X65M 管線鋼落錘撕裂試驗結(jié)果影響因素分析

陳曉林

（中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司， 湖北 荊州 434000）

0 前 言

油氣集輸管道的低應力斷裂擴展將造成災難性的事故， 為避免事故的發(fā)生， 必須使管道裂紋在初期就能夠止裂。 因此管線材料的韌性是油氣管道安全運行的重要技術指標之一。 落錘撕裂試驗 （DWTT） 是表征管線鋼材料韌性的一種重要試驗方法， 它是20 世紀60 年代由Battelle 研究院 （BMI） 在試驗研究基礎上發(fā)展建立起來的。因其試驗結(jié)果與實物氣體爆破試驗結(jié)果具有良好的一致性， 被廣泛應用于控制和預測管線鋼管的斷裂性能。 其試驗結(jié)果被作為衡量管線鋼管抵抗脆性開裂能力的韌性指標之一。

1 落錘撕裂試驗介紹

落錘撕裂試驗是將軋制的鋼板取樣加工成305 mm×76 mm×t （t 為板厚） 的試樣， 將其放置在低溫試驗箱內(nèi)冷卻到規(guī)定溫度， 然后放在落錘試驗機上將其砸斷， 檢驗斷口的纖維撕裂面積，試樣從低溫試驗箱內(nèi)取出直至砸斷不超過15 s。判定方法是按纖維撕裂面積的大小， 纖維撕裂面積越大， 韌性越好。 一般要求纖維撕裂面積85%以上。 落錘撕裂面積主要表征管線鋼的止裂韌性， 這對管線鋼的安全性至關重要。 由于落錘試樣是全厚度試樣， 尺寸比夏比沖擊試樣大， 因為夏比沖擊只能表征鋼板局部的韌性高低， 主要指起裂功的高低， 而與止裂性能沒有必要的聯(lián)系， 對于管線鋼， 不僅要求起裂功要高， 還要求裂紋出現(xiàn)后不會迅速擴展。

根據(jù)各類文獻證明， 大于80%的剪切面積百分率（SA） 才能阻止脆性斷裂的擴展， 美國石油協(xié)會 （API） 標準， 85%的剪切面積百分率被確定為一個可靠指標。 達到這個指標， 即可把脆性斷裂阻止在相對較短的距離內(nèi)。

2 試驗方法及結(jié)果

2.1 試驗方法

試驗選用的鋼材為X65M 管線鋼， 采用了3 種不同的壁厚， 分別為12.7 mm、 18.4 mm 和26.4 mm，

將加工好的試樣在缺口壓制機上加工出V形缺口， 在低溫試驗箱內(nèi)降溫冷卻， 然后在規(guī)定溫度下保溫， 保溫介質(zhì)為無水乙醇， 保溫時間統(tǒng)一為20 min， 保溫溫度為0 ℃、 -10 ℃、 -20 ℃、-30 ℃、 -40 ℃。 然后在15 s 的時間內(nèi)用JL-50000 型落錘試驗機進行DWTT 試驗， 試驗結(jié)束后根據(jù)SY/T 6476—2017 《管線鋼管落錘撕裂試驗方法》 對斷口剪切面積進行評定。

2.2 試驗結(jié)果

在落錘撕裂試驗中， 試樣斷口一部分為正常斷口， 一部分為異常斷口。 正常斷口是指缺口根部以脆性啟裂， 從缺口根部至錘擊側(cè)由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變韌性斷裂或整個斷裂面呈現(xiàn)韌性斷裂的斷口。 異常斷口是指在缺口根部附近呈現(xiàn)韌性斷裂區(qū)， 從缺口根部至錘擊側(cè)由韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训臄嗫凇?根據(jù)SY/T 6476—2017 中規(guī)定的要求， 將異常斷口也作為合格試樣進行評判。

