管線鋼管沖擊試樣斷口分離評價方法探討*

李為衛

(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065)

管線鋼管沖擊試樣斷口分離評價方法探討*

李為衛

(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065)

針對油氣輸送用管線鋼管在進行力學性能試驗時出現的斷口分離現象，分析了夏比沖擊試樣斷口分離的特征、產生原因及其對管道運行帶來的安全隱患。提出了沖擊試樣斷口分離程度的分級評價方法，以及用于斷口分離評定的上升平臺系數的確定方法。采用這兩種方法對西氣東輸二線試制的L555/X80管材的斷口分離情況進行了分析，對斷口分離嚴重的鋼廠提出了改進意見。并建議將該方法作為補充評定方法納入相關標準。

管線鋼管；斷口分離；分級；評價

1 概 述

斷口分離形貌是控軋板材及其制品在進行力學性能試驗(包括拉伸試驗、沖擊試驗、落錘試驗、COD試驗等)和爆破試驗時在斷口處發現的二次裂紋或分層現象。斷口分離形貌一般垂直于斷口表面、平行于鋼板(板卷)表面。管線鋼夏比沖擊試樣和DWTT試樣典型的斷口分離形貌如圖1所示。油氣輸送管線鋼管韌性試驗斷口經常出現斷口分離現象，國際上進行了大量的研究[1-9]，盡管有不同的看法，但主流觀點認為，斷口分離的出現對鋼管的韌性會帶來不利影響，必須進行限制，但至今仍然沒有提出一套可行的評判方法。

圖1 斷裂韌性試驗中出現的典型斷口分離

天然氣輸送管道隨著壓力、直徑、壁厚和鋼級的提高，安全性要求也越來越高，有必要對斷口分離提出控制措施。筆者從西氣東輸一線開始，就對X70管線鋼管的斷口分離現象、產生原因等進行了大量的研究分析。在西氣東輸二線科研和檢測評價工作中，對500多個φ1 219mm×18.4mm/22mm的L555/X80管線鋼管夏比沖擊試樣斷口進行了研究，分析了大量沖擊試驗斷口分離的特征及其產生原因，提出了沖擊試樣斷口分離的分級方法。采用該方法對西氣東輸二線試制的L555/X80管材斷口分離情況進行了分析?，F對有關工作進行歸納，提出一套夏比沖擊試驗斷口分離評價方法，擬作為L415/X60及其以上鋼級鋼管以及制管用鋼板和板卷沖擊試驗斷口分離的控制方法。建議將該方法納入相關標準，從而促使鋼廠、管廠減少斷口分離，改進產品的韌性性能，保證高壓油氣管道的安全。

2 斷口分離的分級評價方法

管線鋼管夏比沖擊試驗斷口分離有時有1個、有時有2個或多個。1個沖擊出現多個斷口分離時一般表現為1個大的(主)和多個小的(次)。國內外學者對斷口分離程度進行評價時，有的是按數量分級，有的是按總長度分級。如果單獨按數量分級，有些斷口分離數很多但均很小，分離程度很低，但指數很高；如果按總長度分，可以看出分離的嚴重程度，但這只是一個數字，不是分級，不便于進行產品評價。鑒于深度難以測量，因此，一般不考慮分離裂紋深度的影響。筆者在對大量φ1 219mm×18.4mm/22mm L555/X80螺旋和直縫埋弧焊鋼管管體沖擊試樣斷口分析的基礎上，根據分離裂紋的長度和數量提出了夏比沖擊試樣斷口分離程度分級方法。

鋼管在規定溫度下進行夏比沖擊試驗后，對試樣斷口分離裂紋進行測量和分級，具體如下：

(1)首先測量試樣斷口上分離裂紋的長度，并根據長度從大到小排序，賦予其不同的分值m，見表1。分離裂紋一般不規則，測量誤差較大，因此不直接用測量結果，而進行初步分檔，這樣減少了測量誤差而引起的最終結果差異。

表1 不同長度分離裂紋的分值

(2)根據每個斷口上裂紋的長度從大到小進行排序 (No.1，No.2，No.3……)，賦予不同排序的斷口分離裂紋不同的權重系數k，見表2。也就是區分大、小分離對評價結果的影響。大的分離裂紋權重高，對評價結果影響大，小的分離裂紋權重低，對評價結果影響小。

表2 不同排序的分離裂紋的權重系數

(3)將試樣斷口上每個斷口分離裂紋的分值mi與權重系數ki的乘積相加，得到該試樣斷口分離的總分值M，即

式中：n—每個斷口分離裂紋的數量。

(4)根據總分值M將斷口分離程度分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ共4個級別，級別越高，斷口分離程度越嚴重，見表3。

