錘刃尺寸對(duì)管線鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果影響的探討與分析

藺衛(wèi)平，仝 珂，劉養(yǎng)勤

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

近幾年，油氣管道特別是天然氣管道發(fā)展的趨勢(shì)是大口徑、高壓力、高鋼級(jí)。管線鋼在提高管道輸送能力的同時(shí)，必須有足夠高的韌性，以保證管道運(yùn)行的安全性。通常以夏比沖擊試驗(yàn)、DWTT和斷裂韌性試驗(yàn)評(píng)價(jià)管線鋼的韌性。夏比沖擊試驗(yàn)由于其試樣加工簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)敏感的特點(diǎn)，在管線鋼領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為評(píng)價(jià)管材性能的重要手段[1]。

在國標(biāo)的沖擊試驗(yàn)方法中，試驗(yàn)機(jī)擺錘錘刃半徑有2種(2 mm和8 mm)。在ASTM A370和ASTM E23中，擺錘錘刃半徑只有8 mm。這就造成試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，試驗(yàn)結(jié)果不能直接進(jìn)行比較。有許多文獻(xiàn)對(duì)不同沖擊錘刃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，研究的材料包括壓力容器用鋼、汽輪機(jī)中高壓轉(zhuǎn)子用鋼、核電筒體用鋼、加氫反應(yīng)器用鋼，油套管用鋼以及管線鋼等，沖擊能量從十幾焦耳到四百多焦耳[2-9]。基本都認(rèn)為在較高的沖擊能量范圍內(nèi)，采用8 mm 擺錘錘刃比采用2 mm錘刃得到的吸收能量高；能量較低時(shí)，兩者之間的差值變小。筆者以前的一篇文章[10]也持這種觀點(diǎn)。但是最近在一次實(shí)驗(yàn)中筆者發(fā)現(xiàn)了不同的結(jié)果，在此和大家探討一下。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)采用X60和X80管線鋼兩種材料。X60是Φ914 mm×22 mm的直縫埋弧焊管，X80是1 550 mm×21.4 mm的熱軋板卷。2種材料的化學(xué)成分和拉伸性能見表1、表2，顯微組織如圖1所示。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 兩種管線鋼的顯微組織

2種材料橫向取夏比V型缺口沖擊試樣，規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗(yàn)機(jī)為ZBC2752-B型，配有錘刃半徑是2 mm和8 mm沖擊錘頭。在0、-20、-40、-60、-80和-100 ℃進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。顯微組織用MEF4M金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析討論

2.1 管線鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)X60和X80管線鋼沖擊試樣采用2 mm和8 mm沖擊錘刃進(jìn)行系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)。每組3個(gè)試樣，算出其3個(gè)沖擊能量的平均值，繪出曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同尺寸錘刃對(duì)沖擊能量的影響(X60)

圖3 不同尺寸錘刃對(duì)沖擊能量的影響(X80)

2.2 分析與討論

由圖2、圖3可以看出，X60管線鋼的韌性很好，沖擊吸收能量最高達(dá)到了450 J左右。沖擊吸收能量在300 J以上時(shí)，采用 8 mm 擺錘錘刃比采用 2 mm 錘刃得到的沖擊能量高；X80管線鋼的韌性不是特別好，沖擊吸收能量最高只有290 J左右。采用 8 mm 擺錘錘刃比采用 2 mm 錘刃得到的沖擊能量低。

對(duì)2種材料在室溫下進(jìn)行示波沖擊試驗(yàn)，研究裂紋在起裂和擴(kuò)展過程中力和位移的變化情況，示波沖擊曲線如圖4、圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，X80示波沖擊曲線的最大力比X60的高。過了最大力后，裂紋開始擴(kuò)展。X60試樣的裂紋在擴(kuò)展過程中受到的阻力相對(duì)比較大，裂紋擴(kuò)展緩慢，沖擊吸收能量高。而X80試樣的裂紋在擴(kuò)展時(shí)受到的阻力較小，擴(kuò)展較快，沖擊吸收能量低。2種材料的裂紋都是穩(wěn)定擴(kuò)展，沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)展，因此斷口沒有脆性區(qū)，如圖6、圖7所示。

