X70厚壁海管DWTT減薄試樣與全壁厚試樣的對(duì)比分析

王長安 ， 楊專釗 ， 王高峰 ，聶向暉 ， 余國民 ， 楊昆岳

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

X70厚壁海管DWTT減薄試樣與全壁厚試樣的對(duì)比分析

王長安1，2， 楊專釗1，2， 王高峰1，2，聶向暉1，2， 余國民1，2， 楊昆岳1，2

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

使用常規(guī)落錘試驗(yàn)機(jī)與大能量擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)兩種機(jī)型，對(duì)φ762mm×31.8mm X70MO直縫埋弧焊厚壁海管進(jìn)行了DWTT減薄試樣（單面減薄及雙面減?。┡c全壁厚試樣系列溫度試驗(yàn)，利用Boltzmann函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得出了試驗(yàn)溫度與斷口剪切面積的關(guān)系曲線，確定了減薄試樣與全壁厚試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果驗(yàn)證了厚壁鋼管使用減薄試樣時(shí)，應(yīng)降低相應(yīng)的試驗(yàn)溫度；同時(shí)得出在相同試驗(yàn)溫度下，單面減薄試樣的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于雙面減薄試樣（壁厚中心試樣）等結(jié)論，并提出了相關(guān)建議，希望對(duì)以后的試驗(yàn)研究有借鑒作用。

落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）；剪切面積；單面減薄試樣；雙面減薄試樣；韌脆轉(zhuǎn)變溫度

0 前 言

在管線鋼領(lǐng)域中，通常以夏比沖擊試驗(yàn)和落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）進(jìn)行韌性測(cè)試和評(píng)價(jià)，雖然夏比沖擊試驗(yàn)簡單易行，在管線鋼制造中得到了廣泛應(yīng)用，但不能把沖擊所測(cè)得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等同于管線鋼管實(shí)物的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。研究表明，韌脆轉(zhuǎn)變溫度受試樣形狀、尺寸、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度等多方面因素的作用，由于夏比沖擊試驗(yàn)尺寸小，其幾何約束遠(yuǎn)小于實(shí)際構(gòu)件，因而不能反映構(gòu)件的真實(shí)情況，其測(cè)定值過高地估計(jì)了構(gòu)件的實(shí)際韌性。由于DWTT所獲得的結(jié)果與全尺寸氣爆試驗(yàn)結(jié)果相吻合[1]，因此，可使用DWTT對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)進(jìn)行延伸和擴(kuò)展。

目前，國內(nèi)管線鋼管生產(chǎn)中DWTT常用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 8363—2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗(yàn)方法》，SY/T 6476—2007《輸送鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法》和API RP 5L3—1996《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦作法》。對(duì)于DWTT，上述標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定：對(duì)于壁厚大于19.0mm的鋼管可采用規(guī)定原壁厚試樣或是減薄至19.0mm的試樣，減薄試樣可以從試樣的1個(gè)或2個(gè)表面減薄至19.0mm[2-4]。而DNV-OS-F101—2007《Submarine Pipeline Systems》中要求，DWTT盡量使用全壁厚試樣，若要使用減薄試樣需征得客戶的同意，且減薄試樣必須雙面減薄，雙面減薄量應(yīng)相同[5]。

本研究就φ762mm×31.8mm X70MO直縫埋弧焊厚壁海管DWTT減薄試樣與全壁厚試樣進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比與分析。通過常規(guī)落錘試驗(yàn)機(jī)與大能量擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)兩種試驗(yàn)機(jī)型，建立DWTT斷口形貌與溫度關(guān)系曲線，確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，研究減薄試樣與全壁厚試樣斷裂韌性的差別。

1 試驗(yàn)方法

本研究所用試樣共4組。3組減薄試樣，其中2組為單面減薄，分別是從鋼管外表面與鋼管內(nèi)表面減薄，另1組為雙面減薄，減薄試樣尺寸為305mm×76.2mm×19mm；最后1組試樣為全壁厚試樣，尺寸為305mm×76.2mm×31.8mm。試樣缺口形式為壓制V形缺口，缺口角度為45°±2°，缺口深度為（5.1±0.51）mm；試驗(yàn)溫度為 20℃，0℃，－10℃，－30℃，－50℃及－70℃，試驗(yàn)采用API RP 5L3標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)分別使用JL－50000落錘試驗(yàn)機(jī)與HIT 50KP大能量擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（以下分別簡稱落錘與擺錘），兩種試驗(yàn)機(jī)最大功率為50 000 J。為了便于描述，對(duì)每組試樣進(jìn)行編號(hào)，具體情況見表1。

表1 試樣信息

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

用落錘試驗(yàn)及擺錘試驗(yàn)分別對(duì)減薄試樣和全壁厚試樣在規(guī)定溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，然后對(duì)試樣斷口按照API RP 5L3進(jìn)行評(píng)判，每個(gè)溫度做兩個(gè)試樣，取其平均值，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，兩種試驗(yàn)設(shè)備下試樣斷口形貌如圖1所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 兩種試驗(yàn)下試樣斷口形貌（－50℃，內(nèi)外減?。?/p>