表3 試樣斷口分離程度分級

上述測量和計算方法比較麻煩，在實際試驗過程中也可將具體的試樣斷口與典型斷口分離程度分級進行對比，進行斷口分離程度分級。

為控制管線鋼管產品的質量，減少斷口分離給管道安全帶來的不利影響，產品制造過程應給出具體的鋼管質量評價指標，但直至目前還未看到公開的文獻記載。筆者提出初步的設想供大家探討：對于L485/X70及其以上鋼級的鋼管，在規定試驗溫度(一般-10～0℃)下的夏比沖擊韌性試驗，若是輸送原油、成品油的鋼管，沖擊試驗斷口分離程度評為4級，則沖擊試驗結果不合格；若是輸送天然氣的鋼管，沖擊試驗斷口分離程度評為3級，則沖擊試驗結果不合格。

對于評為不合格的鋼管，由制造商選擇可以對該批鋼管予以報廢，也可以選擇進行系列溫度夏比沖擊試驗，并確定相應的斷口分離上升平臺特征系數μ。如果規定試驗溫度下的夏比沖擊功≥上升平臺綜合系數μ與夏比沖擊功規定值的乘積，則該批鋼管予以接收，否則予以判廢。

3 上升平臺系數的確定

在管道設計中，按標準ISO 3183附錄G采用Battele雙曲線法預測管線鋼的止裂能力時，夏比沖擊功成為衡量材料止裂韌性的一個關鍵指標，而斷口分離現象往往表現為材料沖擊功曲線的上升上平臺(RUS)行為(見圖2)，會對鋼管的止裂帶來不利影響[1-2]。一般認為，當材料有上升平臺行為，且CVP/CV100＞1.25(CV100為剪切面積達到100％時的夏比沖擊功，CVP為上平臺夏比沖擊功)時，按照BMI雙曲線法計算的止裂韌性預測值不能保證管線安全，必須在預測值基礎上乘以系數CVP/CV100。

圖2 夏比沖擊試驗轉變曲線上升平臺行為

針對已有止裂經驗公式預測高壓天然氣管線止裂韌性值的不安全性，Wilkowski(美國)、Leis(美國)、Kanninen(德國)等學者進行了有價值的研究工作。Leis提出了在原有公式基礎上進行修正的方法[10]。截至目前，在實際工程中，普遍采用Leis方法。Leis經過研究發現，止裂韌性的預測值超過94 J時，用BMI公式預測的結果偏于危險，他提出了如下修正公式：

當鋼管材料斷口分離和上平臺現象比較嚴重(CVP/CV100＞1.25)時，應對Leis修正公式預測值進行全尺寸實物爆破試驗驗證。因故不能進行氣爆試驗，出現斷口分離，保守做法是對沖擊功要求值乘以1.5。

對于出現斷口分離現象而具有上升平臺行為的管線鋼，其上升平臺行為常用一些特征參數來表征。根據材料系列溫度夏比沖擊試驗結果，表征沖擊曲線上升平臺行為的特征參數如下：

(1)CVN100—斷口剪切面積達到100％時，對應的最低夏比沖擊能。

(2)CVP—夏比沖擊上平臺能。進行系列溫度沖擊試驗，記錄每個試樣斷口剪切面積和沖擊功。做系列溫度SA和CVN轉變圖，在轉變圖上存在明顯平臺能時，對應的平臺能即為CVP。若無明顯平臺能時，取1～3組最高試驗溫度沖擊功的平均值作為CVP。

(3)CVNmax—試驗溫度范圍內最大夏比沖擊能。

(4)CVI—夏比截距能。進行系列溫度沖擊試驗，記錄每個試樣斷口剪切面積和沖擊功，做剪切面積與沖擊功的對應關系圖。對剪切面積為20％～95％的數據點進行線性回歸，所得直線延伸至100％剪切面積時對應的沖擊能即為CVI，如圖3所示。要求在20％～95％剪切面積之間至少有3個以上的數據點。

圖3 斷口分離上升平臺特征參數示例

表征材料上升平臺行為包含CVNmax/CVI，CVNmax/CV100，CVP/CVI，CVP/CV100等4個系數，究竟那個更合理、更能準確反映材料出現斷口分離時的上升平臺行為，尚無定論。但總的來說，經過仔細的設計和試驗，這些特征參數可以反映出現斷口分離現象時材料的上升平臺行為。由于管線鋼管材料在低溫時對試驗溫度敏感，試驗溫度選取點和間隔的不同，以及斷口剪切面積評價的人為因素，使得這些特征參數的測量結果存在一定偏差，甚至有些參數個別情況下難以確定，即使能夠確定，參數差異也會很大。因此，提出了采用平均值方法來衡量材料出現斷口分離的上升平臺行為，即采用CVP/CVI，CVP/CV100，CVNmax/CVI，CVNmax/CV100這4個特征系數的平均值作為上升平臺綜合系數μ來衡量材料出現斷口分離的上升平臺行為。

