畢宗岳 張驍勇 李 逵 楊忠文 牛 輝 高惠臨

1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心·寶雞石油鋼管有限責任公司 2.西安石油大學

目前管線鋼管多采用夏比V形（Charpy V－type Notch，CVN）沖擊試驗進行止裂韌性的設計和預測。然而，由于CVN沖擊試樣縮小的尺寸使裂紋未能達到穩(wěn)定的擴展條件，所獲得的能量值包括了大量與斷裂擴展無關的吸收能，因而CVN沖擊試驗值過高地估計了實際鋼管的止裂能力［1－3］。對于X100高強度管線鋼管，以傳統(tǒng)的CVN沖擊能作為止裂參數(shù)不能保證管道止裂能力設計和預測的正確性。落錘撕裂試驗（Drop Weight Tear Test，DWTT）采用全板厚寬試樣，可以更好地反映管線鋼管的斷裂行為，因而采用DWTT作為止裂韌性的表征已成為管道止裂韌性設計和預測新的研究領域［4－7］。

X100是一種具有經(jīng)濟潛力和市場前景的新型高強度管道材料，采用X100鋼管代替X70和X80鋼管，可分別降低成本30%和20%［1］。然而由于X100鋼管韌性預測和斷裂控制的問題未得到解決，限制了其工程應用。在DWTT中，有2種缺口類型可以選擇，但是哪一種更適合于高鋼級X100鋼管的評價，目前還未見報道。為了推動X100高強度鋼管在我國天然氣長輸管線中的應用，以一種X100螺旋埋弧焊管為研究對象，通過不同缺口類型下的DWTT及其能量表征和分析，以揭示X100鋼管的韌性特征和斷裂規(guī)律，為高強度鋼管的韌性預測和斷裂控制提供實驗依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自X100鋼管螺旋埋弧焊管（ 1219 mm×15.3mm），其化學成分見表1，常規(guī)力學性能見表2。由表1、2可以看出，X100鋼管材屬于低C－Mn－Cu－Ni－Mo－Nb－V－Ti－B多元微合金化控軋、控冷管線鋼，為達到高強韌性目標，成分設計上選擇了多元化合金元素的最佳配合［1，7］。其中Mn含量適當提高以補償碳含量降低而引起的管材強度下降。微合金元素Nb、V延遲了奧氏體的再結(jié)晶，降低了相變溫度，從而通過相變強化、固溶強化和彌散強化等強化機制改善材料的強韌性。Ti不僅延緩了奧氏體的再結(jié)晶，還阻止了奧氏體加熱時晶粒長大，為相變后得到細小的組織提供有利條件。Mo、Ni等合金元素的適當加入，可使連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，從而抑制多邊形鐵素體，促進針狀鐵素體的形成，X100母材的基本組織為針狀鐵素體，其實質(zhì)是粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體或由二者組成的復相組織［1］。

表1 X100鋼管材的化學成分表

表2 X100鋼管材的常規(guī)力學性能表

圖1 DWTT試樣及缺口形狀與尺寸圖

1.2 試驗方法

DWTT試驗采用305mm×76mm×15.3mm（15.3mm 為實際鋼管的壁厚）壓制V形缺口（Pressed Notch，PN）和人字形缺口（Chevron Notch，CN）2種缺口試樣進行試驗，不同缺口DWTT試樣尺寸如圖1所示［8］。壓制V形缺口在YES—2000型數(shù)顯壓力試驗機上壓制，而人字形缺口按照標準尺寸要求在管線切割試驗機上機械加工而成。試樣沿鋼管橫向取樣，縱軸平行于鋼管圓周方向，缺口沿板厚方向。DWTT試驗按照GB／T 8363—2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法》［8］，在JL－50000型落錘試驗機上進行，試驗溫度范圍為－80～20℃。低溫通過CDW－7054低溫儀進行控制，根據(jù)GB／T 8363—2007按試樣厚度規(guī)定保溫時間（試樣厚度為12.7～25.4mm時，保溫時間不低于25min）。為保證試樣溫度的均勻，配有攪拌裝置。在試驗操作過程中，試樣離開冷卻介質(zhì)至落錘沖擊完成不超過10s。

