管線鋼與鋼管落錘撕裂試驗標準對比

陳 松

（華油鋼管揚州分公司， 江蘇 揚州225000）

落錘撕裂試驗 （DWTT） 用于檢測材料的韌性， 主要用于金屬材料的低溫脆性研究和評價， 目的是建立斷口形貌與溫度的關系， 被廣泛應用于管線鋼及鋼管斷裂韌性的評價， 同時作為衡量管線鋼和鋼管抵抗脆性開裂的韌性指標。 管線鋼和鋼管常用的落錘撕裂試驗現行標準主要有API RP 5L3—2014 《輸送鋼管落錘撕裂試驗推薦做法》[1]、 SY/T 6476—2017 《管線鋼管落錘撕裂試驗方法》[2]和GB/T 8363—2018 《鋼材落錘撕裂試驗方法》[3]。 各個標準之間既有共同點又有不同點， 經過對各個標準詳細研究， 從適用范圍、 試樣制備、 設備參數、試驗溫度、 結果評價等方面對三項試驗標準進行了對比分析。

1 標準的適用范圍

三項標準在適用范圍上不盡相同， API RP 5L3—2014 適用于API SPEC 5L 管線鋼管規范中規定的所有鋼種， 無厚度要求； SY/T 6476—2017 適用于管線鋼管和制管用鋼板、 板卷， 無厚度要求； GB/T 8363—2018 適用于厚度3～40 mm的鋼板和管材。 因此， 三項標準都可用于管線鋼管和制管用鋼板、 板卷的落錘撕裂試驗和結果評定， 但也應關注GB/T 8363—2018 對厚度的要求。

2 標準中關于試樣制備的比較

三項標準在試樣制備方面的主要差異見表1。由表1 可知， 三項標準對試樣及缺口尺寸的要求基本一致， 尺寸偏差略有不同， API RP 5L3—2014 要求較為寬松， GB/T 8363—2018 要求相對嚴格。 三項標準之間存在的差異主要體現在以下兩個方面： ①三項標準都規定缺口幾何形狀可選用壓制缺口或人字形缺口， 但GB/T 8363—2018增加了一種新的試樣類型作為輔助試樣——人字形缺口背后開切口加墊片試樣。 ②三項標準對于缺口形狀的選擇原則不同， API RP 5L3—2014和SY/T 6476—2017 中規定： 缺口形狀優先選用壓制缺口， 對出現異常斷口的管線鋼可選用人字形缺口進行復驗。 而GB/T 8363—2018 中規定：低韌性管線鋼應選用壓制缺口， 高韌性管線鋼優先選用人字形缺口。

對于減薄試樣， 其實際試驗溫度應低于規定的試驗溫度， 其降低量見表2， 三項標準規定相同。 按照標準要求， 試驗報告仍按規定的試驗溫度填寫并注明減薄方法。 同時不同減薄方法可能會影響試驗結果， 故不能將全壁厚試樣與減薄試樣、 不同減薄方法的試樣所測得的結果進行對比[4]。

表1 三項標準關于試樣制備的要求

表2 減薄試樣試驗溫度的降低量

3 標準對試驗設備參數的要求

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項標準對試驗設備的要求總體一致， 但也有一定的差異。 GB/T 8363—2018對兩支座間距離和錘刃曲率半徑2 個參數的要求更為嚴格， 另外公英制單位轉換也造成一些參數有微小差異[5]， 具體參數見表3。

三項標準對試驗設備要求的不同點主要體現在以下方面。

（1） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018對試驗機結構有要求， 可為擺錘式或落錘式[6]；而API RP 5L3—2014 對試驗機結構形式無要求，試驗機可將試樣一次沖斷即可。

（2） GB/T 8363—2018 對試樣支承裝置的規定更加詳盡， 規定支座應有足夠的硬度（HRC＞56） 及兩支座應平齊、 等高， 且規定試樣支承裝置應具有足夠的空間確保試樣被一次沖斷并順利通過支座， 具體規定為： 兩支座內側距離減去錘刃直徑以及2 倍試樣寬度不小于5 mm。

表3 三項標準關于試驗設備的主要技術參數

（3） GB/T 8363—2018 給出了夏比V 形缺口標準沖擊試樣總吸收能量與壓制缺口、 人字形缺口DWTT 總吸收能量的近似關系圖， 為試驗機沖擊能量的選用提供了參考[7]。 而API RP 5L3—2014 取消了舊版（API RP 5L3—1996） 的對應圖。

（4） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018都以附錄形式給出了儀器化分析要求， 給出了試樣沖擊能的測定方法。 隨著管線鋼的發展， 高鋼級大壁厚管線鋼將成為以后發展的趨勢， 落錘撕裂試驗將不僅需要對剪切面積進行評價， 還會要求落錘撕裂能量值， 因此示波落錘將逐步取代傳統落錘試驗機。

