平臺。以剪切面積達到50%來判定韌脆轉變溫度，X90管線鋼母材韌脆轉變溫度約為-80℃。

圖6 沖擊功、剪切面積隨溫度變化曲線圖

一般情況下，根據GB/T 19748附錄C[8]中的評定辦法來計算剪切面積，由于斷口評定具有很高的主觀性，且斷口解理斷裂部分不是規則圖形，因此給剪切面積評定帶來一定的困難。GB/T 19748附錄C給出了通過示波沖擊特征值計算剪切面積的經驗公式（1）～（4）[8]。

式中：Fiu—不穩定裂紋擴展起始力；

Fa—不穩定裂紋擴展終止力；

Fm—最大力；

Fgy—屈服力；

K—系數，取1/2。

公式（1）～（4）分別對應不同韌性的鋼材，圖7為公式（1）～（4）計算所得與實際評定得到的剪切面積的對比。從圖7中可以看出，公式（1）～（4）計算值在低溫區域普遍偏高，不能反映實際情況[9]。圖6中，可以看到剪切面積與沖擊功曲線變化趨勢近似，可以得到剪切面積與沖擊功的關系公式為

圖7 計算所得與實際評定得到的剪切面積的對比

4 結 論

（1）在20℃和0℃時X90管線鋼示波沖擊曲線與GB/T 19748中的F型曲線相似，為韌性斷口。溫度在-20℃以下，可以看到明顯的不穩定裂紋擴展特征。

（2）隨著溫度的降低，X90管線鋼示波沖擊的最大力基本不變，而屈服力升高。裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區形成能基本不隨溫度變化而變化，僅當達到-100℃時，裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區形成能急劇降低。穩定裂紋擴展能隨著溫度的降低而降低。

（3）GB/T 19748附錄C給出的通過示波沖擊特征值計算剪切面積的經驗公式（1）～（4）與實際評定得到的剪切面積相差較大，剪切面積與沖擊功曲線變化趨勢近似，剪切面積與沖擊功的關系公式SA=Et/3.3。

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Instrumented Impact Characteristic Value Research on X90 Pipeline Steel

ZHANG Shuxin,LI Na,LIN Weiping,REN Jicheng
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 700077,China）

TG142.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.008

2016-11-10

編輯：汪翰云

張庶鑫（1988—），男，山西人，工程師，碩士，主要從事石油管材質量監督以及研究工作。