2.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

筆者利用韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，但是金屬材料韌脆性轉(zhuǎn)變溫度擬合曲線模型的選擇應(yīng)符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)三階段的分布特征，且擬合度要高，模型各參數(shù)的物理意義要明確。在這方面，國內(nèi)外科技工作者作了大量的研究比對(duì)工作，結(jié)果認(rèn)為雙曲正切函數(shù)與Boltzmann函數(shù)兩種數(shù)學(xué)模型是同一模型同一函數(shù)的不同表達(dá)式[6]，都可以作為材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度擬合曲線的模型。因此筆者利用Origin軟件中的Boltzmann函數(shù)對(duì)表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖2和圖3所示。

圖2 落錘試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖3 擺錘試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變曲線

在實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的是50%剪切斷口所對(duì)應(yīng)的溫度，稱為50%FATT[1]，即韌脆轉(zhuǎn)變溫度。由圖2可以看出，若由落錘試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)來確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，該材質(zhì)的50%FATT溫度為－33～－44℃，其中雙面減薄試樣50%FATT約為－44℃；從鋼管內(nèi)表面減薄試樣約為－41℃；外表面減薄試樣大約為－34℃；全壁厚試樣大約為－33℃?？傮w來說，全壁厚試樣的50%FATT大于減薄試樣的50%FATT。

由圖3可以看出，若由擺錘試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)來確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，該材質(zhì)的50%FATT溫度為－24～－39℃，其中從鋼管內(nèi)表面減薄試樣的50%FATT約為－39℃；從鋼管外表面減薄試樣約為－32℃；雙面減薄試樣約為－30℃；全壁厚試樣約為－24℃。全壁厚試樣的50%FATT大于減薄試樣的50%FATT。

由于長輸管線服役的特殊性和要求的嚴(yán)格性，也經(jīng)常采用80%或85%剪切斷口所對(duì)應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，記為80%FATT或85%FATT[1]。 在 DNV－OS－F101—2007 中要求每組試驗(yàn)的平均剪切面積≥85%[5]。由圖2和圖3可以得出該鋼管的85%FATT，其結(jié)果見表3。

表3 85%剪切斷口對(duì)應(yīng)的溫度

綜上所述，無論是使用落錘試驗(yàn)機(jī)還是使用大能量擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，所得到的該材料全壁厚試樣50%FATT（85%FATT）總是大于減薄試樣。這是因?yàn)楫?dāng)試樣變厚時(shí)，在外力作用下，沿厚度方向的收縮和變形所受到的約束會(huì)增加，沖擊時(shí)產(chǎn)生較大形變硬化。這就使試樣斷口的脆性區(qū)增加，剪切面積下降，且結(jié)果分散性增加[7-8]。同時(shí)，這說明在進(jìn)行大壁厚海管DWTT試驗(yàn)時(shí)，若是使用減薄試樣，則應(yīng)降低相應(yīng)的試驗(yàn)溫度。這驗(yàn)證了API RP 5L3等標(biāo)準(zhǔn)要求，即 “若采用減薄試樣，則實(shí)際試驗(yàn)溫度應(yīng)低于規(guī)定試驗(yàn)溫度”。對(duì)于該規(guī)格鋼管，若是使用減薄試樣，按照API RP 5L3等標(biāo)準(zhǔn)要求，其溫度應(yīng)該降低17℃。由圖2與圖3可以看出，全壁厚試樣與減薄試樣85%FATT的平均溫差分別約為25℃（落錘）與17.7℃（擺錘）。

圖4 兩種試驗(yàn)結(jié)果比較

此外，API RP 5L3等標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于減薄試樣，可對(duì)試樣的1個(gè)或2個(gè)表面進(jìn)行機(jī)械加工。相關(guān)文獻(xiàn)指出，單面減薄試樣韌性優(yōu)于雙面減薄試樣韌性。這是因?yàn)椴牧显诤穸确较蛏暇哂行阅懿痪鶆蛐裕摪逶跓釞C(jī)械控軋工藝(TMCP)生產(chǎn)過程中，由于鋼錠邊部冷卻速度較快，此處材料晶粒較細(xì)，軋制得到的鋼板表面晶粒較細(xì)，材料韌性也較好，而相應(yīng)于鋼錠中心由于是偏析雜質(zhì)富集區(qū)，晶體顆粒粗大，軋制獲得的鋼板中部韌性也較差。這樣，當(dāng)采用減薄試樣進(jìn)行DWTT時(shí)，由于單面減薄試樣保留了一側(cè)韌性較好的部分，雙面減薄試樣將兩側(cè)韌性較好部分均進(jìn)行去除，而保留中間韌性較差部分，所以單面減薄試樣測(cè)得的剪切面積好于雙面減薄試樣[9-10]。就本次兩種試驗(yàn)方法來看，僅擺錘試驗(yàn)表現(xiàn)出這樣的規(guī)律，這可能與影響DWTT評(píng)定的其他因素有關(guān)，如斷口剪切面積評(píng)判方法、試驗(yàn)設(shè)備及缺口形式等。

