不同缺口類型X100鋼管的韌性特征及斷裂規(guī)律

畢宗岳 張驍勇 李 逵 楊忠文 牛 輝 高惠臨

1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心·寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 2.西安石油大學(xué)

目前管線鋼管多采用夏比V形（Charpy V－type Notch，CVN）沖擊試驗(yàn)進(jìn)行止裂韌性的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)。然而，由于CVN沖擊試樣縮小的尺寸使裂紋未能達(dá)到穩(wěn)定的擴(kuò)展條件，所獲得的能量值包括了大量與斷裂擴(kuò)展無(wú)關(guān)的吸收能，因而CVN沖擊試驗(yàn)值過(guò)高地估計(jì)了實(shí)際鋼管的止裂能力［1－3］。對(duì)于X100高強(qiáng)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(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的正確性。落錘撕裂試驗(yàn)（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(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)新的研究領(lǐng)域［4－7］。

X100是一種具有經(jīng)濟(jì)潛力和市場(chǎng)前景的新型高強(qiáng)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(yù)測(cè)和斷裂控制的問(wèn)題未得到解決，限制了其工程應(yīng)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(jí)X100鋼管的評(píng)價(jià)，目前還未見(jiàn)報(bào)道。為了推動(dòng)X100高強(qiáng)度鋼管在我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管線中的應(yīng)用，以一種X100螺旋埋弧焊管為研究對(duì)象，通過(guò)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(qiáng)度鋼管的韌性預(yù)測(cè)和斷裂控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自X100鋼管螺旋埋弧焊管（ 1219 mm×15.3mm），其化學(xué)成分見(jiàn)表1，常規(guī)力學(xué)性能見(jiàn)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(dá)到高強(qiáng)韌性目標(biāo)，成分設(shè)計(jì)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(dāng)提高以補(bǔ)償碳含量降低而引起的管材強(qiáng)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(guò)相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制改善材料的強(qiáng)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(shí)晶粒長(zhǎng)大，為相變后得到細(xì)小的組織提供有利條件。Mo、Ni等合金元素的適當(dāng)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(jìn)針狀鐵素體的形成，X100母材的基本組織為針狀鐵素體，其實(shí)質(zhì)是粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體或由二者組成的復(fù)相組織［1］。

表1 X100鋼管材的化學(xué)成分表

表2 X100鋼管材的常規(guī)力學(xué)性能表

圖1 DWTT試樣及缺口形狀與尺寸圖

1.2 試驗(yàn)方法

DWTT試驗(yàn)采用305mm×76mm×15.3mm（15.3mm 為實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)機(jī)上壓制，而人字形缺口按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求在管線切割試驗(yàn)機(jī)上機(jī)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(yàn)按照GB／T 8363—2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗(yàn)方法》［8］，在JL－50000型落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度范圍為－80～20℃。低溫通過(guò)CDW－7054低溫儀進(jìn)行控制，根據(jù)GB／T 8363—2007按試樣厚度規(guī)定保溫時(shí)間（試樣厚度為12.7～25.4mm時(shí)，保溫時(shí)間不低于25min）。為保證試樣溫度的均勻，配有攪拌裝置。在試驗(yàn)操作過(guò)程中，試樣離開(kāi)冷卻介質(zhì)至落錘沖擊完成不超過(guò)10s。

為進(jìn)行比較，采用10mm×10mm×55mm的夏比V形缺口試樣進(jìn)行了CVN試驗(yàn)。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(yàn)在－80℃、－60℃、－40℃、－20℃、0℃和20℃系列溫度下按照 GB／T 229—2007試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在JBC－500電子測(cè)力沖擊試驗(yàn)機(jī)上完成。

2 試驗(yàn)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(jiàn)表3。

表3 X100鋼管的DWTT性能表

上述DWTT試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(yīng)變硬化行為導(dǎo)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(yàn)溫度為0℃時(shí)出現(xiàn)，并隨著試驗(yàn)溫度的降低而增加。當(dāng)試驗(yàn)溫度低于－60℃時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)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(shí)。

