試樣減薄方式對落錘撕裂試驗結果的影響*

張偉衛， 謝 萍， 楊 明， 池 強， 高雄雄， 封 輝

（1. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安710077；2. 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. 中石油管道有限責任公司西部分公司， 烏魯木齊830000）

落 錘 撕 裂 試 驗 （DWTT， drop weight tear test） 被用于測定鋼管抗裂紋擴展的能力， 已經具備了成熟的試驗標準， 對試驗方法、 試驗條件、 斷口評定都作了相關規定[1]。 目前國內鋼管行業常用的試驗標準主要有美國石油學會的《管線管落錘撕裂試驗推薦作法》 （API RP 5L3—2014）、 《輸送鋼管落錘撕裂試驗方法》 （SY/T 6476—2017） 等[2]。

在標準制定初期， 管線鋼以鐵素體鋼為主，試驗機的沖擊能力往往也較小。 隨著管線鋼強度等級、 韌性水平以及鋼管壁厚的不斷提升， 管線鋼逐漸發展為針狀鐵物體、 貝氏體為主的高強度高韌性管線鋼， 試驗機的沖擊能力也逐漸升高[1-3]。目前國內中俄東線天然氣管道工程用鋼管的壁厚已達到32. 1 mm， 雖然主流試驗機沖擊能力為50 kJ， 但仍然面臨DWTT 試樣需要減薄的問題。相關標準僅對早期管線鋼進行了研究， 規定了DWTT 試樣減薄量和溫度降低指標， 針對針狀鐵素體型X80 厚壁管線鋼的DWTT 試樣減薄方式、降低溫度等問題， 需進一步開展研究， 確定試驗方法的適用性， 為DWTT 試驗在工程實際應用提供參考。

1 試驗材料和方法

本研究采用的樣品來自中俄東線、 西三線等天然氣管道工程用管線鋼管， 試驗材料主要參數及取樣位置見表1。

表1 試驗材料主要參數及取樣位置

采用全壁厚試樣和減薄試樣。 減薄試樣包括外壁減薄、 內壁減薄和雙面減薄。 外壁減薄或內壁減薄試樣是指分別從鋼管外壁表面或內壁表面減薄至規定壁厚， 雙面減薄試樣是同時從鋼管外壁和內壁表面減薄相同的厚度至規定壁厚。 所有減薄試樣的最終尺寸為305 mm×76.2 mm×19.0 mm， 試樣缺口形式為壓制V 形缺口， 缺口角度45°±2°， 缺口深度（5.1±0.51） mm。

DWTT 在100 kJ 落錘試驗機上進行， 試驗溫度包括20～-60 ℃的系列溫度， 目的是得到剪切面積為85%時的韌脆轉變溫度FATT85， 并與SY/T 6476—2017 中規定的試樣減薄后的溫度降低量ΔT 進行對比分析， 表2 給出了SY/T 6476—2017 中規定的試樣減薄后的溫度降低量要求[4]。

表2 SY/T 6476—2017 規定的試驗溫度降低量

2 試驗結果和討論

2.1 試驗結果

圖1 分別給出了壁厚30.8 mm 和壁厚26.4 mm X80 試樣減薄前后的DWTT 剪切面積和韌脆轉變曲線。 表3 給出了兩個規格試樣的DWTT 韌脆轉變溫度FATT85。

從圖1 和表3 可以看出， 隨著試驗溫度的降低， DWTT 試樣剪切面積逐漸減小； 與全壁厚試樣相比， 不同減薄方式試樣的韌脆轉變溫度均明顯降低。

表3 不同壁厚試樣DWTT 韌脆轉變溫度試驗結果

2.2 結果分析

26.4 mm X80 鋼管減薄前后的DWTT 斷口形貌。相同試驗溫度時， 減薄后的試樣剪切面積明顯高于全壁厚試樣。 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所受到的約束會增加， 材料約束由平面應力狀態向平面應變狀態過渡， 沖擊時產生較大形變硬化， 使試樣斷口的脆性區增加， 剪切面積下降。

以上分析表明， 在進行厚壁鋼管DWTT 試驗時， 若是使用減薄試樣， 則應降低試驗溫度，才能使減薄后的試樣與全壁厚試樣剪切面積趨于一致。 這與SY/T 6476—2017 等相關標準的要求“若采用減薄試樣， 則實際試驗溫度應低于規定試驗溫度”[4]相符。 本研究中， 對于壁厚30.8 mm鋼管， 若是使用減薄試樣， 按照標準要求， 其試驗溫度應該降低17 ℃； 對于壁厚26.4 mm 鋼管，若是使用減薄試樣， 其溫度應該降低11 ℃。 由圖1 可以看出， 雙面減薄試樣比全壁厚試樣的韌脆轉變溫度降低量基本與相關標準規定一致， 單面減薄試樣比全壁厚試樣的韌脆轉變溫度降低量大于相關標準試驗溫度降低規定值。