2.3 兩種試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)兩種試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示。由圖4可見，兩種試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果中，單面減薄試樣的50%FATT（85%FATT）較為接近，而雙面減薄及全壁厚試樣的50%FATT（85%FATT）較大。此外，落錘試驗(yàn)機(jī)所得結(jié)果的韌脆轉(zhuǎn)變曲線總體上靠左，既落錘試驗(yàn)機(jī)與擺錘試驗(yàn)機(jī)在相同的試驗(yàn)溫度下，落錘試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)剪切面積較大。由此可知，落錘試驗(yàn)機(jī)所確定的50%FATT（85%FATT）總體上較低。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)槁溴N試驗(yàn)與擺錘試驗(yàn)在沖斷試樣的瞬間，錘頭與試樣之間的接觸方式不同，因而導(dǎo)致試樣的受力狀態(tài)不同，最后表現(xiàn)出來的剪切面積有所差異。

3 結(jié)論與建議

（1）在相同試驗(yàn)溫度下，減薄試樣的DWTT結(jié)果優(yōu)于全壁厚試樣的試驗(yàn)結(jié)果，即厚壁鋼管（＞19mm）在進(jìn)行DWTT試驗(yàn)過程中，試樣需要減薄時(shí)，應(yīng)降低相應(yīng)的試驗(yàn)溫度，該結(jié)論驗(yàn)證了API RP 5L3等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減薄試樣試驗(yàn)溫度的要求；

（2）雖然本次擺錘試驗(yàn)減薄試樣相對(duì)全壁厚試樣平均下降溫度與標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但是單組試驗(yàn)以及落錘試驗(yàn)的下降溫度與標(biāo)準(zhǔn)還有差距，減薄試樣溫度的降幅還需進(jìn)一步深入研究；

（3）本次擺錘試驗(yàn)中，內(nèi)、外單面減薄試樣試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于雙面減薄試樣（壁厚中心試樣）；

（4）本研究中，落錘試驗(yàn)機(jī)與擺錘試驗(yàn)機(jī)在相同的試驗(yàn)溫度下，落錘試驗(yàn)機(jī)的剪切面積較大；

（5）對(duì)于厚壁海管，在進(jìn)行DWTT時(shí)，如果設(shè)備能力滿足要求，建議使用全壁厚試樣進(jìn)行試驗(yàn)，否則嚴(yán)格按照DNV－OS－F101要求，在客戶允許下使用雙面減薄試樣。

［1］高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2012.

［2］GB/T 8363—2007,鐵素體鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法[S].

［3］SY/T 6476—2007,輸送鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法[S].

［4］API RP 5L3—1996,管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)推薦作法(第 3版)[S].

［5］DNV-OS-F101—2007， Submarine Pipeline Systems[S].

［6］羅曉蓉，陳晨楓.基于Origin軟件正確評(píng)定韌脆性轉(zhuǎn)變溫度[J].物理測(cè)試， 2010， 28（02）： 39－43.

［7］何小東,李愛萍,楊肅，等.厚壁X70高鋼級(jí)管線鋼落錘撕裂試驗(yàn)斷口分析[J].理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)，2005，41（06）： 286－288.

［8］藺衛(wèi)平，李娜.落錘撕裂試驗(yàn)與大能量擺錘沖擊試驗(yàn)的對(duì)比與分析[J].焊管， 2014， 37（02）:44－47.

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［10］吳金輝，王樹人，楊專釗，等.高鋼級(jí)大壁厚管線鋼管DWTT影響因素探討[J].焊管，2010，33（12）：60－62.

Comparative Analysis on DWTT of Reduced Thickness Specimens and Full Thickness Specimens for X70 Submarine Pipe

WANG Changan1，2,YANG Zhuanzhao1，2,WANG Gaofeng1，2,NIE Xianghui1，2,YU Guomin1，2,YANG Kunyue1，2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710065,China；2.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.,Ltd.,Beijing 100101,China）

The series of temperature tests for DWTT of reduced thickness specimens(single-side thinned and double-side thinned)and full thickness specimens for φ762mm×31.8mm X70MO SAWL pipe were conducted,by adopting conventional DWTT machine and big energy pendulum impact test machine.The experimental data were fitted by Boltzmann function,the relation curve between the temperature and shear fracture area was obtained,the ductile-brittle transition temperature of reduced thickness specimens and full thickness specimens was determined,and carried on contrast analysis.The results validated the heavy wall thickness pipe using reduced thickness specimens should lower the test temperature accordingly;It is concluded that under the same test temperature,the sample test result of single-side thinned specimen is superior than the double-sided thinned specimen(wall thickness center specimen).And some relevant suggestions were put forward,which can provide reference for experimental study in future.

drop weight tear test(DWTT)； shear area； single-side thinned thickness specimens;double-side thinned thickness specimens；ductile-brittle transition temperature

TG115.57

B

1001－3938（2015）04-0062-05

王長安（1966―），注冊(cè)設(shè)備監(jiān)理師，高級(jí)工程師，主要從事油氣輸送管道工程用管材設(shè)備監(jiān)造工作。

2015－01－15

李紅麗