圖4 X60試樣示波沖擊曲線

圖5 X80試樣示波沖擊曲線

圖6 X60沖擊試樣斷口

圖7 X80沖擊試樣斷口

對(duì)2種材料的顯微組織進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，X60的顯微組織主要為多邊形鐵素體，彌散分布有少量的粒狀貝氏體和珠光體。因此材料具有良好的韌性，沖擊吸收能量最高達(dá)到了450 J左右。X80的顯微組織以粒狀貝氏體為主，有少量的M-A和多邊形鐵素體。粒狀貝氏體的尺寸大小不一，有的尺寸甚至達(dá)到了20 μm，分布也不均勻，如圖8所示。組織中的M-A也沒有彌散均勻分布，而是聚集在一起，這些都降低了材料的韌性，使得沖擊能量明顯下降，沖擊吸收能量最高只有290 J左右。

圖8 X80管線鋼顯微組織的局部放大圖

沖擊試樣在打擊過程中吸收的能量是由試樣發(fā)生彈性變形時(shí)吸收的彈性變形能量、彈性變形后裂紋產(chǎn)生前的塑性變形階段吸收的塑性變形能量及裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展至斷裂階段吸收的撕裂變形能量3部分組成[2]。對(duì)材料韌性好，沖擊吸收能量高的試樣，擺錘打擊試樣時(shí)，試樣首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)，試樣產(chǎn)生沿?zé)o約束寬度方向的塑性變形。由于8 mm擺錘刀刃比2 mm 擺錘刀刃對(duì)試樣的打擊面積大，因此試樣參與彈性變形和塑性變形的宏觀面積范圍增大，試樣會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)部變形抗力，這就導(dǎo)致采用8 mm 擺錘刀刃比采用2 mm擺錘刀刃獲得的沖擊吸收能量大。隨著試驗(yàn)溫度的降低，材料的韌性減小，擺錘刀刃在試樣上作用面積的大小對(duì)試樣消耗在彈性變形和塑性變形階段能量大小的影響減小，這就導(dǎo)致8 mm擺錘刀刃與2 mm 擺錘刀刃得到的吸收能量的差值逐漸變小。

在沖擊過程中，如果試樣斷為兩截,采用2 mm擺錘刀刃和8 mm 擺錘刀刃獲得的沖擊吸收能量沒有顯著性差異；如果試樣不斷為兩截，8 mm 擺錘刀刃獲得的沖擊吸收能量顯著高于2 mm擺錘刀刃[11]。

對(duì)X60管線鋼，在沖擊吸收能量-溫度曲線的上平臺(tái)區(qū)，采用8 mm 擺錘刀刃獲得的沖擊吸收能量顯著高于采用2 mm 擺錘刀刃獲得的能量。在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)，吸收能量的差值逐漸變小。在下平臺(tái)區(qū)，采用2 mm擺錘刀刃獲得的沖擊吸收能量稍高于8 mm 擺錘刀刃。對(duì)X80管線鋼，材料韌性較低，沖擊吸收能量最高只有290 J左右，和X60管線鋼下平臺(tái)區(qū)的能量相當(dāng)，而且試樣全都斷為兩截。因此，采用2 mm擺錘刀刃獲得的沖擊吸收能量和8 mm 擺錘刀刃的能量沒有顯著性差異，只是稍高于8 mm 擺錘刀刃的能量。

3 結(jié) 論

1)對(duì)管線鋼沖擊試樣，8 mm 擺錘錘刃比 2 mm 擺錘錘刃測(cè)得的吸收能量值高還是低，沒有一定的結(jié)論，具體要看材料本身的韌性情況。

2)對(duì)于本文中的材料，沖擊吸收能量在300 J以上時(shí)，8 mm 擺錘錘刃比2 mm 擺錘錘刃得到的吸收能量值高；沖擊能量在300 J以下時(shí)，8 mm 擺錘錘刃比2 mm 擺錘錘刃得到的沖擊吸收能量低。