4 標準有關試樣保溫

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項標準在保溫介質、 介質溫度、 試樣間距、 最短保溫時間、 試樣的重新加熱和冷卻等方面存在較大差異， 在使用過程中應予以注意。 具體差異見表4。

表4 三項標準關于試樣保溫的主要差異

從表4 可以看出， SY/T 6476—2017 標準對試樣最短保溫時間的規定進行了細化， 增加了總保溫時間和到溫保溫時間。 三項標準的保溫時間見表5， 三項標準在試樣總保溫時間的規定總體一致， SY/T 6476—2017 標準增加了對到溫保溫時間的規定。 同時SY/T 6476—2017 標準對總保溫時間和到溫保溫時間給出了明確定義， 避免了對保溫時間的理解疑義。

表5 三項標準關于試樣在介質中的保溫時間

5 落錘試驗結果評定

5.1 斷口剪切面積評定

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項標準均給出了3 種斷口剪切面積評定方法： 求積法、 比對法、 測量法[8]。采用求積儀測量剪切面積雖然準確但較為費時。測量剪切面積較為準確又快速的方法是測量法，測量法的采用取決于斷口形貌， 3 種典型斷口形貌如圖1 所示。 三項標準對測量法的規定差異較大， 在使用過程中應予以區分。 當斷口形貌介于圖1 （a） ～ 圖1 （b） 時， API RP 5L3—2014 標準采用公式 （1） 計算剪切面積百分比。 SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 標準規定： 壁厚t≤19.0 mm 采用公式（1） 計算剪切面積； 壁厚t＞19.0 mm 采用公式 （2） 計算剪切面積百分比。 若斷口形貌呈圖1 （c） 時， API RP 5L3—2014 標準采用測量剪切唇寬度均值的方法來確定剪切面積； SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 標準則是采用測量解理區寬度均值的方法來確定剪切面積。 由于斷口剪切唇的可壓縮性和解理區的不可壓縮性， 采用測量剪切唇寬度均值的方法得到的SA要小于采用測量解理區寬度均值的方法得到的SA[9]。

式中： SA1、 SA2——剪切面積（精確到1%）；

T——斷口上缺口根部和錘擊側不被計入有效區域的長度；

ts——試樣厚度；

A——缺口下方“T” 線處解理斷裂區寬度；

B——“T” 線間解理斷裂區長度。

圖1 典型DWTT斷口形貌

5.2 異常斷口評定

API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017 及GB/T 8363—2018 三項標準關于異常斷口的規定存在很大差異。

（1） API RP 5L3—2014 標準規定異常斷口為無效試樣[10]， 需取樣重新試驗。 對于重新試驗過程中依舊出現異常斷口的情況沒有進一步說明， 給試驗評判造成很大困難， 這是API RP 5L3—2014 在實際應用中的局限性。 對于異常斷口的評定， API 和其他機構正在開展聯合研究，目前仍沒有一致的觀點和處理辦法。

（2） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018標準均以附錄形式給出了異常斷口的評定方法。試樣的異常斷口是伴隨高鋼級管線鋼的發展出現的， 特別是在高鋼級大壁厚管線鋼中經常出現。異常斷口的評定方法全面系統的闡述了異常斷口的定義及評定方法， 并規定了異常斷口評定不合格時允許采用人字形缺口試樣重新試驗。

（3） SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018標準中關于異常斷口的評定方法也不一致， 在使用過程中應加以區分。 SY/T 6476—2017 根據裂紋擴展過程中形成的脆性區的形態和分布將異常斷口分為4 類， 根據異常斷口分類采用不同的評定區域進行脆性面積計算的方式更易理解和使用。脆性區分布接近錘擊側的異常斷口（第Ⅰ類） 多是由于試樣在試驗過程在承受過大的壓縮變形以及局部增厚產生的。

6 結 論

（1） API RP 5L3—2014、 SY/T 6476—2017及GB/T 8363—2018 標準在適用范圍、 試樣制備、 設備參數、 試樣保溫、 結果評定等方面均存在一定差異， 在使用過程中應加以區分。

（2） 不同減薄方法可能會影響試驗結果， 故不能將全壁厚試樣與減薄試樣、 不同減薄方法的試樣所測得的結果進行簡單的對比。 對于壁厚大于19 mm 的產品， 在試驗機能力允許的情況下，應首選全壁厚試樣， 其更能反映產品真實性能。

（3） SY/T 6476—2017 標準對試樣最短保溫時間的規定進行了細化， 增加了總保溫時間和到溫保溫時間。

（4） API RP 5L3—2014 標準規定異常斷口為無效試樣， 在實際應用中具有局限性； SY/T 6476—2017 和GB/T 8363—2018 標準均以附錄形式給出了異常斷口的評定方法， 但異常斷口的評定方法并不一致； SY/T 6476—2017 根據異常斷口分類采用不同的評定區域進行脆性面積計算的方式更易理解和使用。