x80管線鋼在不同溫度下的吸收能量測試

0檢測手段及測試對象材料的強度和柔軟度是一個非常重要的性能指標。對于油氣輸送管道用鋼管,特別是高壓輸氣管道,材料的韌性尤為重要。評估金屬材料的韌性優劣,通常采用的方法包括實驗室小尺寸的夏比沖擊試驗、中等尺寸的落錘撕裂試驗以及模擬實際管道的全尺寸氣體爆破試驗等。而落錘撕裂試驗(DWTT)的結果與鋼管全尺寸爆破試驗結果相當吻合,更能接近材料的使用狀態,反映其斷裂的真實情況,且容易操作,因此被廣泛應用于管線鋼斷裂韌性的評價,成為重要的質量驗收指標之一。近年來,隨著輸送管道建設的快速發展,管道輸送壓力和直徑不斷增大,管線鋼的強度和韌性也在不斷提高。現有輸送管標準對于落錘撕裂試驗還只停留在對剪切面積的定量分析上,僅用剪切面積百分數來描述其韌性,這種方式已經無法滿足技術發展對高鋼級管線鋼沖擊韌性進行定量描述的需要,特別是對于斷口出現異常斷口發生時,現有的試驗標準和試驗方法對管線鋼的性能已經無法做出客觀評價。因此,對于高強度、高韌性管線鋼而言,能量測試是必不可少的。目前,國內外在進行落錘撕裂能量測試時,均使用示波落錘式試驗機,而示波擺錘式試驗機仍屬空白。近日,中國石油集團石油管工程技術研究院與德國ZWICK聯合開發的50000J示波擺錘式落錘撕裂試驗機已研制成功,并正式投入使用。筆者采用該設備對X80管道的DWTT試樣進行了示波落錘撕裂試驗,運用兩種不同能量測試方法測試了不同溫度下的吸收能量,并對測試結果進行了比較及原因分析。根據落錘試驗吸收能量及夏比沖擊試驗吸收能量分別繪制韌脆轉變溫度曲線,得到不同的韌脆轉變溫度,對該現象進行了原因分析。1試驗方法和設備本試驗選取實際的X80天然氣輸送管道為試驗材料,其化學成分見表1,力學性能見表2。落錘試樣缺口形式為壓制缺口,試樣根據APIRP5L3—1996試驗標準的要求制作,幾何尺寸為76.2mm×305mm×t(t為壁厚)。根據APIRP5L3—1996標準要求方法,在20℃,0℃,-10℃,-20℃,-40℃和-60℃各測試一組試樣,每組試樣2個,對吸收能量及剪切面積進行記錄。系列溫度示波落錘撕裂試驗在德國產ZWICKPIT50示波擺錘式落錘撕裂試驗機上進行,試驗機最大沖擊能量為50kJ,記錄沖擊過程中的載荷-時間、載荷-位移曲線。夏比沖擊試樣為V形缺口,規格為10mm×10mm×55mm。根據ASTME23—2007標準要求方法,在20℃,0℃,-10℃,-20℃,-40℃和-60℃各測試一組試樣,每組試樣3個,對沖擊吸收能量及剪切斷面率進行記錄。2試驗結果與分析2.1能量-位移曲線積分該示波擺錘式落錘撕裂試驗機共有兩種沖擊吸收能量測試方式:第一種為利用角度編碼器通過擺錘沖擊前后的揚角計算出落錘試樣的吸收能量E角;第二種為通過載荷-位移曲線積分,積分所得面積即為吸收能量E示。由于目前落錘撕裂試驗能量測試系統既無計量檢定方法,亦無標準試樣進行測量,故兩種方法同時測定,可相互驗證吸收能量測試結果。X80管線鋼試樣在不同溫度下的落錘撕裂試驗結果見表3。由表3可以看出,E角比E示高,這是由于E角包含了擺錘的風阻及摩擦,而E示是由載荷-位移曲線積分而得,不包含風阻及摩擦,因此E角比E示高。