為進行比較，采用10mm×10mm×55mm的夏比V形缺口試樣進行了CVN試驗。試樣取自板厚中部（沿板厚方向兩側(cè)加工），沿板材橫向取樣，缺口沿板厚方向。沖擊試驗在－80℃、－60℃、－40℃、－20℃、0℃和20℃系列溫度下按照 GB／T 229—2007試驗標準，在JBC－500電子測力沖擊試驗機上完成。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 吸收能和斷口剪切面積

X100鋼管材的2種缺口試樣在不同溫度下的DWTT吸收能變化曲線如圖2所示。

圖2 X100鋼管材在不同溫度下的DWTT吸收能變化曲線圖

由圖2可以獲得上階能（Upper Shelf Energy，USE），50% 斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度 （50%Fracture Appearance Transition Temperature，50%FATT），85%斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度（85%Fracture Appearance Transition Temperature，85%FATT）以及能量轉(zhuǎn)變溫度（Nil Ductility Temperature，NDT；Fracture Temperature Plastic，F(xiàn)TP；Fracture Temperature Elastic，F(xiàn)TE），分別見表3。

表3 X100鋼管的DWTT性能表

上述DWTT試驗結(jié)果表明，試樣的缺口類型影響到材料韌性的表征。由于壓制V形缺口相對人字形缺口有較小的幾何約束，因而壓制V形缺口的總吸收能高于人字形缺口，壓制V形缺口的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于人字形缺口。

圖3顯示了X100鋼管母材在－20℃下的DWTT斷口形貌。所有的DWTT試樣均以解理起裂方式起裂于缺口根部。壓制V形缺口中斷口分離出現(xiàn)于韌帶中部靠缺口處，而人字形缺口中斷口分離出現(xiàn)于韌帶中部靠錘擊側(cè)處。對比2種不同缺口的斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，人字形缺口中的解理起裂斷面大于壓制V形缺口試樣。由于缺口處較高的起裂能和錘擊側(cè)較高的應變硬化行為導致逆向斷裂解理面在壓制V形缺口中比人字形缺口顯著，錘擊側(cè)塑性變形較人字形缺口明顯，出現(xiàn)較大的錘擊側(cè)展寬和顯著的剪切唇。錘擊側(cè)逆向解理斷面在試驗溫度為0℃時出現(xiàn)，并隨著試驗溫度的降低而增加。當試驗溫度低于－60℃時，裂紋迅速擴展，逆向解理斷面與起始解理斷面匯集，融合為一體，在此條件下兩者難以辨識。

圖3 DWTT試樣在－20℃時的斷口形貌圖

不同缺口的DWTT總吸收能隨剪切面積的變化關系如圖4所示。由圖4可見，X100鋼管的DWTT總吸收能都隨著剪切面積的增大呈上升趨勢，并且當剪切面積高于85%時，DWTT總吸收能迅速增大。由于壓制V形缺口DWTT試樣在缺口根部應力集中程度較人字形缺口的小，因此隨著塑性剪切面的增大，壓制V形缺口DWTT總吸收能比人字形缺口增長更快。

2.2 總吸收能、起裂能和擴展能

圖4 DWTT總吸收能與剪切面積的關系圖

圖5 DWTT載荷—位移曲線圖（試驗溫度為20℃）

通過落錘試驗機自動控制落錘能量測試系統(tǒng)，可以獲得DWTT試驗過程的載荷—位移曲線（F－S）（圖5）。通過F－S曲線可以計算DWTT起裂能和擴展能具體數(shù)值。一般認為F－S曲線與位移軸（即橫軸）構(gòu)成的區(qū)域面積為DWTT總吸收能數(shù)值。以F－S曲線峰值點為界，峰前曲線與位移軸構(gòu)成的區(qū)域面積被視為DWTT起裂能數(shù)值，而DWTT擴展能數(shù)值可通過峰后區(qū)域面積來表征。

圖6分別顯示了2種缺口試樣DWTT總吸收能、起裂能及擴展能隨溫度的變化曲線。由圖6可知，2種不同缺口試樣的能量變化趨勢相近，隨試驗溫度的降低，總吸收能和擴展能明顯降低，起裂能則相對穩(wěn)定。同時，擴展能與總吸收能之間存在一個較為穩(wěn)定的平移臺階，此臺階的能量數(shù)值與起裂能基本一致（圖6－a）。

由此表明，起裂階段裂紋萌生所需能量是一個對溫度不敏感的參數(shù)，而總吸收能隨溫度的變化主要源于裂紋擴展能量的變化，可見裂紋擴展能對溫度變化較為敏感。此外，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上溫區(qū)，裂紋擴展需要的能量比起裂時大得多；而在低溫時，起裂能與總吸收能相近，直至擴展能數(shù)值接近于零（圖6－b）。由此可見低溫時裂紋一旦萌生便可迅速擴展，形成低溫脆性斷裂特征［9］。

圖6 2種缺口試樣在不同溫度下的DWTT能量變化圖

表4 試驗鋼DWTT起裂能、擴展能與總吸收能的比值表

采用數(shù)值分析軟件對加載位移曲線進行擬合并計算，可獲得X100焊管不同缺口DWTT起裂能（Ei）和擴展能（Ep）與總吸收能（Et）的比例關系（表4）。由計算結(jié)果可見，2種缺口DWTT裂紋擴展能都高于起裂能。并且壓制V形缺口的Ei／Et可高達0.44，而人字形缺口中Ei／Et僅為0.13～0.33。由此表明，由于人字形缺口處在較高的應力集中狀態(tài)，在較小的載荷下便可快速起裂，從而致使DWTT的Ei／Et較小，而Ep／Et較大。因此人字形DWTT缺口試樣或準靜態(tài)預制裂紋DWTT試驗更好地反映了管線鋼管的動態(tài)裂紋擴展特性，更加接近實際鋼動態(tài)裂紋擴展過程。

2.3 能量密度

材料在斷裂過程中單位面積上的吸收能稱為能量密度。圖7為X100鋼管DWTT能量密度以及CVN能量密度隨溫度的變化曲線。

對比不同缺口的DWTT和CVN能量密度上平臺（能量密度曲線的高能平臺），可以發(fā)現(xiàn)，母材中能量密度上平臺以壓制V形缺口DWTT試驗、人字形缺口DWTT試驗和CVN試驗依次減小。相對試樣的厚度而言，CVN試樣有較大的缺口尺寸，因此CVN試樣比DWTT試樣塑性變形量相對較小，單位面積的吸收能較小。DWTT試驗人字形缺口會增大缺口應力集中程度，導致總吸收能下降，對應能量密度上平臺也低于壓制V形缺口。此外，DWTT試樣厚度大于CVN試樣，造成裂紋前沿較高的應力場約束狀態(tài)，因此CVN試驗韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于DWTT試驗［10－11］。

X100DWTT起裂能量密度和擴展能量密度與總能量密度存在一定的比例關系。X100DWTT起裂能量密度和擴展能量密度與總吸收能能量密度之比分別為0.761和0.233。國外也有相關研究結(jié)果，Leis所得DWTT擴展能密度與總吸收能密度之比為0.692［12］，Shin等人所得DWTT擴展能密度與總吸收能密度之比為0.625［13］。Leis和Shin的試驗結(jié)果稍小于本次試驗結(jié)果，可能與所使用的材料有關。前者為低、中強韌管線鋼，本次試驗為高強韌X100管線鋼。

3 結(jié)論

1）DWTT試樣缺口類型影響到管線鋼管韌性的表征。由于壓制V形缺口相對人字形缺口有較小的幾何約束，因而相對人字形缺口試樣而言，壓制V形缺口試樣的總吸收能較高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低，能量密度較高。由于人字形缺口較高的應力集中狀態(tài)而易于起裂，因而相對壓制V形缺口試樣而言，人字形缺口DWTT的擴展能與總吸收能之比較高。

2）DWTT起裂能是一個對溫度變化不敏感的參量，總吸收能和擴展能對溫度較為敏感。

3）DWTT的擴展能量密度高于起裂能量密度，起裂能量密度和擴展能量密度與總能量密度存在線性關系。DWTT起裂能量密度與CVN總能量密度具有線性關系。

4）試樣類型影響到管線鋼管韌性的表征。由于CVN試樣尺寸小，其幾何約束小于DWTT試樣的幾何約束，因而DWTT試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高。

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