圖3 DWTT試樣在－20℃時(shí)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(guān)系如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，X100鋼管的DWTT總吸收能都隨著剪切面積的增大呈上升趨勢(shì)，并且當(dāng)剪切面積高于85%時(shí)，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(yīng)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(zhǎng)更快。

2.2 總吸收能、起裂能和擴(kuò)展能

圖4 DWTT總吸收能與剪切面積的關(guān)系圖

圖5 DWTT載荷—位移曲線圖（試驗(yàn)溫度為20℃）

通過(guò)落錘試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)控制落錘能量測(cè)試系統(tǒng)，可以獲得DWTT試驗(yàn)過(guò)程的載荷—位移曲線（F－S）（圖5）。通過(guò)F－S曲線可以計(jì)算DWTT起裂能和擴(kuò)展能具體數(shù)值。一般認(rèn)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(diǎn)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(kuò)展能數(shù)值可通過(guò)峰后區(qū)域面積來(lái)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(kuò)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(shì)相近，隨試驗(yàn)溫度的降低，總吸收能和擴(kuò)展能明顯降低，起裂能則相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)，擴(kuò)展能與總吸收能之間存在一個(gè)較為穩(wěn)定的平移臺(tái)階，此臺(tái)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(gè)對(duì)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(kuò)展能量的變化，可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展能對(duì)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(kuò)展需要的能量比起裂時(shí)大得多；而在低溫時(shí)，起裂能與總吸收能相近，直至擴(kuò)展能數(shù)值接近于零（圖6－b）。由此可見(jiàn)低溫時(shí)裂紋一旦萌生便可迅速擴(kuò)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(yàn)鋼DWTT起裂能、擴(kuò)展能與總吸收能的比值表

采用數(shù)值分析軟件對(duì)加載位移曲線進(jìn)行擬合并計(jì)算，可獲得X100焊管不同缺口DWTT起裂能（Ei）和擴(kuò)展能（Ep）與總吸收能（Et）的比例關(guān)系（表4）。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，2種缺口DWTT裂紋擴(kuò)展能都高于起裂能。并且壓制V形缺口的Ei／Et可高達(dá)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(yīng)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(zhǔn)靜態(tài)預(yù)制裂紋DWTT試驗(yàn)更好地反映了管線鋼管的動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展特性，更加接近實(shí)際鋼動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展過(guò)程。

2.3 能量密度

材料在斷裂過(guò)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(duì)比不同缺口的DWTT和CVN能量密度上平臺(tái)（能量密度曲線的高能平臺(tái)），可以發(fā)現(xiàn)，母材中能量密度上平臺(tái)以壓制V形缺口DWTT試驗(yàn)、人字形缺口DWTT試驗(yàn)和CVN試驗(yàn)依次減小。相對(duì)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(duì)較小，單位面積的吸收能較小。DWTT試驗(yàn)人字形缺口會(huì)增大缺口應(yīng)力集中程度，導(dǎo)致總吸收能下降，對(duì)應(yīng)能量密度上平臺(tái)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(yīng)力場(chǎng)約束狀態(tài)，因此CVN試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于DWTT試驗(yàn)［10－11］。

X100DWTT起裂能量密度和擴(kuò)展能量密度與總能量密度存在一定的比例關(guān)系。X100DWTT起裂能量密度和擴(kuò)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(guó)外也有相關(guān)研究結(jié)果，Leis所得DWTT擴(kuò)展能密度與總吸收能密度之比為0.692［12］，Shin等人所得DWTT擴(kuò)展能密度與總吸收能密度之比為0.625［13］。Leis和Shin的試驗(yàn)結(jié)果稍小于本次試驗(yàn)結(jié)果，可能與所使用的材料有關(guān)。前者為低、中強(qiáng)韌管線鋼，本次試驗(yàn)為高強(qiáng)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(duì)人字形缺口有較小的幾何約束，因而相對(duì)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(yīng)力集中狀態(tài)而易于起裂，因而相對(duì)壓制V形缺口試樣而言，人字形缺口DWTT的擴(kuò)展能與總吸收能之比較高。

2）DWTT起裂能是一個(gè)對(duì)溫度變化不敏感的參量，總吸收能和擴(kuò)展能對(duì)溫度較為敏感。

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