2.2錘頭沖擊試驗結果示波擺錘式落錘撕裂試驗機可以記錄試驗過程中載荷-時間的關系曲線,同時可根據角度編碼器計算出位移值,得到載荷-位移曲線,根據載荷-位移曲線積分可得到試樣落錘撕裂吸收能量。圖1為X80管線鋼落錘撕裂試樣在不同溫度下的載荷-位移曲線,圖2為對應的錘頭速度曲線。由圖1可以看出,當試驗溫度較高時,在試驗的開始階段,試樣缺口的根部首先產生彈性變形,沖擊載荷隨位移的增加呈線性迅速增加。載荷增加到一定程度后,增長速度逐漸減小或不再增加,此時,試樣缺口根部發生塑性變形。隨著缺口的鈍化、形變硬化的產生,載荷再次提升達到最大值,此時,試樣韌性起裂。隨后由于裂紋的擴展,載荷逐漸下降。而當試驗溫度較低時,試樣壓制缺口根部脆性起裂。裂紋脆性起裂后在極短的時間內達到非常高的擴展速度,隨著裂紋迅速擴展,載荷迅速降低。在試驗過程中,錘頭速度隨著試樣吸收能量的增加而逐漸減小,如圖2所示。錘頭對試樣的作用力與試樣的裂紋擴展速度有關,裂紋擴展速度越慢,錘頭對試樣的作用力就越大。隨著試驗溫度降低,試樣總的吸收能量變得越小,裂紋擴展速度越來越快,因此,錘頭的最終速度變得越來越大。2.3斷裂穩定性測定材料的力學性能與溫度有關,示波落錘撕裂試驗所記錄的DWTT試樣斷裂過程的力學參數同樣受環境溫度的影響。由吸收能量及剪切面積繪制的韌脆轉變溫度曲線如圖3所示。由圖3中可以看出,落錘撕裂吸收能量繪制的韌脆溫度轉變曲線與剪切面積繪制的韌脆溫度轉變曲線形狀基本相同,在-20℃以上,試樣斷裂總功基本保持不變,低于此溫度時,斷裂總功迅速下降,斷裂由韌性向脆性轉變。夏比沖擊試驗由于試樣小、易加工、試驗操作簡單、試驗時間短和費用低等優點,被廣泛用于科研和實際生產中,通過測定沖擊吸收能量繪制材料的韌脆轉變溫度曲線,從而得到韌脆轉變溫度。該X80管線鋼夏比沖擊試驗吸收能量及剪切面積繪制的韌脆轉變溫度曲線如圖4所示。由該曲線可看出,在整個試驗溫度范圍內,沖擊吸收功未有明顯變化,而剪切面積基本保持不變,無法得到韌脆轉變溫度。韌脆轉變溫度受到試樣形狀、尺寸、應力狀態和加載速率等多方面因素的影響。夏比沖擊試樣由于尺寸小,在外力作用下,沿厚度和寬度方向受到的約束遠小于落錘撕裂試樣,沖擊時產生較少的形變硬化。因此,其測定值過高地估計了管線鋼的韌性。而DWTT試驗采用了全壁厚試樣,更接近管道實際的應力、應變狀態。試樣寬度增加,裂紋擴展路徑較長,可更好地反映實際管道中裂紋長程擴展的性質。由于DWTT試驗曲線與全尺寸爆破試驗曲線十分接近,因此DWTT試驗更能真實地反映管道實際的韌脆行為。3試驗結果分析(1)使用兩種能量檢測方式對X80管線鋼在不同溫度下的具體吸收能量進行了測試,為今后制定管線鋼標準中落錘撕裂試驗能量測試評判提供了參考依據。兩種能量測試方法相互對比,相互驗證。(2)在管線鋼的動態斷裂過程中,裂紋擴展由起裂、擴展、止裂過程所組成。不同溫度下的載荷-位移曲線形狀是不同的,隨著溫度的降低,達到最大載荷后的載荷下降速度加快。錘頭的最終速度與試樣總的吸收能量有關,試樣吸收能量越大,錘頭最終的速度越小,反之,試樣吸收能量越小,錘頭最終的速度越大。(3)根據落錘撕裂試驗結果繪制的韌脆溫度轉變曲