0 ℃、 -10 ℃、 -20 ℃、 -30 ℃和-40 ℃時DWTT 試驗結(jié)果見表1， 斷口形貌如圖1～圖5所示。

圖1 0 ℃不同厚度試樣落錘撕裂試驗斷口形貌

圖2 -10 ℃不同厚度試樣落錘撕裂試驗斷口形貌

圖3 -20 ℃不同厚度試樣落錘撕裂試驗斷口形貌

圖4 -30 ℃不同厚度試樣落錘撕裂試驗斷口形貌

圖5 -40 ℃不同厚度試樣落錘撕裂試驗斷口形貌

表1 不同溫度、不同壁厚DWTT 試驗結(jié)果

2.3 異常斷口分析

從圖1～圖5 的斷口形貌可以看出， 隨厚度的增加， X65M 管線鋼落錘撕裂試驗異常斷口呈遞增的趨勢。 評定剪切面積時按照SY/T 6476—2017《管線鋼管落錘撕裂試驗方法》， 將DWTT 異常斷口作為有效試樣在相應的評定區(qū)域內(nèi)進行評定。

在API RP 5L3 標準中， 異常斷口常被視為無效斷口， 異常斷口并不是真正因為脆性而產(chǎn)生的，而是由于裂紋擴展前落錘的沖擊導致試樣彎曲產(chǎn)生的壓縮殘留變形所致， 并非鋼材的韌性差導致的。 即因為加工硬化引起的脆化與所評價的試驗鋼材的解理裂紋止裂能力無關。 因此， 日本NKK研究人員認為， 對于異常斷口， 應作為有效試樣在相應的評定區(qū)內(nèi)進行脆性面積評定更為客觀。

產(chǎn)生落錘異常斷口的原因有內(nèi)部原因和外部原因。 內(nèi)部原因是材料的強韌性較高和厚度較大時， 在錘擊側(cè)因重錘作用使材料產(chǎn)生明顯壓縮塑性變形。 外部原因主要是重錘的錘擊作用導致材料的形變硬化以及試驗溫度對材料性能的影響。因為板厚增加時， 在外力作用下， 沿厚度方向的收縮和變形受到約束， 落錘沖擊時產(chǎn)生的加工硬化效應更嚴重。 另外， 異常斷口出現(xiàn)與試驗溫度有關， 在較高或較低的試驗溫度下， 試驗鋼DWTT試樣出現(xiàn)異常斷口的幾率較小， 且出現(xiàn)異常斷口的溫度區(qū)間隨鋼材厚度的增加有增大的趨勢。

3 落錘撕裂試驗結(jié)果分析

3.1 厚度對斷口形貌的影響

根據(jù)此次試驗結(jié)果可以看出， 落錘撕裂試驗結(jié)果與試樣厚度有關。 材料厚度越大， 材料的落錘撕裂試驗剪切面積越小； 材料厚度越小， 材料的落錘撕裂試驗剪切面積越大。 重錘錘擊后， 隨時間的延長， 落錘試樣錘擊側(cè)經(jīng)歷了落錘沖擊、彎曲壓縮和彎曲拉伸， 產(chǎn)生相應的塑形變形。 試樣的厚度越大， 試樣所承受的彎曲壓縮變形越嚴重， 試樣斷裂的瞬間， 壓縮先于拉伸變形， 造成試樣內(nèi)部應力在各個方向上非均勻變化， 造成厚度方向上呈解離斷裂。 此外， 材料厚度越大， 材料在成型過程中， 冷卻速度也越慢， 特別是材料中心部位的冷卻速度， 由此造成大壁厚的鋼材心部晶粒尺寸比薄壁厚的大， 晶粒越大， 材料的韌性越差， 落錘撕裂試驗剪切面積越小。

3.2 溫度對斷口形貌的影響

根據(jù)此次試驗結(jié)果可以看出， 溫度越低， 材料的落錘撕裂試驗剪切面積越小； 溫度越高， 材料的落錘撕裂試驗剪切面積越大。 隨著試驗溫度升高， 落錘撕裂試驗斷口剪切面積增加， 材料沖擊韌性變好。 通過系列溫度落錘撕裂試驗， 可以確定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度， 韌脆轉(zhuǎn)變溫度是評價管道材質(zhì)的重要指標， 許多規(guī)范將鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度列為交貨的重要條件。

4 結(jié) 論

（1） 隨著試驗溫度的升高， X65M 管線鋼的落錘撕裂試樣剪切面積也增加， 沖擊韌性越好。

（2） 隨著壁厚的增加， X65M 管線鋼的落錘試樣的剪切面積逐漸減低， 沖擊韌性下降。

（3） 隨著壁厚的增加， X65M 管線鋼落錘撕裂試驗異常斷口呈遞增的趨勢。