4 西氣東輸二線試制L555/X80鋼管斷口分離分析

分析樣品為西氣東輸二線工程小批量試制的φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管和φ1 219mm×18.4mm/22.0mm直縫埋弧焊管，共14根鋼管，涉及8家鋼廠和8家管廠。從試驗結果可以看出，鋼管沖擊試樣分離情況不太嚴重，基本上未出現或有時在低溫出現，分離程度也較輕，但個別廠家的產品出現較嚴重的斷口分離情況，如No.27-166Y的鋼管。

No.27-166Y螺旋埋弧焊管在系列溫度下管體橫向夏比沖擊功、斷口剪切面積、斷口分離裂紋長度和分級情況見表4，試樣斷口形貌如圖4所示。這是試驗中見到的最嚴重的斷口分離，沖擊試樣斷口從低溫到高溫都可以看到明顯的分離裂紋，-40℃和-60℃下最為嚴重。No.27-166Y鋼管夏比沖擊試驗斷口分離特征參數見表5，從表中可以看到CVP/CVI，CVP/CV100，CVNmax/CVI，CVNmax/CV100及其平均值(即綜合系數μ)均很高。

表4 No.27-166Y管體橫向夏比沖擊系列溫度試驗結果

西氣東輸二線工程大量采用了L555/X80管線鋼管，管道設計壓力、鋼級、直徑、壁厚以及長度等綜合參數在國際上史無前例。在確定西氣東輸二線斷裂控制的方案時，是否考慮斷口分離問題以及如何處理斷口分離問題，曾是爭論的焦點。筆者就西氣東輸二線工程使用的φ1 219mm L555/X80鋼埋弧焊管的斷口分離情況進行了分析和評價。

圖4 No.27-166Y鋼管在系列溫度下夏比沖擊試樣斷口形貌

表5 No.27-166Y鋼管夏比沖擊試驗斷口分離特征參數

5 結 論

(1)在對大量試樣斷口分析的基礎上，根據斷口分離裂紋的長度和數量，將沖擊試樣的斷口分離程度分為4個級別，提出了沖擊試樣斷口分離的分級方法及鋼管質量評價方法。

(2)表征材料上升平臺行為有CVP/CVI，CVP/CV100，CVNmax/CVI，CVNmax/CV100等 4 個參數，究竟那個更合理、更能準確反映材料出現斷口分離時的上升平臺行為尚無定論。由于試驗和材料等多種因素，使得這些特征參數的測量結果存在一定偏差，甚至有些參數個別情況下難以確定，即使能夠確定，參數差異也會很大。因此提出了采用平均值的方法來衡量材料出現斷口分離的上升平臺行為。

(3)采用提出的斷口分離程度分級方法和上升平臺特征參數確定方法，對西氣東輸二線試制的L555/X80管材斷口分離情況及上升平臺系數進行了分析，對斷口分離嚴重的鋼廠提出改進建議。

(4)斷口分離是一種常見現象，對管道斷裂韌性有不利影響，應進行控制。尤其是對高鋼級、高壓輸氣管道，應作為一項指標進行檢驗和評價，建議納入相關輸送管標準中。

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Discussion on Fracture Separation Evaluation Method of Line Pipe Impact Specimen

LI Weiwei
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710065,China)

Aiming at the fracture separation phenomena appeared in mechanical properties testing of oil and gas transportation pipeline,the characteristics,causes and the potential safety hazard to pipeline operation by Charpy impact tests fracture separation were analyzed,and a rating method for fracture separation degree of Charpy impact test was put forward.As well as the determination method of the lift platform coefficient.The fracture separation of L555/X80 line pipes in trial production for the Second West-to-East Pipeline Project were analyzed by the above two methods,some suggestions were given for steel makers whose product are with severe fracture separation.It’s suggested that this study results can be added into the standard as supplementary assessment method.

line pipe;fracture separation;grading;evaluation

TE973

B

1001-3938(2015)03-0038-05

本研究受中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“西氣東輸二線工程關鍵技術研究”項目(2007-05Z-01-01)資金的支持。

李為衛(1965—)，男，碩士，高級工程師，1988年畢業于西安交通大學焊接專業，主要從事油氣輸送管材料研究及標準化工作。

2014-10-13

李紅麗