圖2 DWTT 試樣減薄前后斷口形貌

為了使試驗數據更有代表性， 我們采用了外徑1 422 mm 和1 219 mm、 壁厚21.4～32.1 mm 的鋼管試樣進行了54 組系列溫度的DWTT 試驗，取樣位置距離鋼管焊縫90°， 方向為鋼管管體橫向（周向）， 得到了雙面減薄、 內壁減薄、 外壁減薄試驗的韌脆轉變溫度， 并與全壁厚試驗的韌脆轉變溫度進行了對比， 試驗結果如圖3 所示。

圖3 試樣減薄前后DWTT 韌脆轉變溫度對比

從圖3 可以看出， 與原始壁厚相比， 雙面減薄試驗韌脆轉變溫度降低量最小， 均值5～15 ℃；內壁和外壁減薄方式的韌脆轉變溫度差異不大，均值10～25 ℃。 原壁厚試樣韌脆轉變溫度越高，減薄試樣的溫度降低量越大， 即單面減薄試樣的韌性優于雙面減薄試樣。 這是因為材料在厚度方向性能不均勻， 鋼板在熱機械控軋工藝（TMCP）生產過程中， 由于鋼錠邊部冷卻速度較快， 此處材料晶粒較細， 軋制得到的鋼板表面晶粒較細，材料韌性也較好， 而相應于鋼錠中心由于是偏析雜質富集區， 晶體顆粒粗大， 軋制獲得的鋼板中部韌性也較差[5-10]。 因此， 當采用減薄試樣進行DWTT 試驗時， 由于單面減薄試樣保留了一側韌性較好的部分， 雙面減薄試樣將兩側韌性較好部分均進行去除， 而保留中間韌性較差部分， 所以單面減薄試樣測得的剪切面積好于雙面減薄試樣。

把圖3 中的數據按壁厚及表2 給出的SY/T 6476—2017 規定的不同壁厚減薄至19 mm 時的溫度降低量進行歸類擬合， 得到不同壁厚試樣減薄至19 mm 后相對于原始壁厚試樣韌脆轉變溫度的降低量， 結果如圖4 所示。

圖4 不同減薄方式實際溫度降低量對比

從圖4 可以看出， 隨試樣原始壁厚增加， 減薄至19 mm 后韌脆轉變溫度降低量增加。 按SY/T 6476—2017 標準溫度降低量要求， 壁厚22.2 mm以下試樣， 減薄后應降低6 ℃進行試驗， 22.2～28.6 mm 應降低11 ℃， 28.6～39.7 mm 應降低17 ℃。但是從試驗結果來看， 雙面減薄試驗的韌脆轉變溫度降低量與標準規定的等效溫度降低值基本一致； 單面減薄試驗的韌脆轉變溫度降低量明顯大于標準規定的等效試驗溫度降低量。 外壁減薄時， 實際試驗結果為壁厚22.2 mm 以下溫度降低了9 ℃， 壁厚22.2～28.6 mm 時溫度降低9～13 ℃，28.6 mm 以上溫度降低13～35 ℃； 內壁減薄時，壁厚22.2mm 以下溫度降低了13 ℃， 壁厚22.2～28.6 mm 時溫度降低10～15 ℃， 28.6 mm 以上時溫度降低15～40 ℃。 因此， 按SY/T 6476—2017 標準規定的溫度降低量要求進行減薄DWTT 試驗時， 外壁減薄和內壁減薄試驗結果更偏于危險。

3 結 論

（1） 厚壁管線鋼管， 壁厚尺寸效應和減薄方式對DWTT 韌脆轉變的影響十分顯著， 雙面減薄試驗的韌脆轉變溫度降低量與SY/T 6476—2017 標準規定等效溫度降低值基本一致， 單面減薄試驗的韌脆轉變溫度降低量明顯大于標準規定的等效試驗溫度降低量。

（2） 材料在厚度方向組織性能不均勻， 表面晶粒較細， 材料韌性較好； 中心晶粒粗大，韌性較差。 減薄后， 單面減薄試樣保留了壁厚一側韌性較好的部分， 雙面減薄試樣僅保留了中間韌性較差部分， 使得單面減薄試樣的剪切面積優于雙面減薄試樣。

（3） 相同試驗條件下， 試樣截面尺寸是影響剪切面積的主要因素， 試樣厚度增加， 材料所受約束由平面應力狀態向平面應變狀態過渡，更容易出現脆性斷裂。

（4） 壁厚32.1 mm 以下的鋼管采用減薄方式進行DWTT 試驗時， 盡量采用全壁厚試樣，當試驗機能力無法滿足需要而必須對試樣進行減薄時， 應采用雙面減薄試驗代替全壁厚試驗。如果采用單面減薄試樣進行試驗時， 應比標準規定的溫度降低量降低更多的溫度。