張庶鑫，李 娜，藺衛(wèi)平，任繼承

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安700077）

X90管線鋼示波沖擊特征值的研究

張庶鑫，李 娜，藺衛(wèi)平，任繼承

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安700077）

為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)X90管線鋼的韌性，利用示波沖擊試驗(yàn)機(jī)提取了不同溫度下該管線鋼的載荷－位移曲線，研究了其沖擊韌性隨溫度的變化情況。結(jié)果表明，在20℃和0℃時(shí)X90管線鋼示波沖擊曲線與GB/T 19748中的F型曲線相似，為韌性斷口；－20℃以下時(shí)，可以看到明顯的不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展特征；隨著溫度的降低，X90管線鋼示波沖擊的最大力基本不變，而屈服力升高；裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區(qū)形成能基本不隨溫度變化而變化，僅當(dāng)達(dá)到－100℃時(shí)，裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區(qū)形成能急劇降低。穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能隨著溫度的降低而降低。

焊管；X90管線鋼；沖擊韌性；示波沖擊；剪切斷面率

Abstract:In order to more accurately evaluate the toughness of X90 pipeline steel,the load-displacement curve was extracted under different temperatures by using instrumented impact testing machine,and the impact toughness variation situation along with temperature was studied.The results showed that the instrumented impact curve of X90 pipeline steel at 20℃and 0℃was similar to the GB/T 19748 F type,was ductile fracture;-20℃below,obvious unstable crack propagation characteristics can be seen;with the reduction of temperature,the maximum force of X90 pipeline steel instrumented impact basically unchanged,while the yield force increased;crack formation energy,shear lip and secondary fiber area formation energy almost unchanged as the temperature changing;only when the temperature reached-100℃,crack formation energy,shear lip and secondary fiber area formation energy decreased sharply.Stable propagation crack energy decreased with the temperature decreasing.

Key words:welded pipe;X90 pipeline steel;impact toughness;instrumented impact;shear fracture area rate

隨著石油天然氣需求量的增加，油氣輸送工作量也隨之增加。為了提高油氣輸送效率，輸送管道的直徑和輸送壓力不斷提高，管材的強(qiáng)度和韌性也不斷提高[1-2]。在管道的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)過程中，夏比沖擊試驗(yàn)作為表征管材韌性最方便的試驗(yàn)方法，得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的沖擊試驗(yàn)只能得到材料的總韌性值，對(duì)于不同的管材，可能總韌性值A(chǔ)k相同，但其裂紋啟裂功和裂紋擴(kuò)展功所占比例不同，韌性也不同[3-4]。示波沖擊試驗(yàn)機(jī)可以通過測(cè)量試樣在斷裂過程中的載荷、位移、吸收功能量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)記錄裂紋萌生、擴(kuò)展至失穩(wěn)的整個(gè)過程。因此，使用示波沖擊試驗(yàn)機(jī)可以更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)材料的韌性。本研究利用示波沖擊試驗(yàn)機(jī)分析了X90管線鋼在不同溫度下沖擊曲線的特征值，驗(yàn)證了GB/T 19748附錄中給出的剪切斷面率計(jì)算公式的有效性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用符合API SPEC 5L要求的X90管線鋼，其主要化學(xué)成分見表1，材料的屈服強(qiáng)度為690 MPa，抗拉強(qiáng)度為795 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為35%。

表1 試驗(yàn)用X90管線鋼主要化學(xué)成分 %

用MEF4M金相顯微鏡對(duì)管材進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，X90管線鋼的組織為粒狀貝氏體，彌散分布M/A島，晶粒度為11.6級(jí)。由于細(xì)小的粒狀貝氏體組織具有小的有效晶粒尺寸，能有效阻止裂紋的擴(kuò)展。同時(shí)彌散分布的M/A島在基體中是以不連續(xù)的方式分布的，島與島之間有一定的距離，中間具有良好韌性的板條鐵素體。板條鐵素體使得裂紋更不易擴(kuò)展，所以不連續(xù)分布的M/A島避免了裂紋連續(xù)擴(kuò)展通道的形成。因此，M/A島的存在，在增加鋼的強(qiáng)度的同時(shí)，并未明顯降低鋼的韌性和塑性。此種組織決定了其具有良好的低溫沖擊韌性[5-6]。

圖1 X90管線鋼的金相組織

1.2 試驗(yàn)方法

沖擊試樣在距焊縫90°管體處橫向截取，缺口垂直于厚度方向，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗(yàn)參照GB/T 19748—2005標(biāo)準(zhǔn)，使用MPM9700示波沖擊試驗(yàn)機(jī)在20℃、0℃、－20℃、 －40℃、 －60℃、 －80℃和－100℃不同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行了試驗(yàn)。

2 示波沖擊曲線

根據(jù)GB/T 19748—2005標(biāo)準(zhǔn)，將示波沖擊曲線分為A－F六種類型，典型的金屬?zèng)_擊曲線為E型和F型。F型曲線通常為金屬室溫下發(fā)生的沖擊斷裂，只發(fā)生穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展；E型曲線為金屬在低溫環(huán)境下發(fā)生的沖擊斷裂，不僅包含穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展，還存在不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展，如圖2所示。在圖2所示曲線上，F(xiàn)gy為屈服力，F(xiàn)gy之前為彈性階段。Fgy之后，由于缺口根部的應(yīng)力集中，在一定的沖擊載荷和彎曲撓度下，裂紋開始萌生，在最大力Fm時(shí)，裂紋達(dá)到臨界尺寸。接下來，裂紋在小載荷下快速擴(kuò)展，此時(shí)斷口為纖維狀韌性區(qū)。Fiu為不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力，此時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，形成放射狀脆斷區(qū)，F(xiàn)a為不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力。相對(duì)應(yīng)的，達(dá)到Fm時(shí)，所需要的能量為裂紋形成能Ei，F(xiàn)m到Fiu為穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能Ep1，F(xiàn)a后為剪切唇和二次纖維區(qū)的形成能Ep2。因此傳統(tǒng)的沖擊總能量Et，并不能直接反應(yīng)材料的韌性強(qiáng)弱，可使用Ep=Ep1+Ep2來表征材料的韌性。

圖2 典型金屬低溫示波沖擊曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同試驗(yàn)溫度下，X90管線鋼示波沖擊載荷－位移曲線如圖3所示[7]。從圖3可以看出，在20℃和0℃時(shí)管線鋼沖擊曲線與GB/T 19748中的F型曲線相似，為韌性斷口。溫度在－20℃以下，可以看到明顯的不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展特征。對(duì)比－20℃、－40℃、－60℃、－80℃和－100℃溫度下的沖擊試驗(yàn) 曲線，可以看到溫度越低，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)的越早。因此溫度越低，脆性面積更大。對(duì)不同溫度下的示波沖擊曲線特征值進(jìn)行提取，結(jié)果見表3。

圖3 不同溫度下X90管線鋼示波沖擊載荷－位移曲線

屈服力與最大力隨溫度變化曲線如圖4所示。由圖4可見，其中隨著溫度的降低，沖擊的最大力基本不變，而屈服力升高。溫度越低，金屬原子間結(jié)合力越大，因此屈服力越大。最大力基本不變表明，當(dāng)臨界裂紋形成，裂紋開始穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)的力值不隨溫度變化而變化。

裂紋形成能、穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能、剪切唇及二次纖維區(qū)形成能隨溫度變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，裂紋形成能、剪切唇及二次纖維區(qū)形成能基本不隨溫度變化而變化，僅當(dāng)達(dá)到-100℃時(shí)，裂紋形成能、剪切唇及二次纖維區(qū)形成能急劇降低。穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能隨著溫度的降低而降低。

表3 不同溫度下X90管線鋼示波沖擊特征值

圖4 屈服力與最大力隨溫度變化曲線

圖5 裂紋形成能、穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能、剪切唇及二次纖維區(qū)形成能隨溫度變化曲線

沖擊功和剪切面積隨溫度變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，沖擊功和剪切面積變化趨勢(shì)基本一致。X90管線鋼具有良好的室溫和低溫沖擊韌性。室溫沖擊吸收功平均值為330 J，韌脆轉(zhuǎn)變曲線具有明顯的上平臺(tái)。以剪切面積達(dá)到50%來判定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，X90管線鋼母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-80℃。

圖6 沖擊功、剪切面積隨溫度變化曲線圖

一般情況下，根據(jù)GB/T 19748附錄C[8]中的評(píng)定辦法來計(jì)算剪切面積，由于斷口評(píng)定具有很高的主觀性，且斷口解理斷裂部分不是規(guī)則圖形，因此給剪切面積評(píng)定帶來一定的困難。GB/T 19748附錄C給出了通過示波沖擊特征值計(jì)算剪切面積的經(jīng)驗(yàn)公式（1）～（4）[8]。

式中：Fiu—不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力；

Fa—不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力；

Fm—最大力；

Fgy—屈服力；

K—系數(shù)，取1/2。

公式（1）～（4）分別對(duì)應(yīng)不同韌性的鋼材，圖7為公式（1）～（4）計(jì)算所得與實(shí)際評(píng)定得到的剪切面積的對(duì)比。從圖7中可以看出，公式（1）～（4）計(jì)算值在低溫區(qū)域普遍偏高，不能反映實(shí)際情況[9]。圖6中，可以看到剪切面積與沖擊功曲線變化趨勢(shì)近似，可以得到剪切面積與沖擊功的關(guān)系公式為

圖7 計(jì)算所得與實(shí)際評(píng)定得到的剪切面積的對(duì)比

4 結(jié) 論

（1）在20℃和0℃時(shí)X90管線鋼示波沖擊曲線與GB/T 19748中的F型曲線相似，為韌性斷口。溫度在-20℃以下，可以看到明顯的不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展特征。

（2）隨著溫度的降低，X90管線鋼示波沖擊的最大力基本不變，而屈服力升高。裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區(qū)形成能基本不隨溫度變化而變化，僅當(dāng)達(dá)到-100℃時(shí)，裂紋形成能，剪切唇及二次纖維區(qū)形成能急劇降低。穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能隨著溫度的降低而降低。

（3）GB/T 19748附錄C給出的通過示波沖擊特征值計(jì)算剪切面積的經(jīng)驗(yàn)公式（1）～（4）與實(shí)際評(píng)定得到的剪切面積相差較大，剪切面積與沖擊功曲線變化趨勢(shì)近似，剪切面積與沖擊功的關(guān)系公式SA=Et/3.3。

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Instrumented Impact Characteristic Value Research on X90 Pipeline Steel

ZHANG Shuxin,LI Na,LIN Weiping,REN Jicheng
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 700077,China）

TG142.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.008

2016-11-10

編輯：汪翰云

張庶鑫（1988—），男，山西人，工程師，碩士，主要從事石油管材質(zhì)量監(jiān